DOŚWIADCZENIE RUTHERFORDA
  - Program komputerowy - symulacja doświadczenia
    W 1898 roku Thomson stworzył wizję atomu jako naładowanej dodatnio kuli, w której umieszczone są ładunki ujemne - model "ciasta z rodzynkami". W sumie cały atom był więc obojętny. Taki model nie tłumaczył jednak wszystkich faktów doświadczalnych.
    Na początku XX wieku dwaj studenci Ernesta Rutherforda - Hans Geiger (1882-1945) i Ernest Marsden przeprowadzili szereg eksperymentów, których celem było zbadanie rozpraszania przez cienką folię złota cząsteczek alfa (cząstki te zawierają ładunek 2*e). Doświadczenie zaowocowało zbudowaniem nowego modelu atomu - modelu "planetarnego".
    Bardzo cienka złota folia E , była bombardowana szybkimi cząstkami alfa ze źródła ²¹⁴Po R (źródło R było w obudowie ołowianej F). Ze źródła cząsteczki padały na folię E i były na niej rozpraszane. Rozpraszanie to mogło być obserwowane przez mikroskop M. Całe urządzenie znajdowało się w obudowie metalowej A i było przykryte płytą szklaną P. Urządzenie zostało przymocowane do podstawy B. Folia złota miała grubość około 5*10^-7 metra. Naukowcy wiedzieli, że wyznaczenie kątów rozpraszania cząsteczek pozwoli lepiej poznać strukturę atomów, z których zbudowana jest złota tarcza.

    Geiger i Marsden przeprowadzili również inne doświadczenie (rys 2), w którym cząstki alfa ze źródła (A) przechodziły przez szczelinę (S) tworząc równoległą wiązkę. Padała ona na ekran (B) wywołując na nim krótkie rozbłyski, które naukowcy zliczali przez mikroskop (M). W przypadku tym wyniki są przedstawione na wykresie (wyk 1) w postaci krzywej A. Następnie naukowcy zakryli szczelinę złotą folią - wyniki prezentuje krzywa B. Krzywa C pokazuje wyniki, gdy szczelinę zakryto dwoma złotymi foliami.

    W 1911 roku Rutherford przeprowadził teoretyczną analizę kątów rozproszenia zgodnie z teorią atomu Thomsona i zgodnie z wysuniętą przez siebie teorią, w której założył, że atomy zbudowane są z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół niego. Następnie teoretycznie obliczone wyniki porównał z wynikami eksperymentu. Powolna cząsteczka alfa padająca na warstwy atomów zbudowanych zgodnie z modelem "ciasta z rodzynkami", w którym atomy przylegałyby do siebie najprawdopodobniej zostałaby zatrzymana i nie mogłaby przeniknąć przez złotą folię. Z kolei szybka cząstka przenikałaby przez cienką folię w zasadzie prawie nieodchylona, , gdyż pole elektryczne wewnątrz atomów byłoby słabe i w miarę jednorodne. W modelu Rutherforda pole to jest znacznie silniejsze (bliżej jądra - gdzie jest skupiony cały dodatni ładunek), a więc niektóre cząstki alfa są znacznie bardziej odchylana. Inne natomiast, przechodzące daleko jądra, są prawie nie odchylane. Prawdopodobieństwo trafienia cząsteczki alfa w jądro jest małe, ale również istnieje.

    Doświadczenie Geigera i Marsdena wykazało, iż obok cząsteczek alfa niedużo odchylonych od pierwotnego kierunku, występują również cząstki odchylone o bardzo duży kąt 135-150 stopni. Zjawiska tego nie można było wytłumaczyć kilkoma małymi zsumowanymi odchyleniami. Dane doświadczalne potwierdziły "planetarny" model atomu.
    Pomiędzy cząstką alfa, a jądrem atomu istnieje oddziaływanie - odpychanie zgodnie z siłą kolombowską:

          (1)
gdzie: (2*e)- ładunek cząstki alfa, (Z*e)- ładunek jądra atomowego, y₀ - przenikalność elektryczna próżni, r - odległość jądra od cząstki. Następnie zgodnie z wzorem, do którego doszedł Rutherford (jego toku myślenia nie będę tu przytaczał, gdyż jest skomplikowany od strony matematycznej) N - liczba cząstek alfa rozproszonych w jednostce czasu wewnątrz kąta przestrzennego dQ jest równa:

          (2)
gdzie: n - gęstość strumienia cząstek alfa, G - kąt rozproszenia alfa (patrz rys 2), E - energia cząstek.
    Na podstawie liczby cząstek alfa rozproszonych pod kątem G można wyznaczyć liczbę Z elementarnych ładunków dodatnich w jądrze. Rutherford stwierdził, że liczba ta jest równa liczbie porządkowej pierwiastka w układzie okresowym.
    Jeżeli znamy ładunek jądra można wyznaczyć górną granicę jego promienia (przy założeniu że jądro jest kulą). Suma promienia cząstki alfa i jądra jest mniejsza od minimalnej odległości r₀ pomiędzy ich środkami w momencie zderzenia. Aby oszacować wartość r₀ rozpatrzmy zderzenie centralne - rozproszenie pod kątem G = 180 stopni. Z prawa zachowania energii wynika, iż w momencie, gdy odległość pomiędzy cząstką alfa, a jądrem jest minimalna, jej energia kinetyczna zostaje całkowicie zamieniona na energię ich oddziaływania - na energię potencjalną:

          (3)
gdzie m - masa cząstki alfa, v - prędkość cząstki alfa przed zderzeniem.

Po przekształceniu jest:

          (4)


    Z równania (4) dla złota otrzymano r₀ około 3,1*10^-14 metra (prędkość cząstek alfa wynosiła 1,9*10⁷ metra na sekundę). Wymiary jądra muszą być mniejsze od tej wielkości.
    Podsumowywując wyniki prac Rutherford stwierdził, że atom składa się z jądra o rozmiarach 10^-15-10^-14 metra. Znajduje się w nim, cały ładunek dodatni i właściwie cała jego masa. Dookoła jądra po obszarze o rozmiarach rzędu 10^-10 metra krążą lekkie elektrony. Elektrony muszą krążyć wokół jądra po orbitach, aby przyciągane przez ładunki dodatnie nie spadły na jądro. Orbity te zależne są od energii elektronów. Elektrony w atomach tego samego pierwiastka krążą po tych samych charakterystycznych dla niego orbitach - widmo optyczne atomów tego samego pierwiastka jest takie same.

    Model Rutherforda miał jednak kilka poważnych niezgodności. Zgodnie z klasyczną mechaniką poruszający się dookoła jądra elektron powinien emitować falę elektromagnetyczną. Emisja taka jest związana z ucieczką pewnej energii z układu elektron-jądro. Elektron powinien poruszać się więc nie po okręgu lecz po spirali i ostatecznie zderzyć się z jądrem. Atom jednakże jest trwały. Inne sprzeczności dotyczyły promieniowania - miało ono być ciągłe (gdyż czas obiegu elektronu zgodnie ze stratą energii powinien się w sposób ciągły zmieniać), a linie widmowe nie powinny występować.

    Model atomu Rutherforda nie mógł być, więc ostatecznym modelem budowy materii.

DOŚWIADCZENIE SCHUSTERA  |   DOŚWIADCZENIE THOMSONA  |   DOŚWIADCZENIE MILLIKANA  |   DOŚWIADCZENIE RUTHERFORDA  |   DOŚWIADCZENIE ASTONA  |   DOŚWIADCZENIA - FALOWA BUDOWA ELEKTRONU  |   DOŚWIADCZENIE FRANCKA-HERTZA  |   DOŚWIADCZENIE STERNA-GERLACHA  |   ZJAWISKO COMPTONA