Eksperiment Rutherford in njegovi prototipi



The Rutherfordov poskus dovolila skupini znanstvenikov, da odkrijejo, da ima vsak atom pozitivno nabito jedro.

Ernest Rutherford je bil novozelandski fizik in kemik. Osredotočil se je na proučevanje radioaktivnih delcev in izvedel več preiskav, ki so mu omogočile pridobitev Nobelove nagrade za kemijo leta 1908.

Pod vodstvom Rutherforda, Hansa Geigerja in Ernesta Marsdena so pomagali ustvariti atomski model v laboratorijih Univerze v Manchestru..

Ena od prvih atomskih teorij, ki obstajajo, je tista, ki jo je oblikoval Thomson, odkritelj elektrona. Verjel je, da so atomi sfere s pozitivnim nabojem in da so v njej porazdeljeni elektroni.

Thomsonova teorija je dejala, da če bi alfa delci trčili z atomom, bi ta del potoval skozi atom. Na to bi vplivalo električno polje atoma po tem modelu.

V tem času protoni in nevtroni niso bili odkriti. Thomson ni mogel dokazati svojega obstoja, znanstveniki pa ga niso sprejeli.

Da bi dokazali obstoj Thomsonove teorije, je Rutherford, Geiger in Marsdend izvedel eksperiment, v katerem so bombardirali alfa delce, narejene iz jedra helija, proti pločevini kovine..

Če je Thomsonov model deloval, bi morali delci iti skozi kovinsko ploščo brez kakršnega koli odstopanja.

Razvoj Rutherfordovega eksperimenta

Prvi prototip

Prvi prototip poskusa, izveden leta 1908, je Geiger pojasnil v članku z naslovom O razpršitvi delcev po materi.

Zgradili so stekleno cev dolg približno dva metra, na eni strani je bil vir radia, na nasprotnem koncu pa je bil nameščen fosforescentni zaslon. V sredini cevke je bil postavljen nekakšen lijak za alfa delce skozi njega.

Sledil je postopek prenosa alfa delcev skozi režo, tako da bi projiciral žarek svetlobe na fosforescentni zaslon.

Z izčrpanjem vsega zraka iz cevi je bila pridobljena slika jasna in ustrezala odprtini na sredini cevi. Ko je bila količina zraka v cevi znižana, je slika postala bolj razpršena.

Potem, da bi videli, katera pot je sledila delcem, če bi nekaj udarili ali jo prečkali, kot je trdila Thomsonova teorija, je bil v režo vstavljen zlat list..

To je pokazalo, da zrak in trdne snovi povzročajo disperzijo delcev, ki se odražajo v fosforescentnem zaslonu z bolj difuznimi slikami..

Problem s tem prvim prototipom je, da je le pokazal rezultat disperzije, ne pa tudi krivulje, po kateri so sledili alfa delci..

Drugi prototip

Geiger in Marsden objavljata članek leta 1909, v katerem sta pojasnila poskus, ki prikazuje gibanje alfa delcev.

V razpršeni refleksiji alfa delcev pojasnjeno je, da je namen poskusa ugotoviti, da se delci premikajo pod koti več kot 90 stopinj.

Ustvarili so drugi prototip za eksperiment, kjer je nastala steklena posoda s konično obliko. Namestili so svinčeno ploščo, tako da so alfa delci trčili z njo, in da bi videli svojo disperzijo, je bila postavljena fluorescentna plošča..

Problem s konfiguracijo te naprave je, da se delci izognejo svinčeni plošči, odbijajo se od molekul zraka.

Testirali so jih tako, da so položili pločevino in videli na fluorescentnem zaslonu, da je več delcev.

Pokazalo se je, da kovine, ki so imele višjo atomsko maso, odražajo več delcev, vendar sta Geiger in Masden želela vedeti točno število delcev. Toda eksperiment z radijem in radioaktivnimi snovmi ne more biti natančen.

Tretji prototip

Članek Disperzija α-delcev s snovjo iz leta 1910 pojasnjuje tretji poskus, ki ga je Geiger izdelal. Tu se je že osredotočil na merjenje disperzijskega kota delcev, odvisno od materiala, v katerem pridejo v stik.

Tokrat je bila cev nepropustna za vodo in živo srebro je črpalo radon-222 na fluorescenčni zaslon. S pomočjo mikroskopa so prešteli bliske, ki so se pojavile na fluorescentnem zaslonu.

Izračunali smo kote, ki sledijo delcem, in ugotovili, da se koti upogiba povečajo z večjo atomsko maso materiala in da je tudi sorazmerna atomski masi snovi..

Najverjetnejši kot upogiba pa se zmanjša s hitrostjo in verjetnost, da odstopa za več kot 90 °, je zanemarljivo.

Z rezultati, dobljenimi v tem prototipu, je Rutherford matematično izračunal vzorec disperzije.

S pomočjo matematične enačbe smo izračunali, kako naj plošča razprši delce, ob predpostavki, da ima atom v svojem središču pozitivni električni naboj. Čeprav je bila slednja le hipoteza.

Razvita enačba je bila taka:

Kjer je s = število alfa delcev, ki padejo na površino enote z naklonskim kotom Φ

  • r = razdalja točke vpada alfa žarkov na disperzijski material
  • X = skupno število delcev, ki padajo na disperzijski material
  • n = število atomov v enoti prostornine materiala
  • t = debelina lista
  • Qn = pozitivni naboj atomskega jedra
  • Qα = pozitivni naboj alfa delcev
  • m = masa alfa delcev
  • v = hitrost delca alfa

Končni prototip

Z modelom Rutherfordovih enačb je bil poskus poskušal dokazati, kaj je bilo postulirano in da imajo atomi jedro s pozitivnim nabojem..

Predvidena enačba je napovedala, da mora biti število utripov na minuto, ki jo je treba opazovati pri danem kotu (), sorazmerno:

  • csc42/2
  • debelina t
  • velikost centralne obremenitve Qn
  • 1 / (mv2)2

Da bi prikazali te štiri hipoteze, so nastali štirje poskusi, ki so pojasnjeni v članku Zakoni odklonov α delcev z velikimi koti iz leta 1913.

Preskus učinka je sorazmeren s csc42/2, zgrajen valj na vrhu gramofona, na stolpcu.

Kolona, ​​ki je prečrpavala zrak in mikroskop, pokrit s fluorescentnim zaslonom, je omogočila opazovanje delcev, ki so odstopali do 150 °, s čimer je bila dokazana hipoteza Rutherforda..

Za testiranje hipoteze o debelini lista je nameščen disk z 6 luknjami, prekritimi s ploščami različne debeline. Ugotovljeno je bilo, da je bilo število bliskavic sorazmerno z debelino.

Ponovno so uporabili disk prejšnjega poskusa, da bi izmerili vzorec disperzije, ob predpostavki, da je bila obremenitev jedra sorazmerna z atomsko maso, merili pa so, če je bila disperzija sorazmerna z atomsko maso na kvadrat.

S pridobljenimi bliski, deljenimi z ekvivalentom zraka, nato pa deljenim s kvadratnim korenom atomske teže, so ugotovili, da so razmerja podobna

In končno, z istim diskom poskusa so postavili več ploščic s sljudo, da bi zadržali delce, in s sprejemljivim razponom napak so pokazali, da je bilo število scintilacij sorazmerno z 1 / v.4, kot je Rutherford napovedal v svojem modelu.

S pomočjo eksperimentov so dokazali, da so bile vse Rutherfordove hipoteze izpolnjene na način, ki je določal Rutherfordov atomski model. V tem modelu, ki je bil končno objavljen leta 1917, se predvideva, da imajo atomi osrednje jedro s pozitivnim nabojem.

Če je osrednje jedro atoma tisto s pozitivnim nabojem, bo preostali atom prazen z elektroni, ki krožijo okoli njega.

S tem modelom je bilo prikazano, da imajo atomi nevtralni naboj in da je pozitivni naboj, ki je v jedru, izničen z enakim številom elektronov, ki krožijo okoli.

Če odstranimo elektrone iz atoma, jih bomo pustili s pozitivnim nabojem. Atomi so stabilni, saj je centrifugalna sila enaka električni sili, kar zadrži elektrone na mestu

Reference

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Atomski model E. Rutherford.Poučevanje znanosti, 2008, vol. 26.
  2. BOHR, Niels. Rutherfordovo spominsko predavanje 1958 Spomini ustanovitelja jedrske znanosti in nekaterih dogodkov, ki temeljijo na njegovem delu \ t.Zbornik Fizičnega društva, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Zgodovina in filozofija znanosti skozi modele: nekateri izzivi v primeru atoma \ t.Mednarodni časopis za znanstveno izobraževanje, 2000, vol. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, et al.Atom-fotonske interakcije: osnovni procesi in aplikacije. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Konceptualni modeli univerzitetnih študentov o atomski strukturi na podlagi eksperimentov Thomson, Rutherford in Bohr / Konceptualni modeli univerzitetnih študentov o atomski strukturi, ki temeljijo na eksperimentih Thomson, Rutherford in Bohr.Revija za znanstveno izobraževanje, 2000, vol. 1, št.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorganska kemija. Uvodnik progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williart. Zgodovinski eksperiment: odkritje atomskega jedra: Rutherfordov poskus.100cias UNED, 2003, št. 6, str. 107-111.