ЕКСПЕРИМЕНТЪТ НА РЪДЪРФОРД: ИСТОРИЯ, ОПИСАНИЕ И ИЗВОДИ - НАУКА - 2025

В експеримента Rutherford, извършено между 1908 и 1913 се състои бомба тънък филм злато на.0004 mm дебелина, с алфа-частици и анализира схемата дисперсия на споменатите частици оставени на флуоресцентен екран.

Всъщност Ръдърфорд проведе множество експерименти, усъвършенствайки детайлите все повече и повече. След внимателен анализ на резултатите се появиха два много важни заключения:

-Положителният заряд на атома е концентриран в област, наречена ядро.

-Този атомно ядро ​​е невероятно малко в сравнение с размера на атома.

Фигура 1. Експериментът на Ръдърфорд. Източник: Wikimedia Commons. Kurzon

Ърнест Ръдърфорд (1871-1937) е роден в Нова Зеландия физик, чиято област на интерес е радиоактивността и естеството на материята. Радиоактивността беше скорошно явление, когато Ръдърфорд започна експериментите си, беше открит от Анри Бекерел през 1896 година.

През 1907 г. Ръдърфорд заминава за Университета в Манчестър в Англия, за да изучи структурата на атома, използвайки тези алфа частици като сонди, за да надникнат в такава малка структура. Физиците Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън го придружиха при изпълнението на задачата.

Те се надяваха да видят как алфа частица, която е двойно йонизиран атом на хелий, ще взаимодейства с един единствен златен атом, за да гарантира, че всяко отклонение, което преживява, се дължи единствено на електрическа сила.

Повечето от алфа частиците обаче преминаха през златното фолио само с леко отклонение.

Този факт беше в пълно съгласие с атомния модел на Томсън, обаче, за изненада на изследователите, малък процент от алфа частиците изпитаха доста забележително отклонение.

И още по-малък процент частици би се върнал, отскачайки напълно обратно. На какво се дължиха тези неочаквани резултати?

Описание и заключения на експеримента

Всъщност алфа частиците, които Ръдърфорд използва като сонда, са хелиеви ядра и по това време се знае, че само тези частици са положително заредени. Днес е известно, че алфа частиците са съставени от два протона и два неутрона.

Алфа частиците и бета частиците бяха идентифицирани от Ръдърфорд като два различни вида радиация от уран. Алфа частиците, много по-масивни от електрона, имат положителен електрически заряд, докато бета частиците могат да бъдат електрони или позитрони.

Фигура 2. Подробна схема на експеримента Ръдърфорд, Гейгер и Марсден. Източник: Р. Найт. Физика за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.

Опростена схема на експеримента е показана на фигура 2. Лъчът от алфа частици идва от радиоактивен източник. Гейгер и Марсден използваха радонов газ като емитер.

Оловните блокове бяха използвани за насочване на излъчването към златното фолио и предотвратяване на неговото преминаване директно към флуоресцентния екран. Оловото е материал, който абсорбира радиацията.

Впоследствие направеният лъч е направен така, че да се нанася върху тънко златно фолио и повечето частици продължават по пътя си към флуоресцентния цинков сулфат, където оставят малка следа. Гейгер отговаряше за преброяването им един по един, въпреки че по-късно създадоха устройство, което го направи.

Фактът, че някои частици претърпяха малък отклонение, не изненада Ръдърфорд, Гейгер и Марсдън. В крайна сметка на атома има положителни и отрицателни заряди, които упражняват сили върху алфа частиците, но тъй като атомът е неутрален, което те вече знаеха, отклоненията трябваше да са малки.

Изненадата на експеримента е, че няколко положителни частици бяха отскочени почти директно назад.

Заключения

Около 1 на 8000 алфа частици са имали отклонение под ъглите над 90 °. Малко, но достатъчно, за да поставите под въпрос някои неща.

Атомният модел на мода беше този на стафиден пудинг от Томсън, бившият професор на Ръдърфорд в Кавендишската лаборатория, но Ръдърфорд се чудеше дали идеята за атом без ядро ​​и с вградени като стафиди електрони е вярна.

Защото се оказва, че тези големи отклонения на алфа частици и фактът, че няколко са в състояние да се върнат, може да се обясни само ако един атом има малко, тежко, положително ядро. Ръдърфорд предположи, че само електрическите атрактивни и отблъскващи сили, както е посочено в закона на Кулом, са отговорни за всяко отклонение.

Когато някои от алфа частиците се приближат директно към това ядро ​​и тъй като електрическата сила варира с обратния квадрат на разстоянието, те чувстват отблъскване, което им причинява широкоъгълно разсейване или отклонение назад.

За да бъдем сигурни, Гейгер и Марсдън експериментираха с бомбардиране на листове от различни метали, а не само злато, въпреки че този метал беше най-подходящият за своята ковкост, за да създаде много тънки листове.

Получавайки подобни резултати, Ръдърфорд е убеден, че положителният заряд на атома трябва да бъде разположен в ядрото, а не да се разпръсва по целия му обем, както Томсън постулира в своя модел.

От друга страна, тъй като огромната част от алфа частиците преминаха без отклонение, ядрото трябваше да бъде много, много малко в сравнение с атомния размер. Това ядро ​​обаче трябваше да концентрира по-голямата част от масата на атома.

Влияния върху модела на атома

Резултатите много изненадаха Ръдърфорд, който заяви на конференция в Кеймбридж: „… все едно, когато стреляш с 15-инчова оръдие на лист хартия и снарядът отскочи директно към теб и те удари“.

Тъй като тези резултати не могат да бъдат обяснени с атомния модел на Томсън, Ръдърфорд предложи атомът да е съставен от ядро, много малко, много масивно и положително заредено. Електроните останаха в орбити около него, като миниатюрна слънчева система.

Фигура 3. Атомният модел на Ръдърфорд вляво и пудинговият модел на Томсън от стафиди вдясно. Източник: Wikimedia Commons. Ляво изображение: Jcymc90

Това е ядреният модел на атома, показан на фигура 3 вляво. Тъй като електроните също са много, много малки, се оказва, че атомът е почти всичко…. празна! Следователно, повечето от алфа частиците преминават през листа, който трудно се отклонява.

А аналогията с миниатюрна слънчева система е много точна. Атомното ядро ​​играе ролята на Слънцето, съдържащо почти цялата маса плюс положителния заряд. Електроните обикалят около тях като планети и носят отрицателен заряд. Сглобката е електрически неутрална.

Относно разпределението на електроните в атома, експериментът на Ръдърфорд не показа нищо. Може да си мислите, че алфа частиците биха имали някакво взаимодействие с тях, но масата на електроните е твърде малка и те не бяха в състояние да отклонят значително частиците.

Недостатъци на модела Ръдърфорд

Един проблем при този атомен модел беше именно поведението на електроните.

Ако те не бяха статични, а орбитираха атомното ядро ​​по кръгови или елиптични орбити, задвижвани от електрическо привличане, те биха се втурнали към ядрото.

Това е така, защото ускорените електрони губят енергия и ако това се случи, това би било сривът на атома и материята.

За щастие това не се случва. Има един вид динамична стабилност, която предотвратява срив. Следващият атомен модел след Ръдърфорд беше този на Бор, който даде някои отговори защо атомният срив не се случва.

Протонът и неутронът

Ръдърфорд продължи да прави експерименти с разсейване. Между 1917 и 1918 г. той и неговият помощник Уилям Кей избират да бомбардират газообразни азотни атоми с високо енергийните алфа частици от бисмут-214.

Той отново се изненада, когато откри водородни ядра. Това е уравнението на реакцията, първата изкуствена ядрена трансмутация, постигната някога:

Отговорът беше: от същия азот. Ръдърфорд беше назначил на водорода атомния номер 1, защото това е най-простият елемент от всички: положително ядро ​​и отрицателен електрон.

Ръдърфорд беше намерил основна частица, която назова протон, име, получено първо от гръцката дума. По този начин протонът е основна съставка на всяко атомно ядро.

По-късно, около 1920 г., Ръдърфорд предлага, че трябва да има неутрална частица с маса, много подобна на тази на протона. Той нарече тази частица неутрон и тя е част от почти всички известни атоми. Физикът Джеймс Чадуик най-накрая го идентифицира през 1932г.

Как изглежда мащабен модел на водородния атом?

Водородният атом е, както казахме, най-простият от всички. Въпреки това, не беше лесно да се разработи модел за този атом.

Последователните открития породиха квантовата физика и цяла теория, която описва явления в атомен мащаб. По време на този процес атомният модел също се разви. Но нека да разгледаме въпроса за размерите:

Водородният атом има ядро, съставено от един протон (положителен) и има един единствен електрон (отрицателен).

Радиусът на водородния атом е оценен на 2,1 х 10 ^-10 м, докато този на протона е 0,85 х 10 ^-15 м или 0,85 фемтометра. Името на тази малка единица се дължи на Енрико Ферми и се използва много, когато се работи в този мащаб.

Е, коефициентът между радиуса на атома и този на ядрото е от порядъка на 10 ⁵ m, тоест атомът е 100 000 пъти по-голям от ядрото!

Трябва обаче да се има предвид, че в съвременния модел, базиран на квантовата механика, електронът обгръща ядрото в един вид облак, наречен орбитала (орбиталата не е орбита), а електронът в атомна скала не е точни.

Ако водородният атом беше увеличен - въображаемо - до размера на футболно игрище, тогава ядрото, съставено от положителен протон, би било размерът на мравка в центъра на полето, докато отрицателният електрон би бил като вид призрак, т.е. разпръснати из полето и заобикалящи положителното ядро.

Атомният модел днес

Този атомен модел от "планетарен тип" е много вкоренен и представлява изображението, което повечето хора имат на атома, тъй като е много лесно да се визуализира. Това обаче не е приетият днес модел в научната област.

Съвременните атомни модели са базирани на квантовата механика. Тя посочва, че електронът в атома не е отрицателно заредена точка, която следва точни орбити, както предвижда Ръдърфорд.

По-скоро електронът се разпръсква в области около положителното ядро, наречени атомни орбитали. От него можем да узнаем вероятността да се намирате в едно или друго състояние.

Въпреки това моделът на Ръдърфорд представлява огромен напредък в познаването на вътрешната структура на атома. И проправи пътя на повече изследователи да продължат да го усъвършенстват.

Препратки

1. Андрисен, М. 2001. HSC курс. Физика 2. Джакаранда HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Университетска физика. Академична преса.
3. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
4. Физика OpenLab. Експериментът Ръдърфорд-Гейгер-Марсден Възстановено от: physicsopenlab.org.
5. Рекс, А. 2011. Основи на физиката. Пиърсън.
6. Тайсън, Т. 2013. Експериментът по разсейване на Ръдърфорд. Получено от: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Експерименти на Ръдърфорд. Възстановена от: xaktly.com.
8. Wikipedia. Експериментът на Ръдърфорд Възстановено от: es.wikipedia.org.