EXPERIMENTUL LUI RUTHERFORD: ISTORIE, DESCRIERE ȘI CONCLUZII - ŞTIINŢĂ - 2025

Experimentul Rutherford , realizat între 1908 și 1913 a constat bomba un film subțire de aur de 0.0004 mm grosime, cu alfa particule și analiza modelul de dispersie a particulelor menționate anterior lăsate pe un ecran fluorescent.

De fapt, Rutherford a efectuat numeroase experimente, rafinând detaliile din ce în ce mai mult. După analizarea cu atenție a rezultatelor, au apărut două concluzii foarte importante:

-Carga pozitivă a atomului este concentrată într-o regiune numită nucleu.

-Acest nucleu atomic este incredibil de mic în comparație cu dimensiunea atomului.

Figura 1. Experimentul lui Rutherford. Sursa: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) a fost un fizician originar din Noua Zeelandă al cărui domeniu de interes a fost radioactivitatea și natura materiei. Radioactivitatea a fost un fenomen recent când Rutherford a început experimentele sale, acesta a fost descoperit de Henri Becquerel în 1896.

În 1907, Rutherford s-a mutat la Universitatea din Manchester, în Anglia, pentru a studia structura atomului, folosind aceste particule alfa ca sonde pentru a face o pereche în interiorul unei astfel de structuri minuscule. Fizicienii Hans Geiger și Ernest Marsden l-au însoțit la sarcină.

Ei sperau să vadă cum o particulă alfa, care este un atom de heliu dublu ionizat, ar interacționa cu un singur atom de aur, pentru a se asigura că orice abatere experimentată se datora exclusiv forței electrice.

Cu toate acestea, majoritatea particulelor alfa au trecut prin folia de aur cu o ușoară abatere.

Acest fapt era în acord complet cu modelul atomic al lui Thomson, cu toate acestea, spre surprinderea cercetătorilor, un procent mic din particulele alfa au avut o abatere destul de remarcabilă.

Și un procent și mai mic de particule ar reveni, sărind complet înapoi. La ce s-au datorat aceste rezultate neașteptate?

Descrierea și concluziile experimentului

De fapt, particulele alfa pe care Rutherford le-a folosit ca sondă sunt nuclee de heliu, iar la acel moment doar aceste particule erau cunoscute ca fiind încărcate pozitiv. Astăzi se știe că particulele alfa sunt formate din doi protoni și doi neutroni.

Particule alfa și particule beta au fost identificate de Rutherford ca fiind două tipuri diferite de radiații din uraniu. Particulele alfa, mult mai masive decât electronul, au o sarcină electrică pozitivă, în timp ce particulele beta pot fi electroni sau pozitroni.

Figura 2. Schema detaliată a experimentului Rutherford, Geiger și Marsden. Sursa: R. Knight. Fizică pentru oamenii de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.

În figura 2 este prezentată o schemă simplificată a experimentului. Fasciculul de particule alfa provine de la o sursă radioactivă. Geiger și Marsden au folosit gazul de radon ca emițător.

Blocurile de plumb au fost folosite pentru a direcționa radiația spre folia de aur și pentru a preveni ca acesta să meargă direct pe ecranul fluorescent. Plumbul este un material care absoarbe radiațiile.

Ulterior, fasciculul astfel direcționat, a fost făcut să aplice pe o folie subțire de aur și majoritatea particulelor au continuat pe drumul spre ecranul fluorescent de sulfat de zinc, unde au lăsat o mică lumină. Geiger a fost însărcinat să le numere unul câte unul, deși ulterior au proiectat un dispozitiv care a făcut-o.

Faptul că unele particule au suferit o mică deviere nu i-a surprins pe Rutherford, Geiger și Marsden. La urma urmei, există sarcini pozitive și negative asupra atomului care exercită forțe asupra particulelor alfa, dar, întrucât atomul este neutru, pe care îl știau deja, abaterile trebuiau să fie mici.

Surpriza experimentului este că câteva particule pozitive au fost respinse aproape direct înapoi.

concluzii

Aproximativ 1 din 8000 de particule alfa au avut o deviere la unghiuri mai mari de 90º. Puține, dar suficiente pentru a pune sub semnul întrebării unele lucruri.

Modelul atomic în vogă a fost cel al budinței de stafide de către Thomson, fostul profesor al lui Rutherford la laboratorul Cavendish, dar Rutherford s-a întrebat dacă ideea unui atom fără nucleu și cu electroni încorporate ca stafide, era corectă.

Deoarece se dovedește că aceste mari devieri ale particulelor alfa și faptul că câteva sunt capabile să se întoarcă, nu poate fi explicat decât dacă un atom are un nucleu mic, greu, pozitiv. Rutherford a presupus că numai forțele electrice atractive și respingătoare, așa cum indică legea Coulomb, erau responsabile pentru orice abatere.

Când unele dintre particulele alfa se apropie direct de acest nucleu și din moment ce forța electrică variază cu pătratul invers al distanței, simt o repulsie care le provoacă împrăștierea cu unghi larg sau devierea înapoi.

Cu siguranță, Geiger și Marsden au experimentat cu foi de bombardare din diferite metale, nu doar aur, deși acest metal a fost cel mai potrivit pentru maleabilitatea sa, pentru a crea foi foarte subțiri.

Obținând rezultate similare, Rutherford a fost convins că încărcătura pozitivă a atomului trebuie să fie localizată în nucleu și să nu fie dispersată pe întregul volum, așa cum a postulat Thomson în modelul său.

Pe de altă parte, din moment ce marea majoritate a particulelor alfa au trecut fără abatere, nucleul trebuia să fie foarte, foarte mic în comparație cu dimensiunea atomică. Cu toate acestea, acest nucleu a trebuit să concentreze cea mai mare parte a masei atomului.

Influențe asupra modelului atomului

Rezultatele au surprins-o foarte mult pe Rutherford, care a declarat la o conferință la Cambridge: „… este ca atunci când arunci o bulă de tun de 15 inci pe o foaie de hârtie și proiectilul sări direct către tine și te lovește”.

Deoarece aceste rezultate nu au putut fi explicate prin modelul atomic al lui Thomson, Rutherford a propus ca atomul să fie format dintr-un nucleu, foarte mic, foarte masiv și încărcat pozitiv. Electronii continuau să-i orbiteze ca un sistem solar în miniatură.

Figura 3. Modelul atomic al lui Rutherford în stânga și modelul de budincă de stafide de Thomson în dreapta. Sursa: Wikimedia Commons. Imaginea din stânga: Jcymc90

Este vorba despre modelul nuclear al atomului prezentat în figura 3 din stânga. Deoarece electronii sunt foarte, foarte mici, se dovedește că atomul este aproape totul … gol! Prin urmare, majoritatea particulelor alfa trec prin foaie greu deviată.

Iar analogia cu un sistem solar în miniatură este foarte precisă. Nucleul atomic joacă rolul Soarelui, conținând aproape toată masa plus sarcina pozitivă. Electronii orbitează în jurul lor ca planetele și poartă o încărcare negativă. Ansamblul este neutru din punct de vedere electric.

Despre distribuția electronilor în atom, experimentul lui Rutherford nu a arătat nimic. S-ar putea crede că particulele alfa ar avea o interacțiune cu ele, dar masa electronilor este prea mică și nu au fost capabili să devieze în mod semnificativ particulele.

Dezavantaje ale modelului Rutherford

O problemă cu acest model atomic a fost tocmai comportamentul electronilor.

Dacă acestea nu ar fi statice, dar orbitând nucleul atomic pe orbitele circulare sau eliptice, conduse de atracția electrică, acestea ar ajunge să se repezească spre nucleu.

Acest lucru se datorează faptului că electronii accelerați pierd energie și, dacă se întâmplă asta, ar fi prăbușirea atomului și a materiei.

Din fericire, acest lucru nu se întâmplă. Există un fel de stabilitate dinamică care împiedică prăbușirea. Următorul model atomic, după cel al lui Rutherford, a fost cel al lui Bohr, care a dat câteva răspunsuri de ce nu se produce colapsul atomic.

Protonul și neutronul

Rutherford a continuat să facă experimente de împrăștiere. Între 1917 și 1918, el și asistentul său William Kay au ales să bombardeze atomi de azot gazoși cu particule alfa extrem de energice din bismut-214.

El a fost surprins din nou, când a detectat nuclee de hidrogen. Aceasta este ecuația reacției, prima transmutare nucleară artificială realizată vreodată:

Răspunsul a fost: din același azot. Rutherford a atribuit hidrogenului numărul atomic 1, deoarece este cel mai simplu dintre toate: un nucleu pozitiv și un electron negativ.

Rutherford găsise o particulă fundamentală pe care a numit-o proton, nume derivat din cuvântul grecesc pentru prima dată. În acest fel, protonul este un element esențial al fiecărui nucleu atomic.

Mai târziu, în jurul anului 1920, Rutherford a propus să existe o particulă neutră cu o masă foarte similară cu cea a protonului. El a numit această particulă neutron și face parte din aproape toți atomii cunoscuți. Fizicianul James Chadwick a identificat-o în cele din urmă în 1932.

Cum arată un model de scară a atomului de hidrogen?

Atomul de hidrogen este, așa cum am spus, cel mai simplu dintre toate. Cu toate acestea, nu a fost ușor să dezvolți un model pentru acest atom.

Descoperirile succesive au dat naștere fizicii cuantice și a unei teorii întregi care descrie fenomenele la scară atomică. În acest proces, modelul atomic a evoluat și el. Dar să aruncăm o privire asupra mărimii:

Atomul de hidrogen are un nucleu format dintr-un proton (pozitiv) și are un singur electron (negativ).

Raza atomului de hidrogen a fost estimată la 2,1 x ^10-10 m, în timp ce cea a protonului este de 0,85 x 10 ^-15 m sau 0,85 femtometre. Numele acestei mici unități se datorează lui Enrico Fermi și este folosit foarte mult atunci când lucrează la această scară.

Ei bine, coeficientul dintre raza atomului și cel al nucleului este de ordinul a 10 ⁵ m, adică atomul este de 100.000 de ori mai mare decât nucleul!

Cu toate acestea, trebuie avut în vedere faptul că în modelul contemporan, bazat pe Mecanica cuantică, electronul învelește nucleul într-un fel de nor numit orbital (un orbital nu este o orbită), iar electronul, la scară atomică, nu este punctual.

Dacă atomul de hidrogen ar fi extins - imaginativ - la dimensiunea unui câmp de fotbal, atunci nucleul compus dintr-un proton pozitiv ar fi de dimensiunea unei furnici din centrul câmpului, în timp ce electronul negativ ar fi ca un fel de fantomă, împrăștiate pe tot câmpul și înconjurând miezul pozitiv.

Modelul atomic de astăzi

Acest model atomic „de tip planetar” este foarte înrădăcinat și este imaginea pe care majoritatea oamenilor o au despre atom, deoarece este foarte ușor de vizualizat. Cu toate acestea, nu este modelul acceptat astăzi în domeniul științific.

Modelele atomice contemporane se bazează pe mecanica cuantică. Ea subliniază că electronul din atom nu este un punct încărcat negativ, care urmărește orbite precise, așa cum a prevăzut Rutherford.

Mai degrabă, electronul este împrăștiat în zonele din jurul nucleului pozitiv, numite orbitale atomice. De la el putem cunoaște probabilitatea de a fi într-o stare sau alta.

În ciuda acestui fapt, modelul lui Rutherford a reprezentat un avans enorm în cunoașterea structurii interioare a atomului. Și a deschis calea pentru mai mulți cercetători să o perfecționeze în continuare.

Referințe

1. Andriessen, M. 2001. Curs HSC. Fizica 2. Știința Jacaranda HSC.
2. Arfken, G. 1984. Universitatea de fizică. Presă academică.
3. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
4. Fizică OpenLab. Experimentul Rutherford-Geiger-Marsden. Recuperat de la: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Preluat de la: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Experimentele lui Rutherford. Recuperat de la: xaktly.com.
8. Wikipedia. Experimentul lui Rutherford. Recuperat de la: es.wikipedia.org.