Het Rutherford-experiment en zijn prototypen

de Rutherford experiment liet een groep wetenschappers weten dat elk atoom een ​​positief geladen kern heeft.

Ernest Rutherford was natuurkundige en scheikundige in Nieuw-Zeeland. Hij concentreerde zich op de studie van radioactieve deeltjes en voerde verschillende onderzoeken uit waarmee hij in 1908 de Nobelprijs voor de Scheikunde kon winnen..

Onder leiding van Rutherford, Hans Geiger en Ernest Marsden hielpen ze het atoommodel te creëren, in de laboratoria van de Universiteit van Manchester..

Een van de eerste atoomtheorieën die er is, is die van Thomson, de ontdekker van het elektron. Hij geloofde dat de atomen bollen waren met een positieve lading en dat de elektronen erin waren verdeeld.

Thomson's theorie zei dat als een alfadeeltje botste met een atoom, dit deeltje door het atoom zou gaan. Dit zou worden beïnvloed door het elektrische veld van het atoom volgens dit model.

Op dit moment waren protonen en neutronen nog niet ontdekt. Thomson kon zijn bestaan ​​niet bewijzen en zijn model werd niet geaccepteerd door de wetenschappelijke gemeenschap.

Om het bestaan ​​van Thomsons theorie te demonstreren, Rutherford, Geiger en Marsdend een experiment waarin ze alfadeeltjes bombarderen, gemaakt met heliumgaskernen, tegen een metaalplaat.

Als het Thomson-model werkte, zouden de deeltjes zonder enige afwijking door de metalen plaat moeten gaan.

Ontwikkeling van het Rutherford-experiment

Eerste prototype

Het eerste prototype van het ontwerp van het experiment, uitgevoerd in 1908, werd uitgelegd door Geiger in een artikel getiteld Over de verspreiding van deeltjes door materie.

Ze bouwden een glazen buis van ongeveer twee meter lang, aan het ene uiteinde was er een radiobron en aan de andere kant was een fosforescerend scherm geplaatst. In het midden van de buis was een soort trechter geplaatst waar de alfadeeltjes doorheen konden gaan.

Het gevolgde proces was om de alfadeeltjes door de spleet te voeren, zodat deze de lichtstraal op het fosforescerende scherm zou projecteren.

Door alle lucht uit de buis te pompen, was het verkregen beeld helder en kwam overeen met de opening in het midden van de buis. Toen de hoeveelheid lucht in de buis werd verlaagd, werd het beeld diffuser.

Om vervolgens te zien welk traject de deeltjes volgden als ze iets raken of het doorkruisen, zoals de theorie van Thomson beweerde, werd een bladgoud in de sleuf geplaatst.

Dit toonde aan dat de lucht en vaste stoffen een dispersie van de deeltjes veroorzaakten die in het fosforescerende scherm werd weerspiegeld met meer diffuse beelden.

Het probleem met dit eerste prototype is dat het alleen het resultaat van de dispersie liet zien, maar niet het traject dat de alfadeeltjes volgden.

Tweede prototype

Geiger en Marsden publiceren een artikel in 1909 waarin ze een experiment uitlegden om de beweging van alfadeeltjes te demonstreren.

In een diffuse reflectie van alfa-deeltjes er wordt uitgelegd dat het experiment tot doel heeft erachter te komen dat de deeltjes zich verplaatsen onder een hoek van meer dan 90 graden.

Ze creëerden een tweede prototype voor het experiment, waarbij een glazen container met een conische vorm werd gemaakt. Ze monteerden een loden plaat, zodat de alfadeeltjes ermee in botsing kwamen, en om de verspreiding ervan te zien, werd een fluorescerende plaat achter geplaatst.

Het probleem met de configuratie van dit apparaat is dat de deeltjes de loodplaat hebben vermeden, die de luchtmoleculen weerkaatst.

Ze testten door een stuk metaal te plaatsen en zagen op het fluorescerende scherm dat er meer slagen van de deeltjes waren.

Er werd aangetoond dat metalen met een hogere atomaire massa meer deeltjes weerspiegelden, maar Geiger en Masden wilden het exacte aantal deeltjes weten. Maar het experiment met het hebben van radio en radioactieve materialen, kon niet exact zijn.

Derde prototype

Het artikel De dispersie van α-deeltjes door materie van 1910 verklaart het derde experiment dat Geiger ontwierp. Hier was het al gericht op het meten van de dispersiehoek van de deeltjes, afhankelijk van het materiaal waarin ze in contact komen.

Deze keer was de buis waterdicht en het kwik pompte radon 222 naar het fluorescentiescherm. Met behulp van de microscoop werden de flitsen die op het fluorescerende scherm verschenen geteld.

De hoeken die op de deeltjes volgden, werden berekend en conclusies werden getrokken dat de hoeken van afbuiging toenemen met de grotere atomaire massa van het materiaal, en dat het ook evenredig is met de atomaire massa van de substantie.

De meest waarschijnlijke afbuigingshoek neemt echter af met de snelheid en de kans dat deze meer dan 90 ° afwijkt, is te verwaarlozen.

Met de resultaten verkregen in dit prototype berekende Rutherford het verspreidingspatroon wiskundig.

Door middel van een wiskundige vergelijking werd berekend hoe het vel de deeltjes zou moeten verspreiden, aannemende dat het atoom de positieve elektrische lading in het midden heeft. Hoewel de laatste alleen als een hypothese werd beschouwd.

De ontwikkelde vergelijking was als volgt:

Waarbij, s = het aantal alfadeeltjes dat op het gebied van de eenheid valt met een afbuigingshoek Φ

• r = de afstand van het invalspunt van de alpha-stralen op het dispersiemateriaal
• X = het totale aantal deeltjes dat op het dispersiemateriaal valt
• n = het aantal atomen in een eenheidsvolume van het materiaal
• t = de dikte van het blad
• Qn = de positieve lading van de atoomkern
• Qα = de positieve lading van de alfadeeltjes
• m = de massa van een alfadeeltje
• v = de snelheid van het alfadeeltje

Laatste prototype

Met het model van Rutherford's vergelijkingen, werd een experiment geprobeerd aan te tonen wat er werd gepostuleerd, en dat de atomen een kern hadden met een positieve lading.

De ontworpen vergelijking voorspelde dat het aantal flitsen per minuut (minuten) dat moet worden waargenomen bij een gegeven hoek (Φ) evenredig moet zijn aan:

• csc⁴Φ / 2
• dikte van het blad t
• magnitude van de centrale belasting Qn
• 1 / (mv²)²

Om deze vier hypotheses te demonstreren, worden vier experimenten gemaakt, die worden verklaard door het artikel De wetten van afbuiging van α-deeltjes door grote hoeken van 1913.

Om het effect te testen dat evenredig is met csc⁴Φ / 2, bouwde een cilinder bovenop een draaitafel, op een kolom.

De kolom die de lucht pompt en de microscoop bedekt met een fluorescerend scherm laat toe de deeltjes waar te nemen die tot 150 º afwijken, waarbij de hypothese van Rutherford werd gedemonstreerd.

Om de hypothese van de dikte van het vel te testen, monteerde u een schijf met 6 gaten bedekt met vellen van verschillende dikte. Er werd waargenomen dat het aantal flitsen evenredig was aan de dikte.

Ze hergebruikden de schijf van het vorige experiment om het verspreidingspatroon te meten, ervan uitgaande dat de belasting van de kern evenredig was aan het atoomgewicht, ze maten of de dispersie evenredig was met het atoomgewicht in het kwadraat.

Met de verkregen flitsen, gedeeld door het equivalent van lucht, en vervolgens gedeeld door de vierkantswortel van het atoomgewicht, ontdekten ze dat de verhoudingen vergelijkbaar waren

En ten slotte plaatsten ze met dezelfde schijf van het experiment meer mica-schijven om de deeltjes te vertragen, en met een acceptabel foutenbereik toonden ze aan dat het aantal scintillaties evenredig was met 1 / v⁴, zoals Rutherford had voorspeld in zijn model.

Door de experimenten bewezen ze dat alle hypothesen van Rutherford waren vervuld op een manier die het Rutherford-atoommodel bepaalde. In dit model, eindelijk gepubliceerd in 1917, wordt verondersteld dat de atomen een centrale kern hebben met een positieve lading.

Als de centrale kern van het atoom degene is met de positieve lading, zal de rest van het atoom leeg zijn met de elektronen die er omheen draaien.

Met dit model werd aangetoond dat de atomen een neutrale lading hebben en dat de positieve lading die in de kern zit wordt tegengewerkt door hetzelfde aantal elektronen die ronddraaien.

Als we elektronen van het atoom verwijderen, blijven ze met een positieve lading achter. De atomen zijn stabiel, omdat de centrifugaalkracht gelijk is aan de elektrische kracht, waardoor de elektronen op hun plaats blijven

referenties

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Het atomaire model van E. Rutherford.Onderwijzen van wetenschappen, 2008, vol. 26.
2. BOHR, Niels. The Rutherford Memorial Lecture 1958 Reminiscences of the Founder of Nuclear Science en of Some Developments op basis van zijn werk.Proceedings of the Physical Society, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Geschiedenis en wetenschapsfilosofie door modellen: enkele uitdagingen in het geval van 'het atoom'.International Journal of Science Education, 2000, vol. 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, et al.Atom-foton interacties: basisprocessen en toepassingen. New York: Wiley, 1992.
5. AGUILERA, Damarys, et al. Conceptuele modellen van universiteitsstudenten op de atomaire structuur gebaseerd op de experimenten van Thomson, Rutherford en Bohr / Conceptuele modellen van universiteitsstudenten over atomaire structuur op basis van experimenten van Thomson, Rutherford en Bohr.Journal of Science Education, 2000, vol. 1, nee 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Anorganische chemie. Redactie Progreso, 2001.
7. TORRES, Amalia Williart. Historisch experiment: ontdekking van de atoomkern: het Rutherford-experiment.100cias UNED, 2003, nr. 6, p. 107-111.