Thí nghiệm Rutherford và các nguyên mẫu của nó



các Thí nghiệm rutherford cho phép một nhóm các nhà khoa học khám phá ra rằng mỗi nguyên tử có một hạt nhân tích điện dương.

Ernest Rutherford, là một nhà vật lý và hóa học người New Zealand. Ông tập trung vào nghiên cứu các hạt phóng xạ và thực hiện một số cuộc điều tra cho phép ông giành giải thưởng Nobel về hóa học năm 1908.

Dưới sự chỉ đạo của Rutherford, Hans Geiger và Ernest Marsden, họ đã giúp tạo ra mô hình nguyên tử, trong các phòng thí nghiệm của Đại học Manchester.

Một trong những lý thuyết nguyên tử đầu tiên tồn tại là do Thomson, người phát hiện ra electron. Ông tin rằng các nguyên tử là những quả cầu có điện tích dương và các electron được phân phối trong đó.

Lý thuyết của Thomson nói rằng nếu một hạt alpha va chạm với một nguyên tử, hạt này sẽ đi qua nguyên tử. Điều này sẽ bị ảnh hưởng bởi điện trường của nguyên tử theo mô hình này.

Tại thời điểm này, proton và neutron chưa được phát hiện. Thomson không thể chứng minh sự tồn tại của mình và mô hình của ông không được cộng đồng khoa học chấp nhận.

Để chứng minh sự tồn tại của lý thuyết của Thomson, Rutherford, Geiger và Marsdend một thí nghiệm trong đó họ bắn phá các hạt alpha, được chế tạo bằng hạt nhân khí heli, chống lại một tấm kim loại.

Nếu mô hình Thomson hoạt động, các hạt sẽ đi qua tấm kim loại mà không có bất kỳ sai lệch nào.

Phát triển thí nghiệm Rutherford

Nguyên mẫu đầu tiên

Nguyên mẫu thiết kế đầu tiên của thí nghiệm, được thực hiện vào năm 1908, đã được Geiger giải thích trong một bài báo có tên Về sự phân tán của các hạt bằng vật chất.

Họ chế tạo một ống thủy tinh dài khoảng hai mét, ở một đầu có nguồn phát thanh và ở đầu đối diện, một màn hình lân quang được đặt. Ở giữa ống, một loại phễu được đặt cho các hạt alpha đi qua nó.

Quá trình tiếp theo là truyền các hạt alpha qua khe để nó chiếu chùm ánh sáng lên màn hình lân quang.

Bằng cách bơm tất cả không khí từ ống, hình ảnh thu được rõ ràng và tương ứng với lỗ ở giữa ống. Khi lượng không khí trong ống được hạ xuống, hình ảnh trở nên khuếch tán hơn.

Sau đó, để xem quỹ đạo nào các hạt theo sau nếu chúng va vào vật gì đó hoặc đi qua nó, như lý thuyết của Thomson vẫn duy trì, một chiếc lá vàng được đưa vào khe.

Điều này cho thấy không khí và chất rắn gây ra sự phân tán của các hạt được phản chiếu trong màn hình lân quang với hình ảnh khuếch tán hơn.

Vấn đề với nguyên mẫu đầu tiên này là nó chỉ cho thấy kết quả của sự phân tán, nhưng không phải là quỹ đạo mà các hạt alpha theo sau.

Nguyên mẫu thứ hai

Geiger và Marsden xuất bản một bài báo vào năm 1909, trong đó họ đã giải thích một thí nghiệm để chứng minh sự chuyển động của các hạt alpha.

Trong một phản xạ khuếch tán của các hạt Alpha người ta giải thích rằng thí nghiệm nhằm mục đích tìm ra rằng các hạt chuyển động ở các góc hơn 90 độ.

Họ đã tạo ra một nguyên mẫu thứ hai cho thí nghiệm, trong đó một vật chứa thủy tinh có hình nón được tạo ra. Họ gắn một tấm chì, để các hạt alpha va chạm với nó và để thấy sự phân tán của nó, một tấm huỳnh quang được đặt phía sau.

Vấn đề với cấu hình của thiết bị này là các hạt tránh tấm chì, bật ra khỏi các phân tử không khí.

Họ đã kiểm tra bằng cách đặt một tấm kim loại và nhìn thấy trên màn hình huỳnh quang rằng có nhiều hạt thổi hơn.

Nó đã chỉ ra rằng các kim loại có khối lượng nguyên tử cao hơn phản ánh nhiều hạt hơn, nhưng Geiger và Masden muốn biết chính xác số lượng hạt. Nhưng thí nghiệm có radio và vật liệu phóng xạ, không thể chính xác.

Nguyên mẫu thứ ba

Bài báo Sự phân tán của các hạt α bằng vật chất năm 1910 giải thích thí nghiệm thứ ba mà Geiger thiết kế. Ở đây người ta đã tập trung vào việc đo góc phân tán của các hạt, tùy thuộc vào vật liệu mà chúng tiếp xúc.

Lần này, ống đã kín nước và thủy ngân đã bơm radon-222 lên màn hình huỳnh quang. Với sự trợ giúp của kính hiển vi, các đèn flash xuất hiện trên màn hình huỳnh quang đã được đếm.

Các góc theo sau các hạt đã được tính toán và kết luận đã đạt được rằng các góc lệch tăng với khối lượng nguyên tử lớn hơn của vật liệu, và nó cũng tỷ lệ với khối lượng nguyên tử của chất.

Tuy nhiên, góc lệch nhất có thể xảy ra giảm theo tốc độ và xác suất nó lệch hơn 90 độ là không đáng kể.

Với kết quả thu được trong nguyên mẫu này, Rutherford đã tính toán mô hình phân tán theo toán học.

Thông qua một phương trình toán học, người ta đã tính toán làm thế nào để tấm phân tán các hạt, giả sử rằng nguyên tử có điện tích dương ở tâm của nó. Mặc dù sau này chỉ được coi là một giả thuyết.

Phương trình phát triển là như thế này:

Trong đó, s = số hạt alpha rơi trên vùng đơn vị có góc lệch

  • r = khoảng cách điểm tới của tia alpha trên vật liệu tán sắc
  • X = tổng số hạt rơi vào vật liệu phân tán
  • n = số lượng nguyên tử trong một đơn vị thể tích của vật liệu
  • t = độ dày của tấm
  • Qn = điện tích dương của hạt nhân nguyên tử
  • Qα = điện tích dương của các hạt alpha
  • m = khối lượng của hạt alpha
  • v = tốc độ của hạt alpha

Nguyên mẫu cuối cùng

Với mô hình của phương trình của Rutherford, một thí nghiệm đã cố gắng chứng minh điều gì đang được đặt ra và rằng các nguyên tử có hạt nhân mang điện tích dương.

Phương trình thiết kế dự đoán rằng số lần nhấp nháy mỗi phút được quan sát ở một góc () nhất định phải tỷ lệ với:

  • csc4Φ / 2
  • độ dày của tấm t
  • cường độ của tải trọng trung tâm Qn
  • 1 / (mv2)2

Để chứng minh bốn giả thuyết này, bốn thí nghiệm được tạo ra, được giải thích bởi bài báo Định luật về độ võng của các hạt α theo góc lớn năm 1913.

Để kiểm tra hiệu ứng tỷ lệ với csc4Φ / 2, xây dựng một hình trụ trên đỉnh bàn xoay, trên một cột.

Cột bơm không khí và kính hiển vi được phủ bằng màn hình huỳnh quang cho phép quan sát các hạt bị lệch tới 150 độ, theo đó giả thuyết của Rutherford đã được chứng minh.

Để kiểm tra giả thuyết về độ dày của tấm, gắn một đĩa có 6 lỗ được phủ bằng các tấm có độ dày khác nhau. Nó đã được quan sát thấy rằng số lượng đèn flash tỷ lệ thuận với độ dày.

Họ đã sử dụng lại đĩa của thí nghiệm trước để đo mô hình phân tán, giả sử rằng tải của hạt nhân tỷ lệ với trọng lượng nguyên tử, họ đã đo nếu độ phân tán tỷ lệ với trọng lượng nguyên tử bình phương.

Với các chớp sáng thu được, chia cho tương đương với không khí, và sau đó chia cho căn bậc hai của trọng lượng nguyên tử, họ thấy rằng tỷ lệ này tương tự nhau

Và cuối cùng, với cùng một đĩa của thí nghiệm, họ đã đặt nhiều đĩa mica hơn để làm chậm các hạt và với phạm vi lỗi chấp nhận được, họ đã chỉ ra rằng số lần phân tán tỷ lệ thuận với 1 / v4, như Rutherford đã dự đoán trong mô hình của mình.

Thông qua các thí nghiệm, họ đã chứng minh rằng tất cả các giả thuyết của Rutherford đã được đáp ứng theo cách xác định Mô hình nguyên tử Rutherford. Trong mô hình này, cuối cùng được xuất bản vào năm 1917, người ta cho rằng các nguyên tử có một hạt nhân trung tâm với điện tích dương.

Nếu hạt nhân trung tâm của nguyên tử là hạt nhân mang điện tích dương, phần còn lại của nguyên tử sẽ trống rỗng với các electron quay quanh nó.

Với mô hình này, người ta đã chứng minh rằng các nguyên tử có điện tích trung tính và điện tích dương có trong hạt nhân bị phản tác dụng bởi cùng số lượng electron quay quanh.

Nếu chúng ta loại bỏ các electron khỏi nguyên tử, thì chúng sẽ bị tích điện dương. Các nguyên tử ổn định, vì lực ly tâm bằng với lực điện, giữ cho các electron ở đúng vị trí

Tài liệu tham khảo

  1. CUÉLLAR FernÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Mô hình nguyên tử của E. Rutherford.Giảng dạy khoa học, 2008, tập. 26.
  2. BOHR, Niels. Đài tưởng niệm Rutherford Bài giảng 1958 Những kỷ niệm của người sáng lập Khoa học hạt nhân và một số phát triển dựa trên công trình của ông.Kỷ yếu của Hội vật lý, 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Lịch sử và triết học khoa học thông qua các mô hình: một số thách thức trong trường hợp 'nguyên tử'.Tạp chí khoa học giáo dục quốc tế, 2000, quyển. 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, et al.Tương tác nguyên tử-photon: các quá trình và ứng dụng cơ bản. New York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Các mô hình khái niệm của sinh viên đại học về cấu trúc nguyên tử dựa trên các thí nghiệm của Thomson, Rutherford và Bohr / Mô hình khái niệm của sinh viên đại học về cấu trúc nguyên tử dựa trên các thí nghiệm của Thomson, Rutherford và Bohr.Tạp chí khoa học giáo dục, 2000, quyển. 1, không 2.
  6. DE LA LLATA LOYola, María Dolores.Hóa vô cơ. Biên tập Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williart. Thí nghiệm lịch sử: khám phá hạt nhân nguyên tử: thí nghiệm Rutherford.UNED 100, 2003, số 6, tr. 107-111.