Rutherfordin kokeilu ja sen prototyypit

Rutherfordin kokeilu ryhmä tutkijoita havaitsi, että jokaisella atomilla on positiivisesti varautunut ydin.

Ernest Rutherford, oli Uuden-Seelannin fyysikko ja kemisti. Hän keskittyi radioaktiivisten hiukkasten tutkimukseen ja teki useita tutkimuksia, joiden avulla hän voitti Nobelin kemian palkinnon vuonna 1908.

Rutherfordin, Hans Geigerin ja Ernest Marsdenin johdolla he auttoivat luomaan atomimallin Manchesterin yliopiston laboratorioissa.

Yksi ensimmäisistä olemassa olevista atomiteorioista on elektronin löytäjän Thomsonin muotoilema. Hän uskoi, että atomit olivat palloja, joilla oli positiivinen varaus, ja että elektronit jaettiin siihen.

Thomsonin teoria sanoi, että jos alfa-hiukkaset törmäsivät atomin kanssa, tämä hiukkanen kulkisi atomin läpi. Tämän vaikutuksen aiheuttaisi atomin sähkökenttä tämän mallin mukaisesti.

Tällä hetkellä protoneja ja neutroneja ei ollut löydetty. Thomson ei voinut todistaa olemassaolonsa ja tieteellinen yhteisö ei hyväksynyt hänen malliaan.

Osoittaakseen Thomsonin teorian olemassaolon Rutherford, Geiger ja Marsdend kokeilu, jossa ne pommittivat alfa-hiukkasia, jotka oli valmistettu heliumkaasun ytimistä, metallilevyä vastaan.

Jos Thomson-malli toimi, hiukkaset kulkevat metallilevyn läpi ilman poikkeamia.

Rutherford-kokeilun kehittäminen

Ensimmäinen prototyyppi

Ensimmäisen suunnitteluprototyypin kokeessa, joka tehtiin vuonna 1908, Geiger selitti artikkelissa, jonka otsikko oli Tietoja hiukkasten hajoamisesta aineen mukaan.

Ne rakensivat lasiputken, joka oli noin kaksi metriä pitkä, toisessa päässä oli radiolähde, ja vastakkaisessa päässä oli fosforoiva näyttö. Putken keskellä sijoitettiin eräänlainen suppilo alfahiukkasten kulkemiseksi sen läpi.

Seuraava prosessi oli kuljettaa alfa-hiukkaset rakon läpi niin, että se olisi suunnannut valonsäteen fosforoivaan näyttöön.

Pumppaamalla koko ilma putkesta, saatu kuva oli kirkas ja vastasi putken keskellä olevaa aukkoa. Kun ilman määrä putkessa laski, kuva muuttui hajanaisemmaksi.

Sitten nähdäksesi, millä reitillä partikkeleita seurattiin, jos he osuvat johonkin tai kulkevat sen läpi, kuten Thomsonin teoria säilytti, kulta-lehti lisättiin koloon.

Tämä osoitti, että ilma ja kiinteät aineet aiheuttivat partikkelien dispergoitumisen, joka heijastui fosforoivassa näytössä diffuusiokuvilla.

Tämän ensimmäisen prototyypin ongelmana on se, että se osoitti vain dispersion tuloksen, mutta ei trajektointia, jota alfa-partikkelit seurasivat.

Toinen prototyyppi

Geiger ja Marsden julkaisevat artikkelin vuonna 1909, jossa he selittivät kokeilun alfa-hiukkasten liikkeen osoittamiseksi.

Alfa-hiukkasten hajanaista heijastusta selitetään, että kokeilun tavoitteena on selvittää, että hiukkaset liikkuvat yli 90 asteen kulmissa.

He loivat toisen prototyypin kokeilulle, jossa luotiin kartiomainen muotoinen lasisäiliö. Ne asensivat lyijylevyn, niin että alfa-hiukkaset törmäsivät siihen ja nähdä sen dispersio, fluoresoiva levy asetettiin taakse.

Tämän laitteen konfiguraation ongelma on se, että hiukkaset välttivät lyijylevyä, heiluttivat ilmamolekyylejä.

He testasivat laittamalla metallilevyn ja saivat fluoresoivassa näytössä, että hiukkasia oli enemmän.

Osoitettiin, että metallien, joilla oli suurempi atomimassa, heijastui enemmän hiukkasia, mutta Geiger ja Masden halusivat tietää tarkan hiukkasten määrän. Radio- ja radioaktiivisten aineiden kokeilu ei kuitenkaan voinut olla tarkka.

Kolmas prototyyppi

Artikkeli A-hiukkasten dispersio aineen mukaan 1910 selittää kolmannen kokeen, jonka Geiger suunnitteli. Tässä se keskittyi jo mittaamaan hiukkasten dispersiokulmaa riippuen materiaalista, johon ne joutuvat kosketuksiin.

Tällä kertaa putki oli vesitiivis, ja elohopea pumpasi radonia-222 fluoresoivaan näyttöön. Mikroskoopin avulla laskettiin fluoresoivassa näytössä esiintyvät salamat.

Hiukkasten seurannan kulmat laskettiin ja päädyttiin siihen johtopäätökseen, että taipuman kulmat lisääntyvät materiaalin suuremman atomimassan kanssa ja että se on myös suhteessa aineen atomimassaan.

Todennäköisin taipumiskulma pienenee kuitenkin nopeudella ja todennäköisyys, että se poikkeaa yli 90º, on vähäinen.

Tässä prototyypissä saaduilla tuloksilla Rutherford laski dispersion kuvion matemaattisesti.

Matemaattisen yhtälön avulla laskettiin, kuinka levyn tulisi hajottaa hiukkaset olettaen, että atomilla on positiivinen sähkövaraus sen keskellä. Vaikka jälkimmäistä pidettiin vain hypoteesina.

Kehitetty yhtälö oli näin:

Missä, s = yksikön pinta-alalle laskevien alfa-hiukkasten lukumäärä, jolla on taipumiskulma Φ

• r = dispersiomateriaalin alfa-säteiden esiintymispisteen etäisyys
• X = dispersiomateriaaliin putoavien hiukkasten kokonaismäärä
• n = atomien lukumäärä materiaalin yksikkötilavuudessa
• t = levyn paksuus
• Qn = atomiytimen positiivinen varaus
• Qα = alfa-hiukkasten positiivinen varaus
• m = alfa-hiukkasen massa
• v = alfa-hiukkasen nopeus

Lopullinen prototyyppi

Rutherfordin yhtälöiden mallin avulla yritettiin osoittaa, mitä on oletettu, ja että atomien ytimenä oli positiivinen varaus.

Suunniteltu yhtälö ennusti, että määrätyn kulman (Φ) aikana havaittavien välähdysten lukumäärän tulee olla verrannollinen:

• csc⁴Φ / 2
• levyn t paksuus
• keskikuorman suuruus Qn
• 1 / (mv²)²

Näiden neljän hypoteesin esittelemiseksi luodaan neljä kokeilua, jotka selitetään artikkelissa Α-hiukkasten taipumissäännöt suurilla kulmilla 1913.

Testaa csc: n verrannollinen vaikutus⁴Φ / 2, rakensi sylinterin kääntöpöydän päälle kolonniin.

Ilman ja fluoresoivalla näytöllä päällystetyn mikroskoopin pumppauksen avulla pystyttiin tarkkailemaan hiukkasia, jotka poikkesivat jopa 150º: een, minkä kanssa Rutherfordin hypoteesi osoitettiin.

Levyn paksuuden hypoteesin testaamiseksi asennetaan levy, jossa on 6 reikää, joiden paksuus on vaihteleva. Havaittiin, että välähdysten määrä oli verrannollinen paksuuteen.

He käyttivät uudelleen edellisen kokeen levyä dispersiokuvion mittaamiseksi olettaen, että ytimen kuormitus oli verrannollinen atomipainoon, mitattiin, jos dispersio oli verrannollinen atomipainoon, joka oli neliö.

Saatujen välähdysten jaettuna ilmaa vastaavalla osuudella ja jaettuna atomipainon neliöjuurella he havaitsivat, että mittasuhteet olivat samanlaisia

Ja lopuksi, samalla kokeilukiekolla, ne sijoittivat enemmän kiille levyjä hiukkasten hidastamiseksi, ja hyväksyttävällä virhealueella ne osoittivat, että tuikelukujen lukumäärä oli verrannollinen 1 / v: aan⁴, kuten Rutherford oli ennustanut mallissaan.

Kokeiden avulla he osoittautuivat, että kaikki Rutherfordin hypoteesit täytettiin tavalla, joka määritteli Rutherfordin atomimallin. Tässä mallissa, joka julkaistiin lopulta vuonna 1917, oletetaan, että atomeilla on keskeinen ydin ja positiivinen varaus.

Jos atomin keskeinen ydin on positiivisen varauksen omaava ydin, loppuosa atomista on tyhjä sen ympärillä kiertävien elektronien kanssa.

Tämän mallin avulla osoitettiin, että atomeilla on neutraali lataus ja että ytimessä oleva positiivinen varaus estetään samalla lukumäärällä elektroneja, jotka kiertävät.

Jos poistamme elektronit atomista, heille jätetään sitten positiivinen varaus. Atomit ovat stabiileja, koska keskipakovoima on yhtä suuri kuin sähkövoima, pitäen elektronit paikallaan

viittaukset

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. E. Rutherfordin atomimalli.Tieteen opetus, 2008, voi. 26.
2. BOHR, Niels. Rutherfordin muistomerkin luento 1958 Ydintutkimuksen perustajan muistoja ja joitakin hänen työhön perustuvia tapahtumia.Fyysisen seuran menettelyt, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Tieteen historia ja filosofia mallien kautta: joitakin haasteita atomin tapauksessa.International Journal of Science Education, 2000, voi. 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et ai.Atomifonivuorovaikutukset: perusprosessit ja sovellukset. New York: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys, et ai. Yliopisto-opiskelijoiden käsitteelliset mallit, jotka perustuvat Thomsonin, Rutherfordin ja Bohrin kokeisiin, Thomsonin, Rutherfordin ja Bohrin kokeisiin perustuvista yliopiston opiskelijoiden käsitteellisistä malleista.Journal of Science Education, 2000, voi. 1, nro 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Epäorgaaninen kemia. Toimituksellinen Progreso, 2001.
7. TORRES, Amalia Williart. Historiallinen kokeilu: atomiydin löytäminen: Rutherford-kokeilu.100cias UNED, 2003, nro 6, p. 107-111.