Эксперимент Резерфорда и его прототипы

Резерфордский эксперимент позволил группе ученых обнаружить, что каждый атом имеет положительно заряженное ядро.

Эрнест Резерфорд был физиком и химиком из Новой Зеландии. Он сосредоточился на изучении радиоактивных частиц и провел несколько исследований, которые позволили ему получить Нобелевскую премию по химии в 1908 году..

Под руководством Резерфорда, Ханса Гейгера и Эрнеста Марсдена они помогли создать атомную модель в лабораториях Манчестерского университета..

Одна из первых атомных теорий, которая существует, была сформулирована Томсоном, первооткрывателем электрона. Он считал, что атомы являются сферами с положительным зарядом, и что в нем распределены электроны..

Теория Томсона гласит, что если альфа-частица столкнется с атомом, эта частица пройдет через атом. Это будет зависеть от электрического поля атома в соответствии с этой моделью.

В это время протоны и нейтроны не были обнаружены. Томсон не смог доказать свое существование, и его модель не была принята научным сообществом.

Чтобы продемонстрировать существование теории Томсона, Резерфорд, Гейгер и Марсенд провели эксперимент, в котором они бомбардировали альфа-частицы, сделанные ядрами газа гелия, по металлическому листу..

Если модель Томсона работала, частицы должны проходить через металлический лист без каких-либо отклонений.

Развитие эксперимента Резерфорда

Первый прототип

Первый проектный образец эксперимента, проведенного в 1908 году, был объяснен Гейгером в статье, озаглавленной О рассеянии частиц по веществу.

Они построили стеклянную трубку длиной около двух метров, на одном конце находился радиоисточник, а на противоположном конце был установлен фосфоресцентный экран. В середине трубки была размещена своего рода воронка для прохода через нее альфа-частиц..

Последовавший процесс состоял в том, чтобы пропустить альфа-частицы через щель, чтобы она излучала луч света на фосфоресцентный экран..

При откачке всего воздуха из трубки полученное изображение было четким и соответствовало отверстию в середине трубки. Когда количество воздуха в трубе уменьшилось, изображение стало более размытым.

Затем, чтобы увидеть, по какой траектории следуют частицы, если они сталкиваются с чем-либо или проходят через него, как утверждала теория Томсона, в щель был вставлен золотой лист.

Это показало, что воздух и твердые частицы вызывали дисперсию частиц, которая отражалась в фосфоресцентном экране с более размытыми изображениями..

Проблема с этим первым прототипом состоит в том, что он показал только результат дисперсии, но не траекторию, по которой следовали альфа-частицы..

Второй прототип

Гейгер и Марсден опубликовали статью в 1909 году, в которой они объяснили эксперимент, чтобы продемонстрировать движение альфа-частиц.

В диффузном отражении альфа-частиц объясняется, что эксперимент ставит целью выяснить, что частицы движутся под углами более 90 градусов.

Они создали второй прототип для эксперимента, где был создан стеклянный контейнер конической формы. Они установили свинцовую пластину так, чтобы альфа-частицы сталкивались с ней, и чтобы увидеть ее рассеивание, флуоресцентная пластина была помещена позади.

Проблема с конфигурацией этого устройства состоит в том, что частицы избегали свинцовой пластины, отскакивая от молекул воздуха.

Они проверили, поместив лист металла и увидели на люминесцентном экране, что было больше ударов частиц.

Было показано, что металлы с более высокой атомной массой отражают больше частиц, но Гейгер и Масден хотели узнать точное количество частиц. Но эксперимент с радио и радиоактивными материалами не мог быть точным.

Третий прототип

Статья Дисперсия α-частиц по веществу 1910 г. объясняет третий эксперимент, разработанный Гейгером. Здесь было уже сосредоточено на измерении угла дисперсии частиц, в зависимости от материала, в котором они вступают в контакт.

На этот раз трубка была водонепроницаемой, и ртуть накачала радон-222 к флуоресцентному экрану. С помощью микроскопа подсчитывали вспышки, появляющиеся на флуоресцентном экране..

Были рассчитаны углы, которые следовали за частицами, и были сделаны выводы, что углы отклонения увеличиваются с увеличением атомной массы материала и что она также пропорциональна атомной массе вещества.

Однако наиболее вероятный угол отклонения уменьшается со скоростью, и вероятность его отклонения более чем на 90º незначительна.

С результатами, полученными в этом прототипе, Резерфорд математически рассчитал дисперсионную картину.

С помощью математического уравнения было рассчитано, как лист должен рассеивать частицы, предполагая, что атом имеет положительный электрический заряд в своем центре. Хотя последнее считалось только гипотезой.

Разработанное уравнение было таким:

Где s = количество альфа-частиц, попадающих на единицу площади с углом отклонения Φ

• r = расстояние от точки падения альфа-лучей до дисперсного материала
• X = общее количество частиц, попадающих на дисперсионный материал
• n = количество атомов в единице объема материала
• t = толщина листа
• Qn = положительный заряд атомного ядра
• Qα = положительный заряд альфа-частиц
• m = масса альфа-частицы
• v = скорость альфа-частицы

Конечный прототип

С моделью уравнений Резерфорда была предпринята попытка эксперимента продемонстрировать то, что постулируется, и что атомы имеют ядро ​​с положительным зарядом..

Разработанное уравнение предсказывает, что число вспышек в минуту, наблюдаемых под определенным углом (Φ), должно быть пропорционально:

• косеканс⁴Ф / 2
• толщина листа т
• величина центральной нагрузки Qn
• 1 / (мв²)²

Чтобы продемонстрировать эти четыре гипотезы, созданы четыре эксперимента, которые объясняются в статье. Законы отклонения α-частиц на большие углы 1913.

Чтобы проверить эффект, пропорциональный CSC⁴Φ / 2, встроенный цилиндр на верхней части поворотного стола, на колонне.

Колонка, накачивающая воздух, и микроскоп, покрытый флуоресцентным экраном, позволяли наблюдать частицы, отклонившиеся до 150º, с помощью которых была продемонстрирована гипотеза Резерфорда..

Чтобы проверить гипотезу о толщине листа, смонтировали диск с 6 отверстиями, покрытыми листами различной толщины. Было замечено, что количество вспышек было пропорционально толщине.

Они повторно использовали диск предыдущего эксперимента для измерения дисперсионной структуры, предполагая, что нагрузка на ядро ​​была пропорциональна атомному весу, и они измеряли, была ли дисперсия пропорциональна квадрату атомного веса..

С помощью полученных вспышек, разделенных на эквивалент воздуха, а затем на квадратный корень атомного веса, они обнаружили, что пропорции были похожи

И, наконец, с тем же диском эксперимента, они помещали больше дисков слюды для замедления частиц, и с приемлемым диапазоном ошибок, они показали, что число сцинтилляций было пропорционально 1 / v.⁴, как и предсказывал Резерфорд в своей модели.

Посредством экспериментов они доказали, что все гипотезы Резерфорда были выполнены таким образом, который определил модель атома Резерфорда. В этой модели, окончательно опубликованной в 1917 году, постулируется, что атомы имеют центральное ядро ​​с положительным зарядом..

Если центральное ядро ​​атома - это ядро ​​с положительным зарядом, остальная часть атома будет пустой с электронами, вращающимися вокруг него..

С помощью этой модели было показано, что атомы имеют нейтральный заряд и что положительный заряд, находящийся в ядре, противодействует тому же числу электронов, которые вращаются вокруг.

Если мы удалим электроны из атома, они останутся с положительным зарядом. Атомы стабильны, поскольку центробежная сила равна электрической силе, удерживая электроны на месте

ссылки

1. Куэллар Фернандес, Луиджи; ГАЛЕГО БАДИЛЛО, Ромуло; ПЕРЕЗ МИРАНДА, Ройман. Атомная модель Э. Резерфорда.Преподавание наук, 2008, вып. 26.
2. BOHR, Нильс. Мемориальная лекция Резерфорда 1958 г. Воспоминания об основателе ядерной науки и некоторых событиях, основанных на его работе.Труды физического общества, 1961.
3. Юсти, Розария; Гилберт, Джон. История и философия науки через модели: некоторые проблемы в случае «атома».Международный журнал науки образования, 2000, вып. 22.
4. КОЭН-ТАННУДЖИ, Клод и др..Атомно-фотонные взаимодействия: основные процессы и приложения. Нью-Йорк: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys, et al. Концептуальные модели студентов университетов по атомной структуре на основе экспериментов Томсона, Резерфорда и Бора / Концептуальные модели студентов университетов по атомной структуре на основе экспериментов Томсона, Резерфорда и Бора.Журнал науки образования, 2000, вып. 1, нет 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, Мария Долорес.Неорганическая химия. Редакция Прогресо, 2001.
7. Торрес, Амалия Виллиарт. Исторический эксперимент: открытие атомного ядра: эксперимент Резерфорда.100cias UNED, 2003, № 6, с. 107-111.