Rutherfordi eksperiment ja selle prototüübid



The Rutherfordi eksperiment võimaldas grupil teadlasi avastada, et igal aatomil on positiivselt laetud tuum.

Ernest Rutherford oli Uus-Meremaa füüsik ja keemik. Ta keskendus radioaktiivsete osakeste uurimisele ja viis läbi mitmeid uuringuid, mis võimaldasid tal Nobeli keemia auhinna 1908. aastal võita.

Rutherfordi, Hans Geigeri ja Ernest Marsdeni juhtimisel aitasid nad kaasa tuua aatomi mudeli Manchesteri ülikooli laborites..

Üks esimesi olemasolevaid aatomiteooriaid on see, mis on välja töötatud elektroni avastaja Thomsoni poolt. Ta uskus, et aatomid olid positiivse laenguga sfäärid ja et elektronid jagati selles.

Thomsoni teooria ütles, et kui a-osakese kokkupõrge aatomiga, läbib see osakest aatomi. Seda mõjutab aatomi elektrivälja vastavalt sellele mudelile.

Sel ajal ei olnud prootoneid ja neutroneid avastatud. Thomson ei suutnud oma olemasolu tõestada ja teadlaskond ei võtnud tema mudelit vastu.

Et näidata Thomsoni teooria olemasolu, Rutherford, Geiger ja Marsdend eksperiment, milles nad pommitasid heeliumgaaside tuumaga valmistatud alfa-osakesi metalllehe vastu.

Kui Thomsoni mudel toimib, peaksid osakesed läbima metallist plaadi ilma kõrvalekaldeta.

Rutherfordi eksperimendi arendamine

Esimene prototüüp

1904. aastal läbi viidud katse esimest disainiprototüüpi selgitas Geiger oma artiklis Osakeste osakeste hajutamise kohta.

Nad ehitasid umbes kahe meetri pikkuse klaastoru, ühes otsas oli raadioallikas ja teisel pool asetati fosforestseeruv ekraan. Toru keskel paigutati alfa-osakesed selle kaudu läbi lehtri.

Järgnenud protsess oli alfa-osakeste läbimine pilu kaudu nii, et see suunaks valguskiire fosforestseeruvale ekraanile.

Pumbates kogu õhu torust, oli saadud pilt selge ja vastab toru keskosas olevale avale. Kui õhu kogus torus langetati, muutus pilt hajutatumaks.

Siis, et näha, milliseid trajektoore osakesed järgnesid, kui nad midagi tabavad või läbisid selle, nagu Thomsoni teooria säilitas, sisestati pesasse kulla leht.

See näitas, et õhk ja tahked ained põhjustasid osakeste dispersiooni, mis peegeldub fosforestseeruvas ekraanis hajutatud piltidega.

Selle esimese prototüübi probleemiks on see, et see näitas ainult dispersiooni tulemust, kuid mitte trajektoori, mida alfa-osakesi järgis.

Teine prototüüp

Geiger ja Marsden avaldavad 1909. aastal artikli, milles nad selgitasid eksperimenti, et näidata alfa-osakeste liikumist.

Alfaosakeste hajutatud peegelduses selgitatakse, et katse eesmärk on välja selgitada, et osakesed liiguvad rohkem kui 90 kraadi nurkades.

Nad lõid katse jaoks teise prototüübi, kus loodi koonilise kujuga klaasanum. Nad paigaldasid pliiplaadi, nii et alfa-osakesed sellega kokku põrkasid ja selle dispersiooni nägemiseks paigutati taga fluorestsentsplaat.

Selle seadme konfiguratsiooni probleemiks on see, et osakesed väldivad pliiplaati, põrkasid õhumolekulidest välja.

Nad testisid metalllehe asetamisega ja nägid fluorestseeruval ekraanil, et osakeste puhusid on rohkem.

Näidati, et kõrgema aatomimassiga metallid peegeldasid rohkem osakesi, kuid Geiger ja Masden tahtsid teada osakeste täpset arvu. Kuid raadio ja radioaktiivsete materjalide katsetamine ei olnud täpne.

Kolmas prototüüp

Artikkel Α-osakeste dispergeerimine ainega 1910. aastal selgitab kolmas eksperiment, mille Geiger kavandas. Siin keskenduti juba osakeste dispersiooni nurga mõõtmisele, sõltuvalt materjalist, milles nad kokku puutuvad.

Seekord oli toru veekindel ja elavhõbe pumbas radoon-222 fluorestsentsekraanile. Mikroskoobi abil loendati fluorestsentsekraanil ilmunud vilkumised.

Osakeste jälgimisnurgad arvutati ja jõuti järeldusele, et läbipainde nurgad suurenevad materjali suurema aatomimassiga ja et see on samuti proportsionaalne aine aatomimassiga..

Siiski väheneb kõige tõenäolisem läbipaindenurk kiirusega ja tõenäosus, et see erineb rohkem kui 90º, on tühine.

Selle prototüübi tulemuste põhjal arvutas Rutherford dispersiooni mustri matemaatiliselt.

Matemaatilise võrrandi abil arvutati, kuidas leht peaks osakesi hajutama, eeldades, et aatomil on selle keskel positiivne elektrilaeng. Kuigi viimast peeti ainult hüpoteesiks.

Arenenud võrrand oli selline:

Kus, s = ühikualale langeva alfa-osakeste arv, millel on läbipaindenurk Φ

  • r = dispersioonimaterjalil olevate alfa-kiirte esinemissageduse kaugus
  • X = dispersioonimaterjalile langevate osakeste koguarv
  • n = aatomite arv materjaliühiku mahus
  • t = lehe paksus
  • Qn = aatomituuma positiivne laeng
  • Qα = alfa-osakeste positiivne laeng
  • m = alfa-osakese mass
  • v = alfa-osakese kiirus

Lõplik prototüüp

Rutherfordi võrrandite mudeliga püüti näidata, mida postuleeriti, ja et aatomitel oli positiivse laenguga tuum.

Kavandatav võrrand ennustas, et antud nurga (Φ) juures jälgitavate vilkumiste arv minutis peaks olema proportsionaalne:

  • csc4Φ / 2
  • lehe t paksus
  • keskkoormuse suurus Qn
  • 1 / (mv2)2

Nende nelja hüpoteesi demonstreerimiseks luuakse neli eksperimenti, mida artikkel selgitab Α osakeste läbipaine seadused suurte nurkadega 1913.

Csc-ga proportsionaalse mõju testimiseks4Φ / 2, ehitas kolonnile silindri plaadi peale.

Kolonn, mis pumbas õhku ja fluorestsentsekraaniga kaetud mikroskoop, võimaldas jälgida osakesi, mis olid kõrvalekaldunud kuni 150º-ni, millega näidati Rutherfordi hüpoteesi..

Lehe paksuse hüpoteesi testimiseks paigaldati 6 erineva paksusega lehtedega ketas, mis on kaetud erineva paksusega lehtedega. Täheldati, et vilkumiste arv oli proportsionaalne paksusega.

Nad kasutasid dispersioonimustri mõõtmiseks eelmise eksperimendi plaati, eeldades, et tuuma koormus on võrdeline aatommassiga, mõõdeti, kas dispersioon oli proportsionaalne aatommassiga..

Saadud vilgub, jagatuna õhu ekvivalendiga ja jagades seejärel aatomkaalu ruutjuure, leidsid nad, et proportsioonid olid sarnased

Ja lõpuks, sama eksperimendi ketta abil paigutasid nad osakeste pidurdamiseks rohkem vilgukettaid ja vastuvõetava vea vahemikuga näitasid nad, et stsintillatsioonide arv oli proportsionaalne 1 / v4, nagu Rutherford oma mudelis ennustas.

Katsete kaudu tõestasid nad, et kõik Rutherfordi hüpoteesid on täidetud viisil, mis määras kindlaks Rutherfordi aatomimudeli. Selles mudelis, mis avaldati lõpuks 1917. aastal, on oletatud, et aatomitel on keskne tuum positiivse laenguga.

Kui aatomi tuum on positiivse laenguga tuum, siis ülejäänud aatom on tühi selle ümber ringlevate elektronidega.

Selle mudeliga näidati, et aatomitel on neutraalne laeng ja et tuumas sisalduv positiivne laeng on vastuolus sama arvu elektronide arvuga, mis orbiidil ümber.

Kui eemaldame aatomist elektronid, jäetakse need positiivse laenguga. Aatomid on stabiilsed, kuna tsentrifugaaljõud on võrdne elektrilise jõuga, hoides elektronid paigal

Viited

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. E. Rutherfordi aatomi mudel.Teaduste õpetamine, 2008, vol. 26.
  2. BOHR, Niels. Rutherfordi mälestusloeng 1958 Tuumauuringute asutaja mälestused ja mõned tema tööl põhinevad arengud.Füüsilise Seltsi menetlus, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Teaduse ajalugu ja filosoofia mudelite kaudu: mõned aatomi väljakutsed.International Journal of Science Education, 2000, vol. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et al.Aatomifotoni interaktsioonid: põhiprotsessid ja rakendused. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Thomsoni, Rutherfordi ja Bohri katsetel põhinevad aatomistruktuuri üliõpilaste kontseptuaalsed mudelid / Thomsoni, Rutherfordi ja Bohri katsetel põhinevad ülikooli üliõpilaste kontseptuaalsed mudelid.Journal of Science Education, 2000, vol. 1, nr 2.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorgaaniline keemia. Editorial Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williart. Ajalooline eksperiment: aatomituuma avastamine: Rutherfordi katse.100cias UNED, 2003, nr 6, lk. 107-111.