Το Πείραμα Rutherford και τα Πρωτότυπα του

Το Rutherford πείραμα επέτρεψε σε μια ομάδα επιστημόνων να ανακαλύψουν ότι κάθε άτομο έχει θετικά φορτισμένο πυρήνα.

Ernest Rutherford, ήταν φυσικός και χημικός της Νέας Ζηλανδίας. Επικεντρώθηκε στη μελέτη των ραδιενεργών σωματιδίων και διεξήγαγε αρκετές έρευνες που του επέτρεψαν να κερδίσει το Βραβείο Νόμπελ Χημείας το 1908.

Υπό την καθοδήγηση των Rutherford, Hans Geiger και Ernest Marsden, συνέβαλαν στη δημιουργία του ατομικού μοντέλου στα εργαστήρια του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ.

Μια από τις πρώτες ατομικές θεωρίες που υπάρχουν είναι εκείνη που διατυπώθηκε από τον Thomson, τον ανακαλύπτω του ηλεκτρονίου. Πιστεύει ότι τα άτομα ήταν σφαίρες με θετικό φορτίο και ότι τα ηλεκτρόνια ήταν κατανεμημένα σε αυτό.

Η θεωρία του Thomson είπε ότι αν ένα σωματίδιο άλφα συγκρούστηκε με ένα άτομο, αυτό το σωματίδιο θα περάσει από το άτομο. Αυτό θα επηρεαστεί από το ηλεκτρικό πεδίο του ατόμου σύμφωνα με αυτό το μοντέλο.

Αυτή τη στιγμή, τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είχαν ανακαλυφθεί. Η Thomson δεν μπόρεσε να αποδείξει την ύπαρξή του και το μοντέλο του δεν έγινε δεκτό από την επιστημονική κοινότητα.

Για να αποδειχθεί η ύπαρξη της θεωρίας Thomson, Rutherford, Geiger και Marsdendiseñaron ένα πείραμα βομβαρδίζουν σωματίδια άλφα, πυρήνες κατασκευασμένους με αέριο ήλιο, ενάντια σε ένα μεταλλικό φύλλο.

Εάν το μοντέλο Thomson λειτούργησε, τα σωματίδια πρέπει να περνούν από το μεταλλικό φύλλο χωρίς καμία απόκλιση.

Ανάπτυξη του πειράματος Rutherford

Πρώτο πρωτότυπο

Το πρώτο πρωτότυπο σχεδιασμού του πειράματος, που πραγματοποιήθηκε το 1908, εξήγησε ο Geiger σε ένα άρθρο με τίτλο Σχετικά με τη διασπορά των σωματιδίων από την ύλη.

Δημιούργησαν γυάλινο σωλήνα μήκους περίπου δύο μέτρων, στο ένα άκρο υπήρχε ραδιοφωνική πηγή, και στο αντίθετο άκρο τοποθετήθηκε μια φωσφορίζουσα οθόνη. Στη μέση του σωλήνα, τοποθετήθηκε ένα είδος χωνιού για να περάσουν τα σωματίδια άλφα μέσω αυτού.

Η διαδικασία που ακολούθησε ήταν να περάσει τα σωματίδια άλφα μέσω της σχισμής έτσι ώστε να προβάλει την ακτίνα φωτός πάνω στο φωσφορίζον στρώμα.

Με την άντληση όλου του αέρα από το σωλήνα, η εικόνα που λήφθηκε ήταν καθαρή και αντιστοιχούσε στο άνοιγμα στη μέση του σωλήνα. Όταν μειώθηκε η ποσότητα του αέρα στον σωλήνα, η εικόνα έγινε πιο διάχυτη.

Στη συνέχεια, για να δούμε ποια τροχιά ακολουθούν τα σωματίδια αν χτυπήσουν κάτι ή τα διασχίσουν, όπως διατήρησε η θεωρία του Thomson, εισήχθη ένα χρυσό φύλλο στην υποδοχή.

Αυτό έδειξε ότι ο αέρας και τα στερεά προκάλεσαν διασπορά των σωματιδίων που αντανακλάται στην φωσφορίζουσα οθόνη με πιο διάχυτες εικόνες.

Το πρόβλημα με αυτό το πρώτο πρωτότυπο είναι ότι έδειξε μόνο το αποτέλεσμα της διασποράς, αλλά όχι την τροχιά που ακολούθησαν τα σωματίδια άλφα.

Δεύτερο πρωτότυπο

Ο Geiger και ο Marsden δημοσιεύουν ένα άρθρο το 1909 στο οποίο εξήγησαν ένα πείραμα για να επιδείξουν την κίνηση των σωματιδίων άλφα.

Σε ένα διάχυτο προβληματισμό των σωματιδίων άλφα εξηγείται ότι το πείραμα στοχεύει να ανακαλύψει ότι τα σωματίδια κινούνται σε γωνίες μεγαλύτερες από 90 μοίρες.

Δημιούργησαν ένα δεύτερο πρωτότυπο για το πείραμα, όπου δημιουργήθηκε ένα γυάλινο δοχείο με κωνικό σχήμα. Τοποθετούσαν μια πλάκα μολύβδου, έτσι ώστε τα σωματίδια άλφα να συγκρούονται με αυτό και για να δουν τη διασπορά του, τοποθετήθηκε μια φθορίζουσα πλάκα πίσω.

Το πρόβλημα με τη διαμόρφωση αυτής της συσκευής είναι ότι τα σωματίδια αποφεύγουν την πλάκα μολύβδου, αναπηδώντας από τα μόρια του αέρα.

Δοκίμασαν τοποθετώντας ένα φύλλο μετάλλου και είδαν στην φθορίζουσα οθόνη ότι υπήρχαν περισσότερα χτυπήματα των σωματιδίων.

Αποδείχθηκε ότι τα μέταλλα που είχαν υψηλότερη ατομική μάζα αντανακλούσαν περισσότερα σωματίδια, αλλά ο Geiger και ο Masden ήθελαν να μάθουν τον ακριβή αριθμό σωματιδίων. Αλλά το πείραμα με ραδιόφωνο και ραδιενεργά υλικά δεν μπορούσε να είναι ακριβές.

Τρίτο πρωτότυπο

Το άρθρο Η διασπορά α-σωματιδίων από την ύλη του 1910 εξηγεί το τρίτο πείραμα που σχεδίασε ο Geiger. Εδώ ήταν ήδη εστιασμένη στη μέτρηση της γωνίας διασποράς των σωματιδίων, ανάλογα με το υλικό στο οποίο έρχονται σε επαφή.

Αυτή τη φορά, ο σωλήνας ήταν υδατοστεγής και ο υδράργυρος αντλούσε ραδόνιο-222 στην οθόνη φθορισμού. Με τη βοήθεια του μικροσκοπίου μετρήθηκαν οι αναλαμπές που εμφανίστηκαν στην οθόνη φθορισμού.

Οι γωνίες που ακολούθησαν τα σωματίδια υπολογίστηκαν και συμπεραίνουμε ότι οι γωνίες εκτροπής αυξάνουν με την μεγαλύτερη ατομική μάζα του υλικού και ότι είναι επίσης ανάλογη με την ατομική μάζα της ουσίας.

Ωστόσο, η πιο πιθανή γωνία εκτροπής μειώνεται με την ταχύτητα και η πιθανότητα να αποκλίνει περισσότερο από 90 ° είναι αμελητέα.

Με τα αποτελέσματα που προέκυψαν σε αυτό το πρωτότυπο, ο Rutherford υπολόγισε μαθηματικά το πρότυπο διασποράς.

Μέσω μιας μαθηματικής εξίσωσης υπολογίστηκε πώς το φύλλο πρέπει να διασπείρει τα σωματίδια, υποθέτοντας ότι το άτομο έχει το θετικό ηλεκτρικό φορτίο στο κέντρο του. Αν και η τελευταία θεωρήθηκε ως υπόθεση.

Η εξελικτική εξίσωση ήταν η εξής:

Όπου, s = ο αριθμός των σωματιδίων άλφα που πέφτουν στην περιοχή της μονάδας με γωνία εκτροπής Φ

• r = η απόσταση του σημείου πρόσπτωσης των α-ακτίνων στο υλικό διασποράς
• X = ο συνολικός αριθμός των σωματιδίων που πέφτουν στο υλικό διασποράς
• n = αριθμός ατόμων σε μονάδα όγκου του υλικού
• t = το πάχος του φύλλου
• Qn = το θετικό φορτίο του ατομικού πυρήνα
• Qα = το θετικό φορτίο των σωματιδίων άλφα
• m = η μάζα ενός άλφα σωματιδίου
• v = η ταχύτητα του σωματιδίου άλφα

Τελικό πρωτότυπο

Με το μοντέλο των εξισώσεων του Rutherford, επιχειρήθηκε ένα πείραμα για να αποδειχθεί αυτό που υποτίθεται ότι και τα άτομα είχαν πυρήνα με θετικό φορτίο.

Η σχεδιαζόμενη εξίσωση προέβλεψε ότι ο αριθμός των αναλαμπών ανά λεπτό που πρέπει να παρατηρούνται σε δεδομένη γωνία (Φ) θα πρέπει να είναι ανάλογος προς:

• csc⁴Φ / 2
• πάχος του φύλλου t
• μέγεθος του κεντρικού φορτίου Qn
• 1 / (mv²)²

Προκειμένου να αποδειχθούν αυτές οι τέσσερις υποθέσεις, δημιουργούνται τέσσερα πειράματα, τα οποία εξηγούνται από το άρθρο Οι νόμοι της εκτροπής των σωματιδίων α από μεγάλες γωνίες του 1913.

Για να ελέγξετε το αποτέλεσμα ανάλογα με το csc⁴Φ / 2, έχτισε έναν κύλινδρο πάνω από ένα πικάπ, σε μια στήλη.

Η στήλη που αντλούσε τον αέρα και το μικροσκόπιο που καλύφθηκε με φθορίζουσα οθόνη επέτρεψε να παρατηρηθούν τα σωματίδια που παρεκκλίνουν μέχρι 150 °, με τα οποία αποδείχθηκε η υπόθεση του Rutherford.

Για να δοκιμαστεί η υπόθεση του πάχους του φύλλου, τοποθετήθηκε ένας δίσκος με 6 οπές καλυμμένες με φύλλα ποικίλου πάχους. Παρατηρήθηκε ότι ο αριθμός των αναλαμπών ήταν ανάλογος προς το πάχος.

Μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν δίσκος παραπάνω πείραμα για να μετρηθεί το μοτίβο διασποράς, υποθέτοντας ότι το φορτίο πυρήνα ήταν ανάλογη με το ατομικό βάρος, εάν η διασπορά μετρήθηκε ήταν ανάλογη προς το τετράγωνο ατομικό βάρος.

Με τις λαμβανόμενες αναλαμπές, διαιρεμένες με το ισοδύναμο αέρα και στη συνέχεια με τη τετραγωνική ρίζα του ατομικού βάρους, διαπιστώθηκε ότι οι αναλογίες ήταν παρόμοιες

Και τέλος, με το ίδιο πείραμα δίσκο έγιναν τοποθετώντας περισσότερους δίσκους για να επιβραδύνει τα σωματίδια μαρμαρυγία, και μια σειρά από σφάλμα, έδειξαν ότι ο αριθμός των σπινθηρισμών ήταν ανάλογος με 1 / ν⁴, όπως είχε προβλέψει ο Ράδερφορντ στο μοντέλο του.

Μέσα από τα πειράματα απέδειξαν ότι όλες οι υποθέσεις του Rutherford πληρούνται με τρόπο που καθορίζει το ατομικό μοντέλο Rutherford. Σε αυτό το μοντέλο, που δημοσιεύθηκε τελικά το 1917, θεωρείται ότι τα άτομα έχουν κεντρικό πυρήνα με θετικό φορτίο.

Εάν ο κεντρικός πυρήνας του ατόμου είναι αυτός με το θετικό φορτίο, το υπόλοιπο άτομο θα είναι άδειο με τα ηλεκτρόνια γύρω από αυτό.

Με αυτό το μοντέλο αποδείχθηκε ότι τα άτομα έχουν ουδέτερο φορτίο και ότι το θετικό φορτίο που υπάρχει στον πυρήνα αντισταθμίζεται από τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων που περιστρέφονται γύρω από.

Αν αφαιρέσουμε τα ηλεκτρόνια από το άτομο, τότε θα μείνουν θετικά φορτισμένα. Τα άτομα είναι σταθερά, καθώς η φυγόκεντρη δύναμη είναι ίση με την ηλεκτρική δύναμη, διατηρώντας τα ηλεκτρόνια στη θέση τους

Αναφορές

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo. PÉREZ MIRANDA, Royman. Το ατομικό μοντέλο του E. Rutherford.Διδασκαλία των Επιστημών, 2008, νοΙ. 26.
2. BOHR, Niels. Η μνήμη του Ράδερφορντ 1958 Αναμνήσεις του ιδρυτή της πυρηνικής επιστήμης και κάποιων εξελίξεων με βάση το έργο του.Πρακτικά της Φυσικής Εταιρείας, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; ΓΙΛΜΠΕΡΤ, Τζον. Ιστορία και φιλοσοφία της επιστήμης μέσω μοντέλων: μερικές προκλήσεις στην περίπτωση του 'ατόμου'.Διεθνές περιοδικό της Επιστήμης της Επιστήμης, 2000, νοΙ. 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, et αϊ.Αλληλεπιδράσεις Atom-φωτονίων: βασικές διεργασίες και εφαρμογές. Νέα Υόρκη: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys, et αϊ. Θεωρητικά μοντέλα των φοιτητών σχετικά με την ατομική δομή με βάση τα πειράματα του Thomson, Rutherford και Bohr / θεωρητικά μοντέλα των φοιτητών ατομικής δομής με βάση acerca πειράματα του Thomson, Rutherford και Bohr.Εφημερίδα της Επιστήμης Εκπαίδευσης, 2000, νοΙ. 1, όχι 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Ανόργανη χημεία. Editorial Progreso, 2001.
7. ΤΟΡΡΕΣ, Αμαλία Ουίλιαρτ. Ιστορικό πείραμα: ανακάλυψη του ατομικού πυρήνα: το πείραμα του Rutherford.100cias UNED, 2003, αριθ. 6, σελ. 107-111.