A Rutherford-kísérlet és annak prototípusai

az Rutherford kísérlet lehetővé tette, hogy egy tudóscsoport felfedezhesse, hogy minden atomnak pozitív töltésű magja van.

Ernest Rutherford, egy új-zélandi fizikus és kémikus volt. A radioaktív részecskék tanulmányozására összpontosított, és több vizsgálatot is végzett, amelyek lehetővé tették, hogy 1908-ban megnyerje a kémiai Nobel-díjat.

Rutherford, Hans Geiger és Ernest Marsden irányítása alatt segítettek létrehozni az atomi modellt a Manchester Egyetem laboratóriumában..

Az egyik első atomelmélet létezik, amelyet Thomson, az elektron felfedezője fogalmazott meg. Úgy vélte, hogy az atomok pozitív töltésű gömbök voltak, és az elektronok eloszlottak benne.

Thomson elmélete azt mondta, hogy ha egy alfa részecske összeütközött egy atomdal, ez a részecske áthalad az atomon. Ezt befolyásolja az atom elektromos mezője e modell szerint.

Ekkor a protonokat és a neutronokat nem fedezték fel. Thomson nem tudta bizonyítani, hogy létezik, és a tudományos közösség nem fogadta el modelljét.

Annak bizonyítására, hogy Thomson elmélete létezik, Rutherford, Geiger és Marsdend egy olyan kísérlet, amelyben héliumgázmagokkal készült alfa részecskéket bombáztak egy fémlemez ellen..

Ha a Thomson modell működött, akkor a részecskéknek a fémlemezen minden eltérés nélkül kell mennie.

A Rutherford kísérlet fejlesztése

Első prototípus

Az 1908-ban elvégzett kísérlet első tervezési prototípusát Geiger magyarázta egy jogcímcsoportban A részecskék diszperziójáról az anyag által.

Körülbelül két méter hosszú üvegcsövet építettek, egyik végén egy rádióforrás volt, és a másik végén egy foszforeszkáló képernyő került. A cső közepén egyfajta tölcsér került elhelyezésre, hogy az alfa részecskék áthaladjanak rajta.

A követendő folyamat az alfa részecskék áthaladása a résen, hogy a fénysugarat a foszforeszkáló képernyőre vetítse.

A teljes levegő szivattyúzásával a kapott kép tiszta volt és megfelel a cső közepén lévő nyílásnak. Amikor a levegő mennyisége a csőben csökkent, a kép diffúzabb lett.

Aztán, hogy lássuk, hogy melyik pálya következik be a részecskékhez, ha valamit megütnek, vagy áthaladtak, ahogy Thomson elmélete fenntartotta, egy aranylevelet helyeztek be a nyílásba.

Ez azt mutatta, hogy a levegő és a szilárd anyagok a részecskék diszpergálását okozzák, amelyek a foszforeszkáló képernyőn diffúz képekkel tükröződtek.

Ennek az első prototípusnak a problémája az, hogy csak a diszperzió eredményét mutatta, de nem az a trajektor, amelyet az alfa-részecskék követtek.

Második prototípus

Geiger és Marsden 1909-ben publikálnak egy cikket, amelyben kifejtettek egy kísérletet az alfa-részecskék mozgásának bemutatására.

Alfa részecskék diffúz tükrében elmagyarázza, hogy a kísérlet célja annak megállapítása, hogy a részecskék 90 foknál nagyobb szögben mozognak.

Egy második prototípust hoztak létre a kísérlethez, ahol egy kúpos alakú üvegtartály jött létre. Egy ólomlemezt helyeztek el, hogy az alfa-részecskék összeütközhessenek, és a diszperziójának megjelenítéséhez egy fluoreszcens lemezt helyeztek el.

A készülék konfigurációjának problémája az, hogy a részecskék elkerülik az ólomlemezt, ugrálva a levegő molekuláit.

A fémlemez elhelyezésével tesztelték, és a fluoreszcens képernyőn látta, hogy a részecskék több foltja volt.

Kimutatták, hogy a magasabb atomtömegű fémek több részecskét tükröztek, de Geiger és Masden tudni akarta a részecskék pontos számát. A rádió és a radioaktív anyagokkal való kísérlet azonban nem volt pontos.

Harmadik prototípus

A cikk Az α-részecskék diszperziója anyagonként 1910-ben magyarázza a Geiger által tervezett harmadik kísérletet. Itt már a részecskék diszperziós szögének mérésére összpontosított, attól függően, hogy milyen anyagot érint.

Ezúttal a cső vízzáró volt, és a higany szivattyúzta a radon-222-t a fluoreszcens képernyőhöz. A mikroszkóp segítségével megszámoltuk a fluoreszcens képernyőn megjelenő villanásokat.

A részecskéket követő szögeket kiszámítottuk, és arra a következtetésre jutottunk, hogy az elhajlás szögei az anyag nagyobb atomtömegével nőnek, és arányosak az anyag atomtömegével is..

Azonban a legvalószínűbb hajlítási szög a sebességgel csökken, és annak valószínűsége, hogy 90 ° -nál nagyobb eltérést mutat, elhanyagolható.

A prototípusban kapott eredmények alapján Rutherford matematikailag kiszámította a diszperziós mintát.

A matematikai egyenlet segítségével kiszámítottuk, hogy a lapnak hogyan kell diszpergálnia a részecskéket, feltételezve, hogy az atom a középpontjában pozitív elektromos töltéssel rendelkezik. Bár ez utóbbi csak hipotézisnek tekinthető.

A kifejlesztett egyenlet így volt:

Hol, s = az alfa-részecskék száma, amelyek az Φ elhajlási szöggel az egység területére esnek

• r = a diszperziós anyag alfa sugarai incidenciájának pontja
• X = a diszperziós anyagra eső részecskék teljes száma
• n = az anyag egységnyi térfogatában lévő atomok száma
• t = a lap vastagsága
• Qn = az atommag pozitív töltése
• Qα = az alfa részecskék pozitív töltése
• m = az alfa részecske tömege
• v = az alfa-részecske sebessége

Végső prototípus

A Rutherford-egyenletek modelljével kísérletet próbáltunk kimutatni, hogy mi volt a feltételezés, és hogy az atomok pozitív töltéssel rendelkeznek..

A tervezett egyenlet azt jósolta, hogy az adott szögben (Φ) megfigyelhető percenkénti villanások száma arányos:

• CSC⁴Φ / 2
• a t lemez vastagsága
• Qn központi terhelés nagysága
• 1 / (mv²)²

E négy hipotézis bemutatása érdekében négy kísérlet jön létre, amelyeket a cikk magyaráz Az α részecskék nagy szögekkel történő elhajlásának törvényei 1913-ban.

A csc-vel arányos hatás tesztelése⁴Φ / 2, egy hengeret épített egy forgótányér tetején egy oszlopon.

A levegőt szivattyúzó oszlop és a fluoreszcens képernyővel bevont mikroszkóp lehetővé tette a 150 ° -ig terjedő részecskék megfigyelését, amellyel bizonyították a Rutherford hipotézisét..

A lemez vastagságának hipotézisének teszteléséhez egy 6-lyukú, különböző vastagságú lapokkal ellátott lemezt szereltünk fel. Megfigyeltük, hogy a villogások száma arányos a vastagsággal.

A diszperziós minta mérésére az előző kísérlet lemezét újra felhasználták, feltételezve, hogy a mag terhelése arányos az atomtömeggel, akkor mértük, ha a diszperzió arányos-e az atomi tömeggel..

A kapott villogások a levegő egyenértékű részével megosztva, majd az atomtömeg négyzetgyökével megosztva megállapították, hogy az arányok hasonlóak voltak

És végül, ugyanazon a lemezen a kísérletben több csillámtárcsát helyeztek a részecskék visszatartására, és elfogadható hibahatárral megmutatták, hogy a szcintillációk száma arányos az 1 / v értékkel.⁴, ahogy Rutherford megjósolta a modelljében.

A kísérletek során bebizonyították, hogy a Rutherford összes hipotézise a Rutherford Atomic modelljét meghatározó módon teljesült. Ebben a modellben, amelyet végül 1917-ben publikáltak, feltételezzük, hogy az atomok központi magja pozitív töltéssel rendelkezik.

Ha az atom központi magja a pozitív töltésű, akkor az atom többi része üres lesz a körülötte keringő elektronokkal.

Ezzel a modellel kimutatták, hogy az atomok neutrális töltéssel rendelkeznek, és hogy a magban lévő pozitív töltés ellentétes az azonos számú elektron körül, amely körül kering.

Ha eltávolítjuk az elektronokat az atomból, akkor pozitív töltés marad. Az atomok stabilak, mivel a centrifugális erő egyenlő az elektromos erővel, az elektronokat a helyén tartva

referenciák

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. E. Rutherford atomi modellje.Tudománytanítás, 2008, vol. 26.
2. BOHR, Niels. A Rutherford-emlékmű 1958-as emléke a nukleáris tudomány alapítójának és az ő munkáján alapuló fejlesztéseknek \ t.A fizikai társaság eljárása, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. A tudomány története és filozófiája modelleken keresztül: néhány kihívás az atom esetében.International Journal of Science Education, 2000, vol. 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et al.Atom-foton kölcsönhatások: alapfolyamatok és alkalmazások. New York: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys, et al. Az egyetemi hallgatók fogalmi modelljei az atomszerkezeten, Thomson, Rutherford és Bohr kísérletei alapján / Az egyetemi hallgatók fogalmi modelljei a Thomson, Rutherford és Bohr kísérletein alapuló atomstruktúráról.Journal of Science Education, 2000, vol. 1, 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Szervetlen kémia. Editorial Progreso, 2001.
7. TORRES, Amalia Williart. Történelmi kísérlet: az atommag felfedezése: a Rutherford kísérlet.100cias UNED, 2003, 6. szám, p. 107-111.