РУТХЕРФОРД-ОВ ЕКСПЕРИМЕНТ: ИСТОРИЈА, ОПИС И ЗАКЉУЧЦИ - НАУКА - 2025

Експеримент Рутхерфорд , обавља између 1908. и 1913. састојао бомбардују танак златни слој .0004 мм дебљине, са алфа честица и анализира дисперзије образац поменутих честица остављене на флуоресцентни екран.

У ствари, Рутхерфорд је спровео бројне експерименте, прецизирајући детаље све више и више. Након пажљиве анализе резултата, појавила су се два веома важна закључка:

-Позитивни набој атома концентрисан је у области која се зове језгро.

-Ово је атомско језгро невероватно мало у поређењу са величином атома.

Слика 1. Рутхерфорд-ов експеримент. Извор: Викимедиа Цоммонс. Курзон

Ернест Рутхерфорд (1871-1937) био је физичар рођен на Новом Зеланду чије је поље интересовања било радиоактивност и природа материје. Радиоактивност је била недавна појава када је Рутхерфорд почео своје експерименте, а то је открио Хенри Бецкуерел 1896. године.

Године 1907. Рутхерфорд је отишао на Манчестерски универзитет у Енглеској да проучава структуру атома, користећи ове алфа честице као сонде да се завире у тако малу структуру. На задатку су га пратили физичари Ханс Геигер и Ернест Марсден.

Надали су се да ће видети како ће алфа честица, која је двоструко јонизовани атом хелија, утицати на један атом злата, како би се уверили да свако одступање које је доживело буде последица само електричне силе.

Међутим, већина алфа честица пролази кроз златну фолију са само малим одступањем.

Ова чињеница била је у потпуности у складу са Тхомсон-овим атомским моделом, међутим, на изненађење истраживача, мали проценат алфа честица доживео је прилично значајно одступање.

А још мањи проценат честица ће се вратити, потпуно одскакујући. Због чега су настали ови неочекивани резултати?

Опис и закључци експеримента

У ствари, алфа честице које је Рутхерфорд користио као сонда су хелија хемијума, а у то време се само знало да су те честице позитивно наелектрисане. Данас је познато да се алфа честице састоје од два протона и два неутрона.

Рутхерфорд је идентификовао алфа честице и бета честице као две различите врсте зрачења из уранијума. Алфа честице, много веће масе од електрона, имају позитиван електрични набој, док бета честице могу бити електрони или позитрони.

Слика 2. Детаљна шема експеримента Рутхерфорд, Геигер и Марсден. Извор: Р. Книгхт. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.

Поједностављена шема експеримента приказана је на слици 2. Зрака алфа честица потиче из радиоактивног извора. Геигер и Марсден су користили радонски гас као одашиљач.

Оловни блокови коришћени су за усмеравање зрачења према златној фолији и спречавали га да директно пређе на флуоресцентни екран. Олово је материјал који апсорбује зрачење.

Након тога направљена је тако усмјерена греда да се утисне у танку златну фолију и већина честица наставила је свој пут до флуоресцентног сито-сулфатног екрана, гдје су оставили мали траг свјетлости. Геигер је био задужен за бројање једног по једног, иако су касније дизајнирали уређај који је то урадио.

Чињеница да су неке честице пробиле мали одбој није изненадила Рутхерфорда, Гегера и Марсдена. На крају, на атому постоје позитивна и негативна набоја која делују на силе честица алфа, али пошто је атом неутралан, што су већ знали, одступања су морала бити мала.

Изненађење експеримента је што је неколико позитивних честица одбијено скоро директно назад.

Закључци

Отприлике 1 од 8000 алфа честица имало је отклон под угловима већим од 90 °. Мало, али довољно за испитивање неких ствари.

Моде атомске моде био је модел пудинга од грожђица Тхомсон-а, бившег професора Рутхерфорда у Цавендисх Лаборатори, али Рутхерфорд се питао да ли је идеја о атому без нуклеуса и са електронима уграђеним у грожђице тачна.

Јер испада да су ови велики одвоји алфа честица и чињеница да се неколицина може вратити, могу се објаснити само ако атом има мало, тешко, позитивно језгро. Рутхерфорд је претпостављао да су само електричне привлачне и одбојне силе, како је указивао Цоуломбов закон, одговорне за свако одступање.

Када се неке од алфа честица приближе директно овом језгру и пошто електрична сила варира у односу на обрнути квадрат удаљености, осећају одбојност која им изазива расипање у великом углу или назад.

Да будемо сигурни, Геигер и Марсден су експериментирали са бомбардовањем лима различитог метала, а не само злата, мада је овај метал био најприкладнији за своју крвавост како би створили веома танке плоче.

Добијајући сличне резултате, Рутхерфорд је био убеђен да позитивно наелектрисање атома треба да се налази у језгру, а не да се распршује по његовом обиму, као што је Тхомсон постулирао у свом моделу.

С друге стране, пошто је велика већина алфа честица прошла без одступања, језгро је морало бити веома, веома мало у поређењу са атомском величином. Међутим, ово језгро је морало да концентрише већину масе атома.

Утицај на модел атома

Резултати су изненадили Рутхерфорда, који је на конференцији у Цамбридгеу изјавио: "… то је као када пуцате 15-инчним топом у лист папирног папира, а пројектил одбија директно према вама и удара вас".

Пошто се ови резултати нису могли објаснити Тхомсоновим атомским моделом, Рутхерфорд је предложио да атом буде сачињен од језгра, врло малог, веома масивног и позитивно наелектрисаног. Електрони су остали у орбити око њега, попут минијатурног Сунчевог система.

Слика 3. Рутхерфорд-ов атомски модел са леве стране и Тхомсон-ов модел пудинга од грожђица са десне стране. Извор: Викимедиа Цоммонс. Лева слика: Јцимц90

О томе се ради у нуклеарном моделу атома приказаном на слици 3 са леве стране. Како су и електрони веома, и врло мали, испада да је атом готово све. празно! Због тога, већина алфа честица пролази кроз лим једва да се одбије.

А аналогија са минијатурним соларним системом је веома тачна. Атомско језгро игра улогу Сунца, садржи готово сву масу плус позитивни набој. Електрони круже око њих попут планета и носе негативан набој. Склоп је електрично неутралан.

О расподјели електрона у атому, Рутхерфорд-ов експеримент није показао ништа. Могли бисте помислити да би алфа честице имале неку интеракцију са њима, али маса електрона је премала и они нису били у стању да значајно одвоје честице.

Недостаци модела Рутхерфорд

Један проблем овог атомског модела било је управо понашање електрона.

Да нису статични, али да окружују атомско језгро у кружним или елиптичним орбитама, вођеним електричном привлачношћу, на крају би појурили према језгру.

То је зато што убрзани електрони губе енергију, а ако се то догоди, то би био колапс атома и материје.

Срећом то се не догађа. Постоји врста динамичке стабилности која спречава колапс. Следећи атомски модел, после Рутхерфордовог, био је Бохров, који је дао неке одговоре зашто се не догађа колапс атома.

Протон и неутрон

Рутхерфорд је наставио да експериментише са расипањем. Између 1917. и 1918., он и његов помоћник Виллиам Каи одлучили су да бомбардују гасовите атоме азота високоенергетским алфа честицама из бизмут-214.

Поново је био изненађен када је открио језгре водоника. Ово је једначина реакције, прве вештачке нуклеарне трансмутације икада постигнуте:

Одговор је био: из истог азота. Рутхерфорд је водонику доделио атомски број 1, јер је то најједноставнији елемент од свих: позитивно језгро и негативни електрон.

Рутхерфорд је пронашао основну честицу коју је назвао протоном, именом које је најприје настало од грчке речи. На овај начин, протон је суштински састојак сваког атомског језгра.

Касније, око 1920. године, Рутхерфорд је предложио да мора постојати неутрална честица са масом која је врло слична маси протона. Назвао је ову честицу неутроном и део је готово свих познатих атома. Физичар Јамес Цхадвицк коначно га је идентификовао 1932. године.

Како изгледа модел атома водоника у скали?

Атом водоника је, као што смо рекли, најједноставнији од свих. Међутим, није било лако развити модел за овај атом.

Узастопна открића уродила су квантном физиком и читавом теоријом која описује појаве на атомској скали. Током овог процеса, атомски модел се такође развијао. Али погледајмо питање величина:

Атом водоника има језгро састављено од једног протона (позитивно) и има један електрон (негативан).

Радијус атома водоника је процењен на 2,1 к 10 ^-10 м, док је протонски 0,85 к 10 ^-15 м или 0,85 фмометра. Назив ове мале јединице носи Енрицо Ферми и много се користи када се ради у овој скали.

Па, квоцијент између радијуса атома и оног у језгру је реда 10 ⁵ м, то јест, атом је 100.000 пута већи од језгра!

Међутим, мора се узети у обзир да у савременом моделу, заснованом на квантној механици, електрон окружује језгро у некаквом облаку који се назива орбитала (орбитала није орбита), а електрон, у атомској скали, није тачан.

Када би се атом водоника - маштовито - увећао на величину фудбалског игралишта, тада би језгро састављено од позитивног протона било величине мрава у центру терена, док би негативни електрон био као врста духа, разбацани по пољу и окружујући позитивну језгру.

Атомски модел данас

Овај атомски модел "планетарног типа" је веома усађен и слика је коју већина људи има о атому, пошто је врло лако визуелизовати. Међутим, то данас није прихваћен модел у научној области.

Савремени атомски модели заснивају се на квантној механици. Она истиче да електрон у атому није негативно наелектрисана тачка која прати прецизне орбите, као што је замислио Рутхерфорд.

Уместо тога, електрон се распршује у подручјима око позитивног језгра, која се називају атомска орбитала. Од њега можемо знати колика је вероватноћа да се налазимо у једној или другој држави.

Упркос томе, Рутхерфорд-ов модел представљао је огроман напредак у познавању унутрашње структуре атома. А то је утрло пут за више истраживача да га даље усавршавају.

Референце

1. Андриессен, М. 2001. ХСЦ курс. Физика 2. Јацаранда ХСЦ Наука.
2. Арфкен, Г. 1984. Универзитетска физика. Академска штампа.
3. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
4. Физика ОпенЛаб. Експеримент Рутхерфорд-Геигер-Марсден Опоравак од: пхисицсопенлаб.орг.
5. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон.
6. Тисон, Т. 2013. Рутхерфорд Сцаттеринг Екперимент. Преузето са: 122.пхисицс.уцдавис.еду.
7. Ксактли. Рутхерфордови експерименти. Опоравак од: кактли.цом.
8. Википедиа. Рутхерфорд-ов експеримент. Опоравак од: ес.википедиа.орг.