การทดลองรัทเธอร์ฟอร์ดและต้นแบบ

การทดลองรัทเธอร์ฟอร์ด อนุญาตให้กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าแต่ละอะตอมมีนิวเคลียสที่มีประจุเป็นบวก.

เออร์เนสต์รัทเธอร์ฟอร์ดเป็นนักฟิสิกส์และนักเคมีชาวนิวซีแลนด์ เขามุ่งเน้นไปที่การศึกษาอนุภาคกัมมันตภาพรังสีและทำการสอบสวนหลายอย่างที่ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 1908.

ภายใต้การดูแลของ Rutherford, Hans Geiger และ Ernest Marsden พวกเขาช่วยกันสร้างแบบจำลองอะตอมในห้องทดลองของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์.

หนึ่งในทฤษฎีอะตอมแรกที่มีอยู่คือสูตรที่ Thomson ผู้ค้นพบอิเล็กตรอน เขาเชื่อว่าอะตอมเป็นทรงกลมที่มีประจุเป็นบวกและอิเล็กตรอนถูกกระจายอยู่ในนั้น.

ทฤษฎีของทอมสันกล่าวว่าหากอนุภาคแอลฟาชนกับอะตอมอนุภาคนี้จะผ่านอะตอม เรื่องนี้จะได้รับผลกระทบจากสนามไฟฟ้าของอะตอมตามรุ่นนี้.

ในเวลานี้ยังไม่มีการค้นพบโปรตอนและนิวตรอน ทอมสันไม่สามารถพิสูจน์การมีอยู่ของเขาและแบบจำลองของเขาไม่ได้รับการยอมรับจากชุมชนวิทยาศาสตร์.

เพื่อแสดงให้เห็นถึงทฤษฎีการดำรงอยู่ของทอมสันรูเทอร์ฟอร์ดไกเกอร์และมาร์เดนด์การทดลองที่พวกเขาทิ้งระเบิดอนุภาคแอลฟาซึ่งทำด้วยนิวเคลียสของก๊าซฮีเลียมกับแผ่นโลหะ.

หากแบบจำลอง Thomson ทำงานได้อนุภาคควรผ่านแผ่นโลหะโดยไม่มีการเบี่ยงเบนใด ๆ.

การพัฒนาการทดลองรัทเธอร์ฟอร์ด

ต้นแบบแรก

ต้นแบบการออกแบบครั้งแรกของการทดลองดำเนินการในปี 1908 อธิบายโดย Geiger ในบทความเรื่อง เกี่ยวกับการกระจายตัวของอนุภาคโดยสสาร.

พวกเขาสร้างหลอดแก้วยาวประมาณสองเมตรที่ปลายด้านหนึ่งมีแหล่งกำเนิดวิทยุและอีกด้านหนึ่งวางจอเรืองแสงไว้ ตรงกลางของหลอดมีช่องทางหนึ่งชนิดที่ถูกวางไว้เพื่อให้อนุภาคแอลฟาผ่านไป.

กระบวนการที่ตามมาคือการส่งผ่านอนุภาคแอลฟาผ่านช่องเพื่อที่จะฉายลำแสงบนหน้าจอเรืองแสง.

โดยการปั๊มอากาศทั้งหมดจากหลอดภาพที่ได้จะชัดเจนและตรงกับช่องเปิดตรงกลางหลอด เมื่อปริมาณของอากาศในหลอดลดลงภาพจะกระจายมากขึ้น.

จากนั้นเมื่อต้องการดูเส้นทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคใด ๆ หากพวกมันชนกับสิ่งใดสิ่งหนึ่งหรือเคลื่อนที่ไปตามทฤษฎีของ Thomson ก็ยังคงมีการปิดทองแผ่น.

สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าอากาศและของแข็งทำให้เกิดการกระจายตัวของอนุภาคที่สะท้อนในหน้าจอเรืองแสงที่มีภาพกระจายมากขึ้น.

ปัญหาของต้นแบบแรกนี้คือมันแสดงให้เห็นเพียงผลลัพธ์ของการกระจายตัวเท่านั้น แต่ไม่ใช่เส้นทางที่อนุภาคแอลฟาตามมา.

ต้นแบบที่สอง

Geiger และ Marsden ตีพิมพ์บทความในปี 1909 โดยที่พวกเขาอธิบายการทดลองเพื่อสาธิตการเคลื่อนที่ของอนุภาคอัลฟา.

ในการสะท้อนกระจายของอนุภาคอัลฟ่า มีการอธิบายว่าการทดลองนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อค้นหาว่าอนุภาคเคลื่อนที่ในมุมมากกว่า 90 องศา.

พวกเขาสร้างต้นแบบที่สองสำหรับการทดลองโดยสร้างภาชนะแก้วที่มีรูปทรงกรวยขึ้น พวกเขาติดตั้งแผ่นตะกั่วเพื่อให้อนุภาคแอลฟาชนกับมันและเพื่อดูการกระจายตัวของมันแผ่นเรืองแสงถูกวางไว้ด้านหลัง.

ปัญหาเกี่ยวกับการกำหนดค่าของอุปกรณ์นี้คืออนุภาคหลีกเลี่ยงแผ่นตะกั่วซึ่งกระดอนโมเลกุลของอากาศ.

พวกเขาทดสอบโดยการวางแผ่นโลหะและเห็นบนหน้าจอเรืองแสงว่ามีการระเบิดของอนุภาคมากขึ้น.

มันแสดงให้เห็นว่าโลหะที่มีมวลอะตอมสูงกว่าจะสะท้อนอนุภาคได้มากกว่า แต่ Geiger และ Masden ต้องการทราบจำนวนอนุภาคที่แน่นอน แต่การทดลองที่มีวิทยุและวัสดุกัมมันตรังสีก็ไม่อาจแน่นอน.

ต้นแบบที่สาม

บทความที่ การกระจายตัวของอนุภาคαโดยสสาร ของปี 1910 อธิบายการทดลองที่สามที่ Geiger ออกแบบ ที่นี่มีการโฟกัสไปที่การวัดมุมการกระจายตัวของอนุภาคแล้วขึ้นอยู่กับวัสดุที่สัมผัส.

คราวนี้ท่อถูกกันน้ำและปรอทสูบเรดอน -222 ไปที่หน้าจอเรืองแสง ด้วยความช่วยเหลือของกล้องจุลทรรศน์แฟลชที่ปรากฏบนหน้าจอเรืองแสงจะถูกนับ.

มุมที่ตามหลังอนุภาคถูกคำนวณและได้ข้อสรุปว่ามุมของการโก่งเพิ่มขึ้นเมื่อมีมวลอะตอมมากขึ้นของวัสดุและมันก็เป็นสัดส่วนกับมวลอะตอมของสาร.

อย่างไรก็ตามมุมเบี่ยงเบนที่น่าจะเป็นไปได้มากที่สุดนั้นลดลงด้วยความเร็วและความน่าจะเป็นที่เบี่ยงเบนไปมากกว่า90ºนั้นเล็กน้อย.

ด้วยผลลัพธ์ที่ได้จากต้นแบบนี้ Rutherford จึงคำนวณรูปแบบการกระจายทางคณิตศาสตร์.

ผ่านสมการทางคณิตศาสตร์มันถูกคำนวณว่าแผ่นควรกระจายอนุภาคอย่างไรโดยสมมติว่าอะตอมมีประจุไฟฟ้าบวกที่จุดศูนย์กลาง แม้ว่าหลังนั้นจะถือว่าเป็นเพียงสมมติฐาน.

สมการที่พัฒนาแล้วเป็นดังนี้:

โดยที่ s = จำนวนของอนุภาคอัลฟาที่ตกลงมาบนพื้นที่ยูนิตด้วยมุมเบี่ยงเบนΦ

• r = ระยะทางของจุดที่อุบัติการณ์ของรังสีแอลฟาบนวัสดุการกระจายตัว
• X = จำนวนรวมของอนุภาคที่ตกลงบนวัสดุกระจาย
• n = จำนวนอะตอมในหน่วยปริมาตรของวัสดุ
• t = ความหนาของแผ่น
• Qn = ประจุบวกของนิวเคลียสอะตอม
• Qα = ประจุบวกของอนุภาคอัลฟา
• m = มวลของอนุภาคแอลฟา
• v = ความเร็วของอนุภาคอัลฟา

ต้นแบบสุดท้าย

ด้วยรูปแบบของสมการของรัทเธอร์เฟิร์ดการทดลองพยายามที่จะแสดงให้เห็นถึงสิ่งที่ถูกตั้งสมมติฐานและอะตอมมีนิวเคลียสที่มีประจุเป็นบวก.

สมการที่ออกแบบมาทำนายว่าจำนวนของกะพริบต่อนาที (s) ที่จะสังเกตในมุมที่กำหนด (Φ) ควรเป็นสัดส่วนกับ:

• CSC⁴Φ / 2
• ความหนาของแผ่น t
• ขนาดของโหลดกลาง Qn
• 1 / (mv²)²

เพื่อแสดงสมมติฐานสี่ข้อนี้มีการสร้างการทดลองสี่รายการซึ่งอธิบายไว้ในบทความ กฎการโก่งของอนุภาคαโดยมุมที่กว้าง 2456.

เพื่อทดสอบผลกระทบตามสัดส่วนกับ csc⁴Φ / 2 สร้างกระบอกที่ด้านบนของแผ่นเสียงในคอลัมน์.

คอลัมน์ที่สูบอากาศและกล้องจุลทรรศน์ที่ปกคลุมด้วยหน้าจอฟลูออเรสเซนต์สามารถสังเกตเห็นอนุภาคที่เบี่ยงเบนได้สูงถึง150ºซึ่งแสดงให้เห็นถึงสมมติฐานของรัทเธอร์ฟอร์ด.

เพื่อทดสอบสมมติฐานของความหนาของแผ่นงานให้ติดตั้งดิสก์ที่มี 6 หลุมปกคลุมด้วยแผ่นความหนาที่แตกต่างกัน พบว่าจำนวนของแสงแฟลชนั้นแปรผันตามความหนา.

พวกเขาใช้ดิสก์ของการทดลองก่อนหน้านี้เพื่อวัดรูปแบบการกระจายโดยสมมติว่าโหลดของนิวเคลียสนั้นเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักอะตอมพวกเขาวัดว่าการกระจายตัวเป็นสัดส่วนกับน้ำหนักอะตอมกำลังสอง.

เมื่อได้รับแสงแฟลชหารด้วยอากาศที่เท่ากันแล้วหารด้วยสแควร์รูทของน้ำหนักอะตอมพวกเขาพบว่าสัดส่วนมีความคล้ายคลึงกัน

และในที่สุดด้วยดิสก์เดียวกันของการทดลองพวกเขาวางแผ่นไมกาจำนวนมากขึ้นเพื่อชะลออนุภาคและด้วยช่วงข้อผิดพลาดที่ยอมรับได้พวกเขาแสดงให้เห็นว่าจำนวนของแวววาวเป็นสัดส่วน 1 / v⁴, ดังที่รูเทอร์ฟอร์ดทำนายไว้ในแบบจำลองของเขา.

จากการทดลองพวกเขาได้พิสูจน์ว่าสมมติฐานทั้งหมดของรัทเธอร์ฟอร์ดถูกพบในรูปแบบที่กำหนดโมเดลอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ในแบบจำลองนี้เผยแพร่ในปี 1917 ในที่สุดมันถูกตั้งสมมติฐานว่าอะตอมมีนิวเคลียสส่วนกลางที่มีประจุเป็นบวก.

ถ้านิวเคลียสส่วนกลางของอะตอมเป็นประจุบวกประจุที่เหลือจะว่างเปล่าเมื่ออิเล็กตรอนโคจรรอบ ๆ อะตอม.

เมื่อแบบจำลองนี้แสดงให้เห็นว่าอะตอมมีประจุเป็นกลางและประจุบวกที่อยู่ในนิวเคลียสนั้นจะถูกหักล้างด้วยจำนวนอิเล็กตรอนที่โคจรรอบ ๆ.

ถ้าเราเอาอิเล็กตรอนออกจากอะตอมพวกมันก็จะถูกประจุบวก อะตอมมีความเสถียรเนื่องจากแรงเหวี่ยงมีค่าเท่ากับแรงไฟฟ้าทำให้อิเล็กตรอนอยู่ในตำแหน่ง

การอ้างอิง

1. CUÉLLARFERNÁNDEZ, Luigi; Gallego BADILLO, Romulo; PREREZ MIRANDA, Royman แบบจำลองอะตอมของ E. Rutherford.การสอนวิทยาศาสตร์, 2551 ฉบับ 26.
2. BOHR นีลส์ การบรรยายรำลึกถึงรัทเธอร์ฟอร์ดในปี 1958 การรำลึกถึงผู้ก่อตั้งวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์และการพัฒนาบางอย่างจากงานของเขา.การดำเนินการของสมาคมกายภาพ, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; กิลเบิร์ต, จอห์น ประวัติศาสตร์และปรัชญาของวิทยาศาสตร์ผ่านแบบจำลอง: ความท้าทายบางอย่างในกรณีของ 'อะตอม'.วารสารการศึกษาวิทยาศาสตร์นานาชาติ, 2000 ฉบับ 22.
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, และคณะ.ปฏิสัมพันธ์ของอะตอมโฟตอน: กระบวนการและแอปพลิเคชันพื้นฐาน. นิวยอร์ก: ไวลีย์, 2535.
5. AGUILERA, Damarys, และคณะ แบบจำลองแนวคิดของนักศึกษามหาวิทยาลัยเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมตามการทดลองของ Thomson, Rutherford และ Bohr / แบบจำลองแนวคิดของนักศึกษามหาวิทยาลัยเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมตามการทดลองของ Thomson, Rutherford และ Bohr.วารสารวิทยาศาสตร์ศึกษา, 2000 ฉบับ 1, ไม่มี 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.เคมีอนินทรีย์. บทบรรณาธิการ Progreso, 2544.
7. TORRES, Amalia Williart การทดลองทางประวัติศาสตร์: การค้นพบนิวเคลียสของอะตอม: การทดลองรัทเธอร์ฟอร์ด.100cias UNED, 2546, หมายเลข 6, หน้า 107-111.