Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Fizica atomică și nucleară » Experimente faimoase: Experimentul Geiger–Marsden, pentru nucleul atomului

Experimente faimoase: Experimentul Geiger–Marsden, pentru nucleul atomului

Experimentele Geiger – Marsden (numite și experimentul foliei de aur Rutherford) au fost o serie de experimente-reper prin care oamenii de știință au descoperit că fiecare atom are un nucleu în care este concentrată toată sarcina sa pozitivă și cea mai mare parte a masei sale. Au dedus acest lucru după ce au măsurat modul în care un fascicul de particule alfa este împrăștiat atunci când lovește o folie de metal subțire. Experimentele au fost efectuate între 1908 și 1913 de Hans Geiger și Ernest Marsden sub conducerea lui Ernest Rutherford la Laboratoarele de fizică ale Universității din Manchester.

Rezumat

Teorii contemporane ale structurii atomice

Modelul de cozonac cu stafide al atomului, Thomson
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Plum_pudding_model.svg

(Modelul de cozonac cu stafide al atomului, așa cum este imaginat de Thomson. )

Teoria populară a structurii atomice la momentul experimentului lui Rutherford era „modelul de cozonac cu stafide”. Acest model a fost conceput de Lord Kelvin și dezvoltat în continuare de J. J. Thomson. Thomson a fost omul de știință care a descoperit electronul și că acesta era o componentă a fiecărui atom. Thomson a crezut că atomul este o sferă cu sarcină pozitivă în care sunt distribuiți electronii, cam ca stafidele dintr-un cozonac de Crăciun. Existența protonilor și a neutronilor era necunoscută în acest moment. Se știa că atomii erau foarte mici (Rutherford presupunea că aveau o rază de 10-8 m). Acest model s-a bazat în întregime pe fizica clasică (newtoniană); actualul model acceptat folosește mecanica cuantică.

Modelul lui Thomson nu a fost universal acceptat nici înainte de experimentele Geiger–Marsden și Rutherford. Thomson însuși nu a reușit niciodată să dezvolte un model complet și stabil al conceptului său. Omul de știință japonez Hantaro Nagaoka a respins modelul lui Thomson pe motiv că sarcinile opuse nu se pot pătrunde reciproc. El a propus în schimb ca electronii să orbiteze sarcina pozitivă ca inelele din jurul lui Saturn.

Implicațiile modelului cozonac cu stafide

O particulă alfa este o particulă de materie sub-microscopică, încărcată pozitiv. Potrivit modelului lui Thomson, dacă o particulă alfa s-ar ciocni cu un atom, ar zbura direct prin el, calea ei fiind deviată cu cel mult o fracțiune de grad. La scara atomică, conceptul de „materie solidă” nu are sens. Atomul lui Thomson este o sferă cu sarcină electrică pozitivă, ancorată în loc de masa sa. Astfel, particula alfa nu va sări de pe atom ca o bilă, ci ar putea trece chiar dacă câmpurile electrice ale atomului sunt suficient de slabe pentru a o permite. Modelul lui Thomson a prezis că câmpurile electrice dintr-un atom sunt prea slabe pentru a afecta mult o particulă alfa care trece (particulele alfa tind să se miște foarte repede). Atât sarcinile negative, cât și cele pozitive din atomul Thomson sunt răspândite pe întregul volum al atomului. Conform Legii lui Coulomb, cu cât este mai puțin concentrată o sferă de sarcină electrică, cu atât câmpul său electric la suprafață va fi mai slab.

Împrăștierea particulelor alfa pe modelul Thmoson
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Thomson_model_alpha_particle_scattering.svg 

(Împrăștierea particulelor alfa pe modelul Thmoson. )

Ca un exemplu de lucru, luați în considerare o particulă alfa care trece tangențial prin un atom de aur de tip Thomson, unde va experimenta câmpul electric cel mai puternic și astfel va experimenta devierea maximă θ. Deoarece electronii sunt foarte ușori în comparație cu particula alfa, influența lor poate fi neglijată, astfel încât atomul poate fi văzut ca o sferă grea de sarcină pozitivă.

Folosind fizica clasică, modificarea laterală a impulsului Δp a particulelor alfa poate fi aproximată folosind relația impulsului forței și expresia forței Coulomb.

Calculul este o aproximare a ceea ce se întâmplă atunci când o particulă alfa se apropie de un atom Thomson, dar este clar că deviația va fi cel mult în ordinea unei mici fracțiuni de grad.

Rezultatul experimentelor

Comparație între modelele atomice modelul lui Thomson și Rutherford
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Geiger-Marsden_experiment_expectation_and_result.svg

(Stânga: Dacă modelul lui Thomson ar fi fost corect, toate particulele alfa ar fi trebuit să treacă prin folie cu o împrăștiere minimă. Dreapta: ceea ce au observat Geiger și Marsden a fost că o mică parte din particulele alfa au experimentat o deviere puternică. )

La cererea lui Rutherford, Geiger și Marsden au efectuat o serie de experimente în care au îndreptat un fascicul de particule alfa către o folie subțire de metal și au măsurat modelul de împrăștiere utilizând un ecran fluorescent. Au observat particule alfa care săreau de pe folia de metal în toate direcțiile, unele chiar înapoi la sursă. Acest lucru ar fi trebuit să fie imposibil conform modelului lui Thomson; particulele alfa ar fi trebuit să treacă direct. Evident, acele particule întâmpinaseră o forță electrostatică mult mai mare decât modelul lui Thomson a sugerat că ar face-o. Mai mult, doar o mică parte din particulele alfa au fost deviate cu mai mult de 90°. Majoritatea au zburat direct prin folie cu o deviere neglijabilă.

Pentru a explica acest rezultat bizar, Rutherford și-a imaginat că sarcina pozitivă a atomului era concentrată într-un mic nucleu din centrul său, ceea ce însemna la rândul său că cea mai mare parte a volumului atomului era spațiu gol.

Cronologie

Ernest Rutherford a fost profesor de fizică Langsworthy la Universitatea Victoria din Manchester (acum Universitatea din Manchester). Primise deja numeroase onoruri pentru studiile sale de radiații. El descoperise existența razelor alfa, a razelor beta și a razelor gamma, și dovedise că acestea erau consecința dezintegrării atomilor. În 1906, a primit vizita unui fizician german pe nume Hans Geiger și a fost atât de impresionat încât i-a cerut lui Geiger să rămână și să-l ajute cu cercetările sale. Ernest Marsden a fost un student la fizică al lui Geiger.

Particulele alfa sunt particule minuscule, încărcate pozitiv, care sunt emise spontan de anumite substanțe, cum ar fi uraniul și radiul. Rutherford le descoperise în 1899. În 1908, încerca să măsoare cu precizie raportul sarcină-masă. Pentru a face acest lucru, el a trebuit mai întâi să știe cât de multe particule alfa degaja eșantionul său de radiu (după care le-ar măsura sarcina totală și le va împărți la număr). Particulele alfa sunt prea mici pentru a fi văzute cu microscopul, dar Rutherford știa că particulele alfa ionizează moleculele de aer și, dacă aerul se află într-un câmp electric, ionii vor produce un curent electric. Pe acest principiu, Rutherford și Geiger au proiectat un dispozitiv simplu de numărare care consta din doi electrozi într-un tub de sticlă. Fiecare particulă alfa care trece prin tub ar crea un impuls de electricitate care ar putea fi numărat. A fost o versiune timpurie a contorului Geiger.

Contorul pe care Geiger și Rutherford l-au construit s-a dovedit a fi nefiabil, deoarece particulele alfa erau deviate prea puternic de coliziunile lor cu moleculele de aer din camera de detecție. Traiectoriile extrem de variabile ale particulelor alfa au însemnat că acestea nu au generat toate același număr de ioni pe măsură ce au trecut prin gaz, producând astfel citiri neregulate. Acest lucru l-a nedumerit pe Rutherford pentru că el crezuse că particulele alfa erau prea grele pentru a fi deviate atât de puternic. Rutherford i-a cerut lui Geiger să investigheze cât de multă materie ar putea împrăștia radiația alfa.

Experimentele pe care le-au proiectat au presupus bombardarea unei folii metalice cu particule alfa pentru a observa cum le-a împrăștiat folia în raport cu grosimea și materialul lor. Au folosit un ecran fluorescent pentru a măsura traiectoria particulelor. Fiecare impact al unei particule alfa pe ecran a produs un mic fulger de lumină. Geiger a lucrat ore în șir într-un laborator întunecat, numărând aceste scintilații mici folosind un microscop. Lui Rutherford i-a lipsit rezistența pentru această muncă (era la sfârșitul anilor 30), motiv pentru care a lăsat-o pe seama colegilor săi mai tineri. Pentru folia de metal, au testat o varietate de metale, dar au preferat aurul, deoarece ar putea face folia foarte subțire, deoarece aurul este foarte maleabil. Ca sursă de particule alfa, substanța preferată de Rutherford a fost radonul, o substanță de câteva milioane de ori mai radioactivă decât uraniul.

În o lucrare din 1908 a lui Geiger, Despre împrăștierea particulelor α prin materie, el a construit un tub lung de sticlă, de aproape doi metri lungime. Acest experiment a demonstrat că atât aerul, cât și materia solidă ar putea împrăștia în mod semnificativ particule alfa. Cu toate acestea, aparatul nu a putut observa decât unghiuri mici de deviere. Rutherford a vrut să știe dacă particulele alfa erau împrăștiate cu unghiuri chiar mai mari – poate mai mari de 90°.

Într-o lucrare din 1909, Despre o reflecție difuză a particulelor α, Geiger și Marsden au descris experimentul prin care au demonstrat că particulele alfa pot fi într-adevăr împrăștiate cu mai mult de 90°.

O lucrare din 1910 a lui Geiger, Împrăștierea particulelor α prin materie, descrie un experiment prin care a încercat să măsoare modul în care cel mai probabil unghi prin care este deviată o particulă variază în funcție de materialul prin care trece, grosimea menționată. material și viteza particulelor alfa. Având în vedere rezultatele experimentelor de mai sus, Rutherford a publicat în 1911 o lucrare de referință intitulată Împrăștierea particulelor α și β prin materie și structura atomului în care a propus că atomul conține în centrul său un volum de darcină electrică foarte mic și intens (de fapt, Rutherford îl tratează ca o sarcină punctuală în calculele sale). În scopul calculelor sale matematice, el a presupus că această sarcină centrală este pozitivă, dar a recunoscut că nu poate dovedi acest lucru și a trebuit să aștepte alte experimente pentru a-și dezvolta teoria. Rutherford a dezvoltat o ecuație matematică care a modelat modul în care folia ar trebui să împrăștie particulele alfa dacă toată sarcina pozitivă și cea mai mare parte a masei atomice a fost concentrată într-un singur punct în centrul unui atom.

Într-o lucrare din 1913, Legile deflexiei particulelor α prin unghiuri mari, Geiger și Marsden descriu o serie de experimente prin care au încercat să verifice experimental ecuația de mai sus pe care Rutherford a dezvoltat-o. În cele din urmă, Geiger și Marsden au testat modul în care împrăștierea a variat cu viteza particulelor alfa. Folosind din nou același aparat, au încetinit particulele alfa prin plasarea unor folii suplimentare de mică în fața sursei de particule alfa. Au descoperit, în cadrul erorii experimentale, că numărul scintilațiilor confirma modelul Rutherford.

În lucrarea sa din 1911, Rutherford a presupus că sarcina centrală a atomului este pozitivă, dar o sarcină negativă s-ar fi potrivit la fel de bine modelului său de împrăștiere. Într-o lucrare din 1913, Rutherford a declarat că „nucleul” (așa cum îl numea el acum) era într-adevăr încărcat pozitiv, pe baza rezultatelor experimentelor care explorează împrăștierea particulelor alfa în diferite gaze.

În 1917, Rutherford și asistentul său William Kay au început să exploreze trecerea particulelor alfa prin gaze precum hidrogenul și azotul. Într-un experiment în care au tras cu un fascicul de particule alfa prin hidrogen, particulele alfa au aruncat nucleele de hidrogen înainte în direcția fasciculului, nu înapoi. Într-un experiment în care au tras cu particule alfa prin azot, el a descoperit că particulele alfa au scos nucleele de hidrogen (adică protoni) din nucleele de azot.

La fel ca majoritatea modelelor științifice, modelul atomic al lui Rutherford nu a fost nici perfect, nici complet. Conform fizicii newtoniene clasice, era de fapt imposibil. Accelerarea particulelor încărcate radiază unde electromagnetice, astfel încât un electron care orbitează un nucleu atomic în teorie ar spirala terminând în nucleu pe măsură ce pierde energie. Pentru a remedia această problemă, oamenii de știință au trebuit să încorporeze mecanica cuantică în modelul lui Rutherford.

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$29,02 Selectează opțiunile
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$28,47 Selectează opțiunile
Fizica atomică și nucleară fenomenologică
Fizica atomică și nucleară fenomenologică

Cartea abordează bazele fenomenlogice din fizica atomică, fizica nucleară, radioactivitatea, fizica particulelor, fisiunea, fuziunea și energia nucleară. Conținutul oferă o perspectivă modernă a domeniului, simultan cu o retrospectivă istorică a dezvoltării sale. Fiecare capitol pune accent pe explicațiile fizice ale … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *