EKSPERYMENT RUTHERFORDA: HISTORIA, OPIS I WNIOSKI - NAUKA - 2026

Eksperyment Rutherford , prowadzonych w latach 1908 i 1913 składał bombardowania cienkiej warstwy złota w .0004 mm grubości, a cząstki alfa i analizuje wzór dyspersji wspomnianych cząstek pozostałych na ekranie fluorescencyjnym.

W rzeczywistości Rutherford przeprowadził liczne eksperymenty, coraz bardziej dopracowując szczegóły. Po dokładnej analizie wyników wyłoniły się dwa bardzo ważne wnioski:

-Dodatni ładunek atomu jest skoncentrowany w obszarze zwanym jądrem.

-To jądro atomowe jest niewiarygodnie małe w porównaniu do rozmiaru atomu.

Rysunek 1. Doświadczenie Rutherforda. Źródło: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) był fizykiem urodzonym w Nowej Zelandii, którego obszarem zainteresowań była radioaktywność i natura materii. Promieniotwórczość była niedawnym zjawiskiem, kiedy Rutherford rozpoczynał swoje eksperymenty, odkrył ją Henri Becquerel w 1896 roku.

W 1907 roku Rutherford przeniósł się na Uniwersytet w Manchesterze w Anglii, aby zbadać strukturę atomu, używając tych cząstek alfa jako sond do zajrzenia do wnętrza tak małej struktury. W zadaniu towarzyszyli mu fizycy Hans Geiger i Ernest Marsden.

Mieli nadzieję zobaczyć, jak cząstka alfa, która jest podwójnie zjonizowanym atomem helu, oddziałuje z pojedynczym atomem złota, aby upewnić się, że wszelkie odchylenia, których doświadczyła, były spowodowane wyłącznie siłą elektryczną.

Jednak większość cząstek alfa przeszła przez złotą folię z niewielkim odchyleniem.

Fakt ten był całkowicie zgodny z modelem atomowym Thomsona, jednak ku zdziwieniu badaczy niewielki procent cząstek alfa doświadczył dość znaczącego odchylenia.

Jeszcze mniejszy procent cząstek powróciłby, odbijając się całkowicie z powrotem. Jakie były te nieoczekiwane rezultaty?

Opis i wnioski z eksperymentu

W rzeczywistości cząstki alfa, których Rutherford użył jako sondy, to jądra helu, a wtedy wiadomo było tylko, że te cząstki mają ładunek dodatni. Dziś wiadomo, że cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów.

Cząstki alfa i cząstki beta zostały zidentyfikowane przez Rutherforda jako dwa różne rodzaje promieniowania uranu. Cząsteczki alfa, znacznie masywniejsze niż elektron, mają dodatni ładunek elektryczny, podczas gdy cząstki beta mogą być elektronami lub pozytonami.

Rysunek 2. Szczegółowy schemat eksperymentu Rutherforda, Geigera i Marsdena. Źródło: R. Knight. Fizyka dla naukowców i inżynierów: podejście strategiczne. Osoba.

Uproszczony schemat eksperymentu przedstawiono na rysunku 2. Wiązka cząstek alfa pochodzi ze źródła radioaktywnego. Geiger i Marsden używali radonu jako emitera.

Bloki ołowiu zostały użyte do skierowania promieniowania w stronę złotej folii i zapobieżenia jego bezpośredniemu skierowaniu na ekran fluorescencyjny. Ołów to materiał pochłaniający promieniowanie.

Następnie skierowana w ten sposób wiązka uderzała w cienką złotą folię, a większość cząstek kontynuowała drogę do fluorescencyjnego ekranu z siarczanu cynku, gdzie pozostawiały niewielki ślad świetlny. Geiger był odpowiedzialny za policzenie ich jeden po drugim, chociaż później zaprojektowali urządzenie, które to zrobiło.

Fakt, że niektóre cząstki uległy niewielkiemu ugięciu, nie zaskoczył Rutherforda, Geigera i Marsdena. W końcu na atomie są ładunki dodatnie i ujemne, które wywierają siły na cząstki alfa, ale ponieważ atom jest obojętny, o czym już wiedzieli, odchylenia musiały być niewielkie.

Zaskoczeniem eksperymentu jest to, że kilka pozytywnych cząstek odbiło się prawie bezpośrednio z powrotem.

Wnioski

Około 1 na 8000 cząstek alfa uległo ugięciu pod kątem większym niż 90º. Niewiele, ale wystarczy, by zakwestionować kilka rzeczy.

Modnym modelem atomowym był budyń rodzynkowy autorstwa Thomsona, byłego profesora Rutherforda w Cavendish Laboratory, ale Rutherford zastanawiał się, czy pomysł atomu bez jądra iz elektronami osadzonymi w rodzynkach był słuszny.

Ponieważ okazuje się, że te duże ugięcia cząstek alfa i fakt, że kilka z nich jest w stanie wrócić, można wyjaśnić tylko wtedy, gdy atom ma małe, ciężkie, dodatnie jądro. Rutherford założył, że tylko elektryczne siły przyciągania i odpychania, jak wskazuje prawo Coulomba, były odpowiedzialne za wszelkie odchylenia.

Kiedy niektóre cząstki alfa zbliżają się bezpośrednio do tego jądra i ponieważ siła elektryczna zmienia się wraz z odwrotnością kwadratu odległości, odczuwają odpychanie, które powoduje ich szerokokątne rozpraszanie lub odchylenie do tyłu.

Oczywiście Geiger i Marsden eksperymentowali z bombardowaniem arkuszy różnych metali, nie tylko złota, chociaż ten metal był najbardziej odpowiedni ze względu na jego plastyczność, aby stworzyć bardzo cienkie arkusze.

Uzyskując podobne wyniki, Rutherford był przekonany, że ładunek dodatni na atomie powinien znajdować się w jądrze, a nie rozproszony w całej jego objętości, jak postulował Thomson w swoim modelu.

Z drugiej strony, ponieważ ogromna większość cząstek alfa przepłynęła bez odchyleń, jądro musiało być bardzo, bardzo małe w porównaniu do wielkości atomu. Jednak to jądro musiało skoncentrować większość masy atomu.

Wpływy na model atomu

Wyniki bardzo zaskoczyły Rutherforda, który na konferencji w Cambridge oświadczył: „… to tak, jakbyś strzelił 15-calową kulą armatnią w bibułkę, a pocisk odbijał się prosto w Ciebie i trafiał”.

Ponieważ wyników tych nie można wyjaśnić modelem atomowym Thomsona, Rutherford zaproponował, że atom składa się z jądra, bardzo małego, bardzo masywnego i naładowanego dodatnio. Elektrony pozostawały na orbitach wokół niego, jak miniaturowy układ słoneczny.

Rysunek 3. Model atomowy Rutherforda po lewej i model budyniu rodzynkowego Thomsona po prawej. Źródło: Wikimedia Commons. Obraz po lewej: Jcymc90

O to właśnie chodzi w jądrowym modelu atomu pokazanym na rysunku 3 po lewej stronie. Ponieważ elektrony są również bardzo, bardzo małe, okazuje się, że atom jest prawie wszystkim…. pusty! Dlatego większość cząstek alfa przechodzi przez arkusz z niewielkim odchyleniem.

A analogia z miniaturowym układem słonecznym jest bardzo dokładna. Jądro atomowe pełni rolę Słońca, zawierając prawie całą masę plus ładunek dodatni. Elektrony krążą wokół nich jak planety i niosą ładunek ujemny. Zespół jest elektrycznie neutralny.

Jeśli chodzi o rozmieszczenie elektronów w atomie, eksperyment Rutherforda niczego nie wykazał. Można by pomyśleć, że cząstki alfa miałyby z nimi jakąś interakcję, ale masa elektronów jest zbyt mała i nie były one w stanie znacząco odchylić cząstek.

Wady modelu Rutherforda

Jednym z problemów związanych z tym modelem atomowym było właśnie zachowanie elektronów.

Gdyby nie były one statyczne, lecz okrążały jądro atomowe na orbitach kołowych lub eliptycznych, napędzane przez przyciąganie elektryczne, w końcu pędziłyby w kierunku jądra.

Dzieje się tak, ponieważ przyspieszone elektrony tracą energię, a jeśli tak się stanie, byłoby to zapadnięciem się atomu i materii.

Na szczęście tak się nie dzieje. Istnieje rodzaj dynamicznej stabilności, która zapobiega zapadaniu się. Kolejnym modelem atomowym, po Rutherforda, był model Bohra, który dał kilka odpowiedzi na pytanie, dlaczego rozpad atomu nie występuje.

Proton i neutron

Rutherford kontynuował eksperymenty z rozpraszaniem. W latach 1917-1918 on i jego asystent William Kay postanowili bombardować gazowe atomy azotu wysokoenergetycznymi cząstkami alfa z bizmutu-214.

Znowu był zaskoczony, gdy wykrył jądra wodoru. Oto równanie reakcji, pierwszej kiedykolwiek osiągniętej sztucznej transmutacji jądrowej:

Odpowiedź brzmiała: z tego samego azotu. Rutherford przypisał wodórowi liczbę atomową 1, ponieważ jest to najprostszy pierwiastek ze wszystkich: jądro dodatnie i elektron ujemny.

Rutherford odkrył fundamentalną cząstkę, którą nazwał protonem, nazwą pochodzącą od greckiego słowa oznaczającego pierwszą. W ten sposób proton jest niezbędnym składnikiem każdego jądra atomowego.

Później, około 1920 roku, Rutherford zaproponował, że musi istnieć obojętna cząstka o masie bardzo podobnej do masy protonu. Nazwał tę cząstkę neutronem i jest częścią prawie wszystkich znanych atomów. Fizyk James Chadwick ostatecznie zidentyfikował to w 1932 roku.

Jak wygląda pomniejszony model atomu wodoru?

Jak powiedzieliśmy, atom wodoru jest najprostszy ze wszystkich. Jednak opracowanie modelu tego atomu nie było łatwe.

Kolejne odkrycia dały początek fizyce kwantowej i całej teorii opisującej zjawiska w skali atomowej. Podczas tego procesu ewoluował również model atomowy. Ale spójrzmy na kwestię rozmiarów:

Atom wodoru ma jądro zbudowane z jednego protonu (dodatniego) i pojedynczego elektronu (ujemnego).

Promień atomu wodoru została oceniona na 2,1 x 10 ^-10 m, natomiast protonu 0,85 x 10 ^-15 m i 0,85 femtometers. Nazwa tego małego urządzenia pochodzi od Enrico Fermiego i jest często używana podczas pracy w tej skali.

Więc, iloraz promienia atomu, a jądro ma długość rzędu 10 ⁵ m, o, atom 100,000 razy większa niż w jądrze!

Należy jednak pamiętać, że we współczesnym modelu, opartym na mechanice kwantowej, elektron otacza jądro swego rodzaju chmurą zwaną orbitą (orbital nie jest orbitą), a elektron w skali atomowej nie jest punktualny.

Gdyby atom wodoru został powiększony - w wyobraźni - do rozmiarów boiska piłkarskiego, to jądro złożone z dodatniego protonu byłoby wielkości mrówki w środku pola, a ujemny elektron byłby czymś w rodzaju ducha, rozproszone po całym polu i otaczające dodatni rdzeń.

Model atomowy dzisiaj

Ten model atomu „typu planetarnego” jest bardzo zakorzeniony i stanowi obraz atomu, który większość ludzi ma, ponieważ jest on bardzo łatwy do wizualizacji. Jednak nie jest to obecnie przyjęty model w nauce.

Współczesne modele atomowe oparte są na mechanice kwantowej. Wskazuje, że elektron w atomie nie jest ujemnie naładowaną kropką poruszającą się po precyzyjnych orbitach, jak przewidział Rutherford.

Raczej elektron jest rozproszony w obszarach wokół jądra dodatniego, zwanych orbitaliami atomowymi. Od niego możemy poznać prawdopodobieństwo przebywania w takim czy innym stanie.

Mimo to model Rutherforda stanowił ogromny postęp w wiedzy o wewnętrznej budowie atomu. I to utorowało drogę większej liczbie badaczy do dalszego jej udoskonalania.

Bibliografia

1. Andriessen, M. 2001. Kurs HSC. Fizyka 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Fizyka uniwersytecka. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
4. Fizyka OpenLab. Eksperyment Rutherforda-Geigera-Marsdena. Odzyskane z: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. Osoba.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Pobrane z: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Eksperymenty Rutherforda. Odzyskany z: xaktly.com.
8. Wikipedia. Eksperyment Rutherforda. Odzyskane z: es.wikipedia.org.