Експериментът на Ръдърфорд и неговите прототипи



на Експеримент на Ръдърфорд позволи на група учени да открият, че всеки атом има положително заредено ядро.

Ърнест Ръдърфорд е физик и химик в Нова Зеландия. Той се фокусира върху изучаването на радиоактивни частици и провежда няколко изследвания, които му позволяват да спечели Нобелова награда за химия през 1908 г..

Под ръководството на Ръдърфорд, Ханс Гайгер и Ърнест Марсдън, те помогнаха за създаването на атомния модел в лабораториите на Университета в Манчестър..

Една от първите атомни теории, която съществува, е формулирана от Томсън, откривателя на електрона. Той вярва, че атомите са сфери с положителен заряд и че електроните са разпределени в него.

Теорията на Томсън казва, че ако една алфа частица се сблъска с атом, тази частица ще премине през атома. Това ще бъде повлияно от електрическото поле на атома според този модел.

По това време протоните и неутроните не са били открити. Томсън не можеше да докаже съществуването си и неговият модел не беше приет от научната общност.

За да докаже съществуването на теорията на Томсън, Ръдърфорд, Гайгер и Марсденд експериментират, при които бомбардират алфа частици, направени с хелиеви газови ядра, срещу лист метал..

Ако моделът на Томсън работи, частиците трябва да преминават през металния лист без никакво отклонение.

Развитие на експеримента на Ръдърфорд

Първи прототип

Първият прототип на експеримента, извършен през 1908 г., е обяснен от Гайгер в статия, озаглавена За дисперсията на частиците по материя.

Те построили стъклена тръба с дължина около два метра, в единия край имало радиоизточник, а в противоположния край бе поставен фосфоресциращ екран. В средата на тръбата се поставя някаква фуния за преминаване на алфа частиците през нея.

Следващият процес е да се преминат алфа частиците през процепа, така че да прожектира светлинния лъч върху фосфоресциращия екран.

Чрез изпомпване на целия въздух от тръбата полученото изображение беше ясно и съответстваше на отвора в средата на тръбата. Когато количеството въздух в тръбата се понижи, изображението става по-дифузно.

След това, за да видим коя траектория следваха частиците, ако те ударят нещо или го прекосиха, както поддържа теорията на Томсън, в слота беше вмъкнат златен лист..

Това показва, че въздухът и твърдите вещества причиняват дисперсия на частиците, които се отразяват в фосфоресциращия екран с по-дифузни изображения..

Проблемът с този първи прототип е, че той само показва резултата от дисперсията, но не и траекторията, която следва алфа частиците..

Втори прототип

Гайгер и Марсден публикуват статия през 1909 г., в която обясняват експеримент, за да покажат движението на алфа частици.

В дифузно отражение на алфа частици обяснено е, че експериментът има за цел да установи, че частиците се движат под ъгъл над 90 градуса.

Те създадоха втори прототип за експеримента, където беше създаден стъклен контейнер с конична форма. Те монтираха оловна плоча, така че алфа частиците се сблъскаха с нея и за да видят нейната дисперсия, флуоресцентна плоча беше поставена отзад.

Проблемът с конфигурацията на това устройство е, че частиците избягват оловната плоча, отскачайки от молекулите на въздуха.

Те тестваха, като поставиха лист метал и видяха на флуоресцентния екран, че има повече удари на частиците.

Беше показано, че металите с по-висока атомна маса отразяват повече частици, но Гайгер и Масден искат да знаят точния брой на частиците. Но експериментът с радиото и радиоактивните материали не може да бъде точен.

Трети прототип

Статията Дисперсията на α-частици по материя от 1910 обяснява третия експеримент, който Гейгер е проектирал. Тук той вече е фокусиран върху измерването на ъгъла на дисперсия на частиците в зависимост от материала, в който те влизат в контакт.

Този път тръбата беше водонепроницаема и живакът изпомпва радон-222 към флуоресцентния екран. С помощта на микроскопа бяха преброени вълните, появили се на флуоресцентния екран.

Изчислени са ъглите, които следват частиците и са направени заключения, че ъглите на отклонение се увеличават с по-голямата атомна маса на материала и че е пропорционална на атомната маса на веществото..

Въпреки това, най-вероятният ъгъл на отклонение намалява със скоростта и вероятността да се отклонява повече от 90 ° е незначително.

С резултатите, получени в този прототип, Ръдърфорд изчисли модела на дисперсията математически.

Чрез математическо уравнение беше изчислено как листът трябва да разпръсне частиците, като се приеме, че атомът има положителен електрически заряд в центъра си. Въпреки че последното се разглежда само като хипотеза.

Разработеното уравнение беше такова:

Където, s = броят на алфа частиците, които попадат на единичната площ с ъгъл на отклонение

  • r = разстоянието между точката на падане на алфа лъчите върху дисперсионния материал
  • X = общият брой на частиците, попадащи върху дисперсионния материал
  • n = броят на атомите в единица обем на материала
  • t = дебелината на листа
  • Qn = положителният заряд на атомното ядро
  • Qα = положителният заряд на алфа частиците
  • m = масата на алфа-частицата
  • v = скоростта на алфа-частицата

Окончателен прототип

С модела на уравненията на Ръдърфорд се опитва да се демонстрира експеримент, за да се покаже какво е било постулирано и че атомите имат ядро ​​с положителен заряд..

Проектираното уравнение предвижда, че броят на миганията в минута (и), който трябва да се наблюдава при даден ъгъл (), трябва да бъде пропорционален на:

  • CSC42/2
  • дебелина на листа t
  • амплитуда на централния товар Qn
  • 1 / (mv2)2

За да се демонстрират тези четири хипотези, се създават четири експеримента, които са обяснени в статията Законите на отклонението на α частиците при големи ъгли от 1913.

За да тествате ефекта пропорционално на csc42/2, построен цилиндър на върха на грамофона, на колона.

Колоната, която изпомпва въздуха и микроскопа, покрит с флуоресцентен екран, позволява да се наблюдават частиците, които се отклоняват до 150º, с които се демонстрира хипотезата на Ръдърфорд..

За да се тества хипотезата за дебелината на листа, се монтира диск с 6 дупки, покрити с листове с различна дебелина. Наблюдава се, че броят на светкавиците е пропорционален на дебелината.

Те използват повторно диска от предишния експеримент, за да измерят модела на дисперсията, като приемат, че натоварването на ядрото е пропорционално на атомното тегло, те се измерват, ако дисперсията е пропорционална на атомното тегло на квадрат.

С получените светкавици, разделени на еквивалента на въздуха, и след това разделени на корен квадратен от атомното тегло, те установиха, че пропорциите са сходни

И накрая, с един и същ диск на експеримента, те поставяха повече слюдени дискове, за да забавят частиците, и с приемлив диапазон на грешки те показаха, че броят на сцинтилациите е пропорционален на 1 / v4, както предричаше Ръдърфорд в своя модел.

Чрез експериментите те доказаха, че всички хипотези на Ръдърфорд са изпълнени по начин, който определя атомерния модел на Ръдърфорд. В този модел, публикуван най-накрая през 1917 г., се предполага, че атомите имат централно ядро ​​с положителен заряд.

Ако централното ядро ​​на атома е това с положителния заряд, останалата част от атома ще бъде празна с електрони, обикалящи около нея.

С този модел е показано, че атомите имат неутрален заряд и че положителният заряд, който е в ядрото, се противодейства от същия брой електрони, които обикалят около него..

Ако премахнем електроните от атома, те ще бъдат оставени с положителен заряд. Атомите са стабилни, тъй като центробежната сила е равна на електрическата сила, запазвайки електроните на място

препратки

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Луиджи; GALLEGO BADILLO, Romulo; ПЕРЕЗ МИРАНДА, Ройман. Атомният модел на Е. Ръдърфорд.Преподаване на науките, 2008, vol. 26.
  2. BOHR, Niels. Лекция на Мемориала на Ръдърфорд 1958 Реминисценции на основателя на ядрената наука и на някои развития, основаващи се на неговата работа.Известия на физическото общество, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; Гилбърт, Джон. История и философия на науката чрез модели: някои предизвикателства в случай на "атом".Международно списание за научно образование, 2000, vol. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et al.Атом-фотонни взаимодействия: основни процеси и приложения. Ню Йорк: Уайли, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Концептуални модели на студентите по атомната структура на базата на експериментите на Томсън, Ръдърфорд и Бор / Концептуални модели на студентите по атомна структура, базирани на експерименти на Томсън, Ръдърфорд и Бор.Вестник на научното образование, 2000, vol. 1, № 2.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, Мария Долорес.Неорганична химия. Редакция Прогресо, 2001.
  7. Торес, Амалия Вилиарт. Исторически експеримент: откриване на атомното ядро: експериментът на Ръдърфорд.100cas UNED, 2003, No 6, p. 107-111.