Experiment Rutherford a jeho prototypy



Rutherfordův experiment umožnila skupině vědců zjistit, že každý atom má kladně nabité jádro.

Ernest Rutherford, fyzik a chemik z Nového Zélandu. Zaměřil se na studium radioaktivních částic a provedl několik výzkumů, které mu v roce 1908 umožnily získat Nobelovu cenu za chemii.

Pod vedením Rutherford, Hans Geiger a Ernest Marsden, oni pomáhali vytvořit atomový model, v laboratořích univerzity Manchestera..

Jedna z prvních atomových teorií, která existuje, je ta, kterou formuloval Thomson, objevitel elektronu. On věřil, že atomy byly koule s kladným nábojem, a že elektrony byly distribuovány v tom.

Thomsonova teorie říkala, že pokud se částice alfa srazí s atomem, tato částice projde atomem. To by bylo ovlivněno elektrickým polem atomu podle tohoto modelu.

V této době nebyly objeveny protony a neutrony. Thomson nemohl prokázat svou existenci a jeho model nebyl vědeckou obcí akceptován.

Prokázat existenci Thomsonovy teorie, Rutherford, Geiger a Marsdend experiment, ve kterém oni bombardovali alpha částečky, vyrobený s jádry hélia plyn, proti listu kovu \ t.

Pokud Thomsonův model fungoval, měly by částice projít plechem bez jakékoli odchylky.

Vývoj Rutherfordova experimentu

První prototyp

První designový prototyp experimentu, provedený v roce 1908, vysvětlil Geiger ve svém článku O disperzi částic hmotou.

Postavili skleněnou trubku asi dva metry dlouhou, na jednom konci byl rádiový zdroj a na opačném konci byla umístěna fosforeskující obrazovka. Uprostřed zkumavky byl umístěn trychtýř, aby alfa částice procházely skrz něj.

Následoval proces, který měl projít částice alfa skrz štěrbinu tak, aby vyzařovala paprsek světla na fosforeskující obrazovku.

Čerpáním veškerého vzduchu z trubky byl získaný obraz čirý a odpovídal otvoru ve středu trubky. Když bylo množství vzduchu v trubce sníženo, obraz se stal více rozptýleným.

Pak, abychom zjistili, která trajektorie částic následovala, když něco zasáhla, nebo jí projeli, jak tvrdí Thomsonova teorie, byl do slotu vložen zlatý list.

To ukázalo, že vzduch a pevné látky způsobily rozptyl částic, který se odrazil na fosforeskujícím plátně s více difuzními obrazy..

Problém s tímto prvním prototypem spočívá v tom, že ukazoval pouze výsledek rozptylu, ale ne trajektorii, kterou alfa částice následovaly..

Druhý prototyp

Geiger a Marsden publikují článek v roce 1909, ve kterém vysvětlili experiment, který demonstruje pohyb částic alfa.

V difuzním odrazu částic alfa vysvětluje se, že cílem experimentu je zjistit, zda se částice pohybují v úhlech větších než 90 stupňů.

Vytvořili druhý prototyp experimentu, kde byla vytvořena skleněná nádoba s kuželovým tvarem. Namontovali olověnou desku tak, aby se s ní alfa částice srazily a aby viděla její disperzi, byla za ní umístěna fluorescenční deska.

Problém s konfigurací tohoto zařízení spočívá v tom, že částice se vyhýbají olověné desce a odrážejí se od molekul vzduchu.

Testovali umístěním kovového plechu a na fluorescenčním stínítku viděli, že došlo k více úderům částic.

Ukázalo se, že kovy, které měly vyšší atomovou hmotnost, odrážely více částic, ale Geiger a Masden chtěli znát přesný počet částic. Ale experiment s rádiem a radioaktivními materiály nemohl být přesný.

Třetí prototyp

Článek Disperze α-částic hmotou 1910 vysvětluje třetí experiment, který Geiger navrhl. Zde se již zaměřila na měření rozptylového úhlu částic v závislosti na materiálu, ve kterém přicházejí do styku.

Tentokrát byla trubka vodotěsná a rtuť byla čerpána radonem-222 na zářivku. Pomocí mikroskopu byly spočítány záblesky, které se objevily na fluorescenčním plátně.

Byly vypočteny úhly, které následovaly po částicích, a dospěly se k závěrům, že úhly vychýlení se zvyšují s větší atomovou hmotností materiálu a že jsou také úměrné atomové hmotnosti látky..

Nejpravděpodobnější úhel vychýlení se však s rychlostí snižuje a pravděpodobnost, že se odchyluje o více než 90 °, je zanedbatelná..

S výsledky získanými v tomto prototypu, Rutherford vypočítal disperzní vzor matematicky.

Pomocí matematické rovnice bylo vypočteno, jak by měl list rozptýlit částice, za předpokladu, že atom má kladný elektrický náboj ve svém středu. Ačkoli latter byl jen zvažován hypotéza.

Vyvinutá rovnice byla takto:

Kde, s = počet částic alfa, které spadají na jednotku plochy s úhlem vychýlení Φ

  • r = vzdálenost bodu dopadu paprsků alfa na disperzní materiál
  • X = celkový počet částic dopadajících na disperzní materiál
  • n = počet atomů v jednotkovém objemu materiálu
  • t = tloušťka plechu
  • Qn = kladný náboj atomového jádra
  • Qα = kladný náboj alfa částic
  • m = hmotnost alfa částice
  • v = rychlost alfa částice

Konečný prototyp

S modelem Rutherfordových rovnic, pokus byl pokusil se demonstrovat co bylo postulované, a že atomy měly jádro s kladným nábojem.

Navržená rovnice předpokládala, že počet záblesků za minutu (y), které mají být pozorovány v daném úhlu (Φ), by měl být úměrný:

  • csc42/2
  • tloušťka plechu t
  • velikost středního zatížení Qn
  • 1 / (mv2)2

Aby se tyto čtyři hypotézy ukázaly, jsou vytvořeny čtyři experimenty, které jsou vysvětleny v článku Zákony vychýlení částic α o velké úhly roku 1913.

Testování účinku úměrného csc42/2, postavený válec na vrcholu točny, na sloupku.

Sloupec, který čerpá vzduch a mikroskop pokrytý fluorescenčním sítem, umožňuje pozorovat částice, které se odchylují až o 150 °, s nimiž byla prokázána hypotéza Rutherforda..

Pro otestování hypotézy tloušťky plechu namontujte disk se 6 otvory pokrytými plechy různé tloušťky. Bylo pozorováno, že počet záblesků byl úměrný tloušťce.

Opakovaně použili disk z předchozího experimentu k měření rozptylového vzoru, za předpokladu, že zatížení jádra bylo úměrné atomové hmotnosti, měřeno, pokud disperze byla úměrná atomové hmotnosti čtvereční..

Se získanými záblesky, děleno ekvivalentem vzduchu, a pak rozděleným druhou odmocninou atomové hmotnosti, zjistili, že proporce jsou podobné

A konečně, se stejným diskem experimentu, umístili více slídových disků, aby retardovali částice, a s přijatelným rozsahem chyb ukázali, že počet scintilací je úměrný 1 / v4, jak Rutherford předpověděl ve svém modelu.

Během experimentů dokázali, že všechny Rutherfordovy hypotézy byly splněny způsobem, který určoval Rutherfordův atomový model. V tomto modelu, nakonec publikoval v 1917, to je postuloval, že atomy mají centrální jádro s kladným nábojem.

Jestliže centrální jádro atomu je ten s kladným nábojem, zbytek atomu bude prázdný s elektrony obíhající kolem toho atomu..

S tímto modelem bylo prokázáno, že atomy mají neutrální náboj a že kladný náboj, který je v jádru, je proti stejnému počtu elektronů, které obíhají kolem..

Pokud odstraníme elektrony z atomu, pak budou ponechány s kladným nábojem. Atomy jsou stabilní, protože odstředivá síla se rovná elektrické síle, která udržuje elektrony na místě

Odkazy

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Atomový model E. Rutherforda.Výuka věd, 2008, sv. 26.
  2. BOHR, Niels. Památník Rutherford Memorial Přednáška 1958 Vzpomínky zakladatele jaderné vědy a některých vývojů založených na jeho práci.Sborník fyzikální společnosti, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, Johne. Historie a filosofie vědy skrze modely: některé výzvy v případě „atomu“.Mezinárodní žurnál vědy vzdělání, 2000, sv. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude a kol.Interakce fotonů: základní procesy a aplikace. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys a kol. Koncepční modely vysokoškolských studentů na atomové struktuře založené na experimentech Thomsona, Rutherforda a Bohr / Koncepční modely vysokoškolských studentů o atomové struktuře založené na experimentech Thomsona, Rutherforda a Bohr.Journal of Science Education, 2000, sv. 1, č. 2.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorganická chemie. Editorial Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williartová. Historický experiment: objev atomového jádra: Rutherfordův experiment.100cias UNED, 2003, č. 6, s. 107-111.