Geiger-Marsdenin kokeilu

Geiger-Marsden- koe  tai Rutherford-koe [1] [K 1] [2]  on sarja Rutherfordin käynnistämiä kokeita, jotka Hans Geiger ja Ernst Marsden suorittivat vuosina 1909-1913 ja joka toimi ratkaisevana todisteena planeettamallista. atomista . He löysivät alfahiukkasia taipuneen suuriin kulmiin kulkiessaan ohuen kultakalvon läpi. Vain yksi 8000 alfahiukkasesta oli hajallaan yli 90° kulmissa. Joskus havaittiin alfahiukkasten takaisinsirontaa (vastaten 180°). Tuolloin hallitseva atomin Thomson-malli ei pystynyt selittämään näiden kokeiden paradoksaalisia tuloksia, koska sironnan todennäköisyyden suurissa kulmissa tässä mallissa olisi pitänyt olla luokkaa 10 −3500 [3] .

Selittääkseen alfa-hiukkasten sirontaa suurissa kulmissa Rutherford ehdotti vuonna 1911 julkaistussa kuuluisassa artikkelissaan [4] uutta atomin planeettamallia , jossa lähes koko atomin massa on keskittynyt pieneen, verrattuna atomin koko, supertiheä ydin. Sirontatilastojen käsittelyn tulosten mukaan hän antaa samassa artikkelissa laskelmia kultaatomin ytimen koosta, ja hänen tuloksensa eroaa vain 20 % nykyarvosta .

Vuoden 1913 viimeinen koe oli fysiikan kannalta erittäin tärkeä, sillä se vahvisti ensin hypoteesin atomiytimen olemassaolosta, mikä johti Rutherfordin atomin planeettamallin edelleen kehittämiseen .

Tausta

Aikaisemmat teoriat atomin rakenteesta

Suosittu atomirakenteen teoria Rutherfordin kokeen aikana oli " luumuvanukas malli", Thomsonin atomin malli, vaikka hän itse ei kutsunut malliaan sellaiseksi [5] . Tämän mallin on suunnitellut Lord Kelvin ja kehittänyt J. J. Thomson . Thomson on tutkija, joka löysi elektronin , joka on osa jokaista atomia. Thomson näki atomin positiivisesti varautuneena pallona, ​​jonka ympärille oli hajallaan elektroneja, vähän kuin rusina jouluvanukassa [6] . Protonien ja neutronien olemassaolosta ei tuolloin tiedetty. Atomien tiedettiin olevan hyvin pieniä (Rutherford ehdotti, että niiden säde oli luokkaa 10 −8 m [4] ). Tämä malli perustuu täysin klassiseen (newtonilaiseen) fysiikkaan ja sähködynamiikkaan; kun taas tällä hetkellä hyväksytty malli käyttää kvanttimekaniikkaa [7] .

Thomsonin mallia ei yleisesti hyväksytty edes ennen Rutherfordin kokeita. Thomson itse ei koskaan kyennyt kehittämään täydellistä ja vakaata mallia konseptistaan. Japanilainen tiedemies Hantaro Nagaoka hylkäsi Thomsonin mallin sillä perusteella, että vastakkaiset varaukset eivät voi läpäistä toisiaan [8] . Sen sijaan hän ehdotti, että elektronien pitäisi kiertää positiivisen varauksen ympärillä, kuten renkaat Saturnuksen ympärillä [9] .

Luumuvanukasmallin seuraukset

Alfahiukkanen  on submikroskooppinen, positiivisesti varautunut ainehiukkanen. Thomsonin mallin mukaan, jos alfahiukkanen törmäisi atomin kanssa, se yksinkertaisesti lentää suoraan läpi, poikkeaen korkeintaan asteen murto-osan verran. Atomimittakaavassa käsite "kiinteä aine" menettää merkityksensä. Thomson-atomi on pallo, jolla on positiivinen sähkövaraus ja joka on kiinnitetty paikalleen sen massan mukaan. Siten alfahiukkanen ei ponnahda atomista kuin pallo, vaan voi kulkea sen läpi, jos atomin sähkökentät ovat riittävän heikkoja sallimaan sen. Thomsonin malli ennusti, että atomin sähkökentät ovat liian heikkoja vaikuttamaan voimakkaasti sen läpi lentävään suurella nopeudella. Sekä negatiiviset että positiiviset varaukset Thomson-atomin sisällä jakautuvat koko atomin tilavuuteen. Coulombin lain mukaan mitä vähemmän keskittynyt sähkövarauspallo on, sitä heikompi on tämän pallon pinnalla oleva sähkökenttä [10] [11]

Tarkastellaan toimivana esimerkkinä alfahiukkasta, joka kulkee tangentiaalisesti kultaatomiin Thomson-mallissa, jossa se kokee voimakkaimman sähkökentän ja kokee siten suurimman taipuman θ :lla . Koska elektronit ovat erittäin kevyitä alfahiukkasiin verrattuna, niiden vaikutus voidaan jättää huomiotta, joten atomia voidaan pitää raskaana pallona, ​​jolla on positiivinen varaus [12] .

Q n  on kultaatomin positiivinen varaus ( 79 e = 1,266⋅10 -17  C ) Q α  on alfahiukkasen varaus ( 2 e = 3,204⋅10 -19  C ) r  on kultaatomin säde ( 1,44⋅10 -10  m ) v α  on alfahiukkasen nopeus ( 1,53⋅10 7  m/s ) m α  on alfahiukkasen massa ( 6,645⋅10 -27  kg ) k  - Coulombin vakio ( 8,998⋅10 9  N m 2 /C 2 )

Klassisen fysiikan avulla alfahiukkasen liikemäärän poikittaismuutos Δp voidaan approksimoida liikemäärän ja Coulombin voiman lausekkeen välisen suhteen avulla [13] [14] :

Pienissä kulmissa siis

Yllä oleva laskelma on vain likiarvo koko prosessille siitä, mitä tapahtuu, kun alfahiukkanen lähestyy Thomson-atomia, mutta tarkka vastaus taipumiseen on parhaimmillaan asteen pienen murto-osan suuruusluokkaa. Jos alfahiukkanen kulkisi noin 0,4 mikrometrin (2410 atomia) paksuisen kultakalvon läpi ja kokisi suurimman taipuman samaan suuntaan (tämä on epätodennäköistä), taipuma olisi silti pieni [4] .

Kokeiden tulokset

Rutherfordin ohjauksessa Geiger ja Marsden suorittivat sarjan kokeita, joissa he suuntasivat alfahiukkassäteen ohuelle metallikalvolle ja mittasivat sirontakuvan fluoresoivalla näytöllä . He huomasivat, että alfahiukkaset pomppivat metallikalvosta kaikkiin suuntiin, jotkut suoraan lähteen suuntaan. Thomsonin mallin mukaan tämän olisi pitänyt olla mahdotonta; kaikkien alfahiukkasten piti kulkea läpi. Ilmeisesti nämä hiukkaset törmäsivät sähköstaattiseen voimaan, joka oli paljon suurempi kuin Thomsonin malli ehdotti. Lisäksi vain pieni osa alfa-hiukkasista taittui yli 90°. Suurin osa hiukkasista lensi suoraan kalvon läpi pienellä taipumalla [15] .

Tämän oudon tuloksen selittämiseksi Rutherford ehdotti, että atomin positiivinen varaus oli keskittynyt pieneen ytimeen sen keskustassa. Tämä puolestaan ​​tarkoitti, että suurin osa atomin tilavuudesta oli tyhjää tilaa [16] .

Kokeilusarjan historia

Ernest Rutherford oli fysiikan professori Manchesterin Victoria-yliopistossa [17] (nykyinen Manchesterin yliopisto ). Hän on saanut jo useita palkintoja säteilytutkimuksestaan. Rutherford löysi alfa- , beeta- ja gammasäteiden olemassaolon ja osoitti, että ne olivat seurausta atomien hajoamisesta . Vuonna 1906 saksalainen fyysikko nimeltä Hans Geiger vieraili hänen luonaan , ja Rutherford oli niin vaikuttunut, että hän pyysi Geigeriä jäämään auttamaan häntä hänen tutkimuksessaan. Ernest Marsden oli fysiikan opiskelija, joka opiskeli Geigerin kanssa [18] .

Alfahiukkaset  ovat pieniä positiivisesti varautuneita hiukkasia, joita tietyt aineet, kuten uraani ja radium , säteilevät spontaanisti . Rutherford löysi ne vuonna 1899. Vuonna 1908 hän yritti mitata tarkasti niiden varaus-massasuhteen ( elektronin ominaisvarauksen ). Tätä varten hänen täytyi ensin tietää, kuinka monta alfahiukkasta hänen radiumnäytteensä emittoi (sen jälkeen hän mittasi niiden kokonaisvarauksen ja jakoi yhden arvon toisella). Alfahiukkaset ovat liian pieniä nähtäväksi mikroskoopilla, mutta Rutherford tiesi, että alfahiukkaset ionisoivat ilmamolekyylejä, ja jos ilma on sähkökentässä, ionit muodostavat sähkövirran. Tämän periaatteen perusteella Rutherford ja Geiger kehittivät yksinkertaisen laskentalaitteen, joka koostui kahdesta lasiputkessa olevasta elektrodista. Jokainen putken läpi kulkeva alfahiukkanen luo sähköpulssin, jonka lukumäärä voidaan laskea. Tämä oli Geiger-laskurin varhainen versio [18] .

Geigerin ja Rutherfordin keksimä laskuri osoittautui epäluotettavaksi, koska alfahiukkaset taipuivat liikaa johtuen törmäyksistään laitteen kammiossa oleviin ilmamolekyyleihin. Alfahiukkasten erittäin vaihtelevat liikeradat tarkoittivat, että ne kaikki eivät tuottaneet samaa määrää ioneja kulkiessaan kaasun läpi, mikä johti virheellisiin lukemiin. Tämä hämmensi Rutherfordia, koska hänen mielestään alfahiukkaset olivat liian raskaita, jotta niitä voitaisiin kääntää niin paljon. Rutherford pyysi Geigeriä selvittämään, kuinka paljon ainetta voi siroittaa alfasäteitä [18] .

Heidän kehittämiinsä kokeisiin kuuluivat metallikalvon pommittaminen alfahiukkasilla nähdäkseen, kuinka kalvo hajottaa ne materiaalin paksuudesta ja ominaisuuksista riippuen. He käyttivät fluoresoivaa näyttöä hiukkasten liikeradan mittaamiseen. Jokainen alfahiukkasen osuma näytölle aiheutti pienen valon välähdyksen. Geiger työskenteli tuntikausia pimennetyssä laboratoriossa ja laski näitä pieniä tuikevärejä mikroskoopilla [11] . Rutherfordilla ei ollut tarpeeksi kestävyyttä tähän työhön, joten hän jätti sen nuoremmille kollegoilleen [19] . Metallikalvoa varten he testasivat useita metalleja, mutta valitsivat kullan , koska kullan muokattavuus tekee kalvosta erittäin ohuen [20] . Alfahiukkasten lähteenä Rutherford käytti radonia , ainetta, joka on useita miljoonia kertoja radioaktiivisempi kuin uraani [7] .

1908 kokeilu

Geigerin vuoden 1908 artikkeli On the Scattering of α Particles by Matter kuvaa seuraavan kokeen [21] . Hän rakensi pitkän, lähes kaksi metriä pitkän lasiputken. Putken toisessa päässä oli " radium-emanaatiota " (R), joka toimi alfahiukkasten lähteenä. Putken vastakkainen pää peitettiin fosforoivalla seulalla (Z). Putken keskellä oli 0,9 mm leveä rako. Alfahiukkaset lähteestä R kulkivat raon läpi ja loivat valopilkkuja näytölle. 50-kertaisella suurennuksella (M) varustettua mikroskooppia käytettiin ruudulla olevien tuiketen laskemiseen ja niiden hajottamiseen. Geiger poisti putkesta kaiken ilman, jotta alfahiukkaset eivät hajoaneet liikaa, ja ne jättivät näytölle kirkkaan ja terävän kuvan, joka vastasi raon muotoa. Sitten Geiger päästi hieman ilmaa putkeen, ja hehkuva kohta muuttui sumeammaksi. Geiger puhalsi sitten ilmaa ulos ja asetti kultafolion aukkoon AA. Tämä johti myös siihen, että näytön valopilkku hämärtyi. Tämä koe osoitti, että sekä ilma että kiinteä aine voivat siroittaa alfahiukkasia huomattavasti. Laite mahdollisti kuitenkin vain pienten taipumiskulmien havaitsemisen. Rutherford halusi tietää, hajoavatko alfahiukkaset vielä suuremmissa kulmissa, ehkä yli 90° [21] [7] .

1909 kokeilu

Geiger ja Marsden kuvasivat vuoden 1909 artikkelissaan α-hiukkasten diffuusiheijastusta kokeen, jolla he osoittivat, että alfahiukkaset voivat todellakin sirota yli 90° kulmien läpi [22] . Kokeessaan he valmistivat pienen kartiomaisen lasiputken (AB), joka sisälsi "radiumsäteilyä" ( radon ), "radium A" (todellista radiumia) ja "radium C" ( vismutti- 214); sen avoin pää suljettiin kiillellä . Putki toimi alfahiukkasten lähettäjänä. Sitten he asensivat lyijylevyn (P), jonka taakse he asettivat fluoresoivan näytön (S). Putkea pidettiin levyn vastakkaisella puolella, jotta sen lähettämät alfahiukkaset eivät pääse suoraan osumaan näyttöön. He huomasivat muutaman välkkymisen näytöllä, koska osa alfahiukkasista lensi levyn ympäri pomppien ilmamolekyylistä. Sitten he asettivat metallikalvon (R) lyijylevyn sivulle. He suuntasivat putken kalvoon nähdäkseen, voisivatko alfahiukkaset pomppia siitä pois ja osua levyn toisella puolella olevaan näyttöön, ja havaitsivat tuikemäärän lisääntyvän näytöllä. Laskemalla tuikkeet, he havaitsivat, että suuremman atomimassaiset metallit, kuten kulta (lyijy, platina) heijastavat enemmän alfahiukkasia kuin kevyemmät, kuten alumiini [7] .

Geiger ja Marsden halusivat sitten arvioida heijastuneiden alfahiukkasten kokonaismäärän. Aiempi kokoonpano ei sopinut tähän, koska putki sisälsi useita radioaktiivisia aineita (radium ja sen hajoamistuotteet) ja siten vapautuneilla alfahiukkasilla oli erilainen energia ja koska heidän oli vaikea määrittää millä nopeudella putki emittoi alfahiukkasia. Tällä kertaa he laittoivat pienen määrän radium C:tä (vismutti-214) lyijylevylle; alfahiukkaset pomppasivat platinaheijastimesta (R) ja osuivat näyttöön. He havaitsivat, että vain pieni osa heijastimeen osuneista alfahiukkasista pomppasi takaisin näyttöön (tässä tapauksessa 1:8000) [22] .

1910 kokeilu

Geigerin vuoden 1910 artikkeli "The Scattering of α Particles by Matter" kuvaa koetta, jolla hän yritti mitata kuinka todennäköisin kulma, jolla α-hiukkanen taipuu, vaihtelee materiaalin, jonka läpi se kulkee, kalvon paksuuden ja nopeuden mukaan. alfa-hiukkaset [23] . Hän rakensi suljetun lasiputken, josta ilma pumpattiin ulos. Toisessa päässä oli lamppu (B), joka sisälsi " radiumsäteilyä " (radon- 222). B:n radon pumpattiin elohopeaa käyttäen kapean lasiputken läpi, jonka A:n pää oli täytetty kiillellä . Putken toisessa päässä oli fluoresoiva sinkkisulfidisiula (S). Mikroskooppi, jolla hän laski välähdyksiä näytöllä, oli kiinnitetty pystysuoraan millimetriasteikkoon nonierilla, jonka avulla Geiger pystyi mittaamaan tarkasti, missä valon välähdykset ilmestyivät näytölle, ja siten laskea hiukkasten taipumakulmat. A:sta säteilevän alfahiukkasten säteen leveys kavennettiin säteen, joka kulki pienen pyöreän reiän läpi kohdassa D. Geiger asetti metallikalvon säteiden reitille kohdassa D ja E tarkkaillakseen välähdysten muutoksia näyttö. Hän pystyi myös muuttamaan alfahiukkasten nopeutta asettamalla lisää kiille- tai alumiinilevyjä kohtaan A.

Mittausten perusteella Geiger teki seuraavat johtopäätökset:

Sirontakuvion matemaattinen malli

Ottaen huomioon yllä olevien kokeiden tulokset, Rutherford julkaisi vuonna 1911 maamerkkiartikkelin "α- ja β-hiukkasten sironta aineen ja atomin rakenteen mukaan", jossa hän ehdotti, että keskustassa oli sähkövaraus. atomista, joka vei hyvin pienen tilavuuden (itse asiassa Rutherford pitää sitä laskelmissaan pistevarauksena) [4] . Matemaattisia laskelmia varten hän oletti, että tämä keskusvaraus oli positiivinen, mutta myönsi, ettei hän pystynyt todistamaan tätä ja hänen täytyi odottaa muiden kokeiden tuloksia tarkentaakseen teoriaansa.

Rutherford kehitti matemaattisen yhtälön, joka kuvaa alfahiukkasten sirontaa folion avulla, edellyttäen, että kaikki positiivinen varaus ja suurin osa atomimassasta on keskittynyt yhteen pisteeseen atomin keskustassa [24] :72–74 .

s on poikkeutuskulmassa Φ  pinta-alayksikköä kohti putoavien alfa-hiukkasten lukumäärä ; r  on etäisyys α-säteiden tulopisteestä sirontamateriaalille; X  on sirottavalle materiaalille sattuneiden hiukkasten kokonaismäärä; n  on atomien lukumäärä materiaalin tilavuusyksikköä kohti; t  on kalvon paksuus; Q n  on atomiytimen positiivinen varaus; Q α  on alfahiukkasten positiivinen varaus; m  on alfahiukkasen massa; v  on alfahiukkasen nopeus.

Sirontatiedoista Rutherford arvioi keskusvarauksen Q n olevan noin +100 yksikköä (katso Rutherfordin malli ) [4] .

1913 kokeilu

Geiger ja Marsden kuvasivat vuoden 1913 julkaisussa "The Laws of Large Angular Deflection of α-Particles" joukon kokeita, joilla he yrittivät testata Rutherfordin mallia kokeellisesti. Se ennustaa, että tietyssä kulmassa Φ havaittavien välähdysten lukumäärän minuutissa s pitäisi olla verrannollinen [25] :

  1. csc 4 (Φ/2) ;
  2. kalvon paksuus t ;
  3. keskusvarauksen Q n neliö ;
  4. 1 / ( mv 2 ) 2 .

Vuoden 1913 artikkelissa kuvataan neljä koetta, joilla he todistavat jokaisen näistä neljästä suhteesta.

Testaakseen, kuinka sironta muuttuu taipumakulman kanssa (eli jos s ∝ csc 4 (Φ/2) ), Geiger ja Marsden rakensivat instrumentin, joka koostui ontosta metallisylinteristä, joka oli asennettu levysoittimeen. Sylinterin sisällä oli metallikalvo (F) ja radonia sisältävä säteilylähde (R) asennettuna erilliseen kolonniin (T), mikä mahdollisti sylinterin pyörimisen itsenäisesti. Kolonni oli myös putki, jonka kautta ilmaa pumpattiin ulos sylinteristä. Mikroskooppi (M), jonka objektiivilinssi oli päällystetty fluoresoivalla sinkkisulfidinäytöllä (S), tunkeutui sylinterin seinämän läpi ja tarkensi metallikalvon pintaan. Pöytää pyörittämällä mikroskooppia voitiin siirtää kalvon ympäri koko ympyrän verran, jolloin Geiger pystyi tarkkailemaan ja laskemaan alfahiukkasia, jotka ovat taipuneet 150°:een. Korjaamalla kokeellisen virheen Geiger ja Marsden havaitsivat, että tietyn kulman Φ kautta taipuneiden alfahiukkasten lukumäärä on todellakin verrannollinen arvoon csc 4 (Φ/2) [25] .

Geiger ja Marsden testasivat sitten, kuinka sironta muuttuu kalvon paksuuden mukaan (eli jos s ∝ t ). He rakensivat levyn (S), johon oli porattu kuusi reikää. Reiät peitettiin eripaksuisella metallikalvolla (F) tai niitä ei peitetty ollenkaan valvontaa varten. Tämä kiekko suljettiin sitten messinkirenkaalla (A) kahden lasilevyn (B ja C) väliin. Levyä voitiin pyörittää tangon (P) avulla niin, että yksi ikkunoista voitaisiin asettaa alfahiukkasten lähteen (R) eteen. Sinkkisulfidista (Z) valmistettu näyttö sijaitsi takaikkunassa . Geiger ja Marsden havaitsivat, että sinkkisulfidinäytöllä näkyvien tuiketen määrä oli todellakin verrannollinen kalvojen paksuuteen, kun ilmoitettu paksuus oli pieni [25] .

Geiger ja Marsden käyttivät yllä olevaa instrumenttia uudelleen mittaamaan kuinka sirontakuvio muuttuu ydinvarauksen neliön mukaan (eli jos s ∝ Q n 2 ). Geiger ja Marsden eivät tienneet, mikä oli heidän metalliensa ytimien positiivinen varaus, mutta he olettivat sen olevan verrannollisia atomipainoon, joten he testasivat, oliko sironta verrannollinen atomipainon neliöön. Geiger ja Marsden peittivät levyn reiät kullalla, tinalla, hopealla, kuparilla ja alumiinifoliolla. He mittasivat kunkin kalvon pysäytysvoiman ja rinnastivat sen vastaavaan ilmanpaksuuteen. He laskivat kunkin kalvon tuottamien tuikemäärän minuutissa näytöllä ja jakoivat tuikemäärän minuutissa vastaavan kalvon ilmaekvivalentilla ja jakoivat sitten taas atomipainon neliöjuurella (Geiger ja Marsden tiesivät, että kalvot saman pysäytysvoiman atomien lukumäärä pinta-alayksikköä kohti on verrannollinen niiden atomipainon neliöjuureen). Siten jokaiselle metallille Geiger ja Marsden saivat kiinteän atomimäärän tuottamien tuikemäärän. Sitten he jakoivat jokaisen metallin luvun atomipainon neliöllä ja havaitsivat, että suhteet olivat suurin piirtein samat. Siten he osoittivat, että s ∝ Q n 2 [25] .

Lopuksi Geiger ja Marsden testasivat, kuinka sironta muuttuu alfahiukkasten nopeuden mukaan (eli jos s ∝ 1/v 4 ). Jälleen käyttämällä samaa laitetta, he hidastivat alfahiukkasia asettamalla ylimääräisiä kiillelevyjä alfahiukkasten lähteen eteen. He havaitsivat, että kokeellisen virheen sisällä välkyntien määrä on todellakin verrannollinen 1 / v4 :ään [ 25] .

Rutherford määrittää, että ydin on positiivisesti varautunut

Vuoden 1911 artikkelissaan [4] Rutherford ehdotti, että atomin keskusvaraus on positiivinen, mutta negatiivinen varaus sopisi myös hänen sirontamalliinsa [26] . Vuonna 1913 julkaistussa artikkelissa Rutherford totesi, että "ydin" (kuten hän sitä nyt kutsui) oli todellakin positiivisesti varautunut, perustuen kokeisiin alfa-hiukkasten siroamisesta erilaisissa kaasuissa [27] .

Vuonna 1917 Rutherford ja hänen avustajansa William Kay alkoivat tutkia alfahiukkasten kulkeutumista kaasujen, kuten vedyn ja typen, läpi. Kokeessa, jossa he säteilyttivät vetyä alfahiukkassäteellä, alfahiukkaset projisoivat vetyytimiä eteenpäin säteen suuntaan eivätkä vastakkaiseen suuntaan. Kokeessa, jossa he säteilyttivät typpeä alfahiukkasilla, he havaitsivat, että alfahiukkaset syrjäyttävät vetyytimiä (eli protoneja) typpiytimistä [26] .

Legacy

Rutherford hämmästyi, kun Geiger kertoi havainnostaan ​​erittäin poikkeavista alfahiukkasista. Rutherfordin Cambridgen yliopistossa pitämässä luennossa hän sanoi [28] :

Se oli uskomattomin tapahtuma, joka minulle on koskaan tapahtunut elämässäni. Se oli melkein yhtä uskomatonta kuin jos ampuisit 15 tuuman ammuksen pehmopaperia kohti ja se palasi ja osui sinuun. Pohdittuani ymmärsin, että tämän takaisinsironnan täytyy olla seurausta yhdestä törmäyksestä, ja kun tein laskelmia, näin, että on mahdotonta saada mitään tämän suuruusluokkaa, ellei ota järjestelmää, jossa suurin osa atomista on massa on keskittynyt pieneen ytimeen. Silloin minulla oli idea atomista, jossa on pieni, massiivinen keskus, joka kantaa varausta.

Alkuperäinen teksti  (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Se oli aivan uskomattomin tapahtuma, mitä minulle on koskaan tapahtunut elämässäni. Se oli melkein yhtä uskomatonta, kuin jos ampuisit 15 tuuman kuorella pehmopaperin palaa ja se palasi ja osui sinuun. Tarkastellessani ymmärsin, että tämän taaksepäin siroamisen täytyy olla seurausta yhdestä törmäyksestä, ja kun tein laskelmia, huomasin, että oli mahdotonta saada mitään tämän suuruusluokkaa, ellei ota järjestelmää, jossa suurin osa massasta atomista oli väkevöity pieneen ytimeen. Silloin minulla oli idea atomista, jossa on minuutin massiivinen keskus ja joka kantaa varausta.

Pian ylistys valui. Hantaro Nagaoka , joka kerran ehdotti atomin Saturnuksen mallia, kirjoitti Rutherfordille Tokiosta vuonna 1911: "Onnittelut käyttämäsi laitteen yksinkertaisuudesta ja loistavista tuloksista, joita olet saavuttanut." Näiden kokeiden havainnot osoittivat, kuinka kaikki aine Maan päällä on järjestetty ja vaikutti siten kaikkiin tieteen ja tekniikan tieteenaloihin, tehden siitä yhden kaikkien aikojen tärkeimmistä tieteellisistä löydöistä. Tähtitieteilijä Arthur Eddington kutsui Rutherfordin löytöä tärkeimmäksi tieteelliseksi saavutukseksi sen jälkeen , kun Demokritos ehdotti atomin olemassaoloa useita vuosisatoja aikaisemmin [19] .

Kuten useimmat tieteelliset mallit, Rutherfordin atomimalli ei ollut täydellinen eikä täydellinen. Klassisen sähködynamiikan mukaan tämä oli käytännössä mahdotonta. Kiihtyvät varautuneet hiukkaset säteilevät sähkömagneettisia aaltoja, joten atomin ydintä kiertävä elektroni putoaisi teoriassa ytimeen spiraalimaisesti, kun energiaa häviää. Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijoiden oli sisällytettävä kvanttimekaniikka Rutherfordin malliin [7] . Samana vuonna Niels Bohr ehdotti ratkaisua vetyatomin stabiilisuusongelmaan, minkä seurauksena Rutherfordin atomin ydinmalli sai yleismaailmallisen tunnustuksen [2] .

Käyttö

Kokeen ideaa käytetään suoraan raskaita ytimiä sisältävien materiaalien tutkimuksessa. Kun kiteen pintaa säteilytetään, on mahdollista, että alfahiukkaset heijastuvat suurissa kulmissa ja kohti lähdettä, kuten Geiger-Marsdenin kokeet osoittivat. Kokeessa käytetään alfahiukkasia ja ionikiihdytintä 1-3 MeV asti. Sironneen osan energian mittaus kulmasta riippuen antaa tietoa materiaalin pinnan alkuainekoostumuksesta [29] .

Muistiinpanot

Kommentit
  1. ↑ Jotkut tutkijat pitävät tätä nimeä kuitenkin virheellisenä, koska se johtuu vain Rutherfordin itsensä kokeilusta vuodesta 1906 ( Leone et al. ).
Lähteet
  1. ↑ Kemia. Lukion kurssi / Per. englannista. Semenenko K. N. - 2. - M .: Mir, 1971. - S. 367.
  2. ↑ 12 Leone et al., 2018 .
  3. ↑ Kanavat, Enric Pérezin kanavat. Kvanttifysiikan historia kokeiden kautta = Història de la Física Quàntica a través dels experiments. - 2018. - S. 54.
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 Rutherford E. α- ja β-hiukkasten sironta aineen vaikutuksesta ja atomin rakenne  //  Philosophical Magazine, Series 6 : Journal. - 1911. - Voi. 21 . - s. 669-688 . - doi : 10.1080/14786440508637080 .
  5. ↑ Atomin historia - teoriat ja mallit  . https://www.compoundchem.com/ . Käyttöönottopäivä: 25.4.2021.
  6. ↑ Thomson, Joseph J. (1904). "Atomin rakenteesta: Ympyrän kehän ympärille tasavälein järjestetyn joukon kappaleiden stabiilisuuden ja värähtelyjaksojen tutkiminen; Tulosten soveltaminen atomirakenteen teoriaan” . Filosofinen aikakauslehti . Sarja 6. 7 (39): 237. doi : 10.1080/14786440409463107 .
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Baily, C. Varhaiset atomimallit - mekaanisesta kvanttiin (1904–1913)  // The European Physical Journal H. - 2013. - V. 38 . - S. 1-38 . - doi : 10.1140/epjh/e2012-30009-7 . - arXiv : 1208.5262 .
  8. ↑ Daintith, John; Gjertsen, Derek. Tiedemiesten sanakirja . - Oxford University Press , 1999. - s. 395. - ISBN 978-0-19-280086-2 .
  9. ↑ Nagaoka, Hantaro (1904). "Partikkelijärjestelmän kinetiikka, joka kuvaa viiva- ja kaistaspektriä ja radioaktiivisuuden ilmiöitä" . Filosofinen aikakauslehti . Sarja 6. 7 (41): 445-455. DOI : 10.1080/14786440409463141 .
  10. ↑ Hyperfysiikka . Georgian osavaltion yliopisto . Haettu 13. elokuuta 2014.
  11. ↑ 12 Geiger ja Marsden . Cavendishin laboratorio . Haettu 23. heinäkuuta 2014. Arkistoitu alkuperäisestä 6. lokakuuta 2014.
  12. ↑ Jewett, John W., Jr.; Serway, Raymond A. Atomin varhaiset mallit // Fysiikka tutkijoille ja insinööreille modernin fysiikan kanssa. – 9. — Brooks/Cole, 2014. — s. 1299.
  13. ↑ Kanavat, 2018 , s. 53.
  14. ↑ Fowler, Michael Rutherford Scattering . Fysiikan luentomuistiinpanot 252 . Virginian yliopisto . Haettu: 23.7.2014.
  15. ↑ Tavat, ilo. Kvanttifysiikka: Johdanto . - CRC Press, 2000. - ISBN 978-0-7503-0720-8 .
  16. ↑ Gorelov, A. A. Nykyaikaisen luonnontieteen käsitteet: toisen asteen ammatillisen koulutuksen oppikirja / A. A. Gorelov. - 4. painos, tarkistettu. ja muita .. - M . : Yurayt, 2019. - S. 47. - 355 s. — ISBN 978-5-534-10214-7 .
  17. ↑ Pais, Abraham. Sisään sidottu: aineesta ja voimista fyysisessä maailmassa . - Oxford Oxfordshire New York: Clarendon Press Oxford University Press, 1986. - ISBN 9780198519973 .
  18. ↑ 1 2 3 Heilbron, John L. Ernest Rutherford ja atomien räjähdys. - Oxford University Press , 2003. - ISBN 978-0-19-512378-4 .
  19. ↑ 1 2 Reeves, Richard. Luonnonvoima: Ernest Rutherfordin rajanero . – W. W. Norton & Co. , 2008. - ISBN 978-0-393-07604-2 .
  20. ↑ Tibbetts, Gary. Kuinka suuret tiedemiehet päättelivät: tieteellinen menetelmä toiminnassa. - Elsevier , 2007. - ISBN 978-0-12-398498-2 .
  21. ↑ 1 2 Geiger, Hans (1908). "A-hiukkasten hajoamisesta aineen avulla". Proceedings of the Royal Society of London A. 81 (546): 174-177. Bibcode : 1908RSPSA..81..174G . DOI : 10.1098/rspa.1908.0067 .
  22. ↑ 1 2 Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). "α-hiukkasten diffuusisesta heijastuksesta". Proceedings of the Royal Society of London A. 82 (557): 495-500. Bibcode : 1909RSPSA..82..495G . DOI : 10.1098/rspa.1909.0054 .
  23. ↑ 1 2 Geiger, Hans (1910). "α-hiukkasten sironta aineen vaikutuksesta". Proceedings of the Royal Society of London A. 83 (565): 492-504. Bibcode : 1910RSPSA..83..492G . DOI : 10.1098/rspa.1910.0038 .
  24. ↑ Landau L.D., Lifshits E.M. Mechanics. - 5. painos, stereotyyppinen. - M .: Fizmatlit , 2004 . — 224 s. — ("Teoreettinen fysiikka", osa I). - ISBN 5-9221-0055-6 .
  25. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1913). "α-hiukkasten taipumisen lait suurten kulmien läpi" (PDF) . Filosofinen aikakauslehti . Sarja 6. 25 (148): 604-623. DOI : 10.1080/14786440408634197 .
  26. ↑ 1 2 Rutherfordin ydinmaailma: Tarina ytimen löytämisestä . American Institute of Physics. Haettu: 23.10.2014.
  27. ↑ Rutherford, Ernest; Nuttal, John Mitchell (1913). "Kaasujen aiheuttama α-hiukkasten sironta" . Filosofinen aikakauslehti . Sarja 6. 26 (154): 702-712. DOI : 10.1080/14786441308635014 .
  28. ↑ Rutherford, Ernest; Ratcliffe, John A. Neljäkymmentä vuotta fysiikkaa // Modernin tieteen tausta. - Cambridge University Press , 1938.
  29. ↑ Oura, K.; Lifesheets, VG; Saranin, A.A.; Zotov, A.V.; Katayama, M. Pintatiede: Johdanto. - Springer-Verlag , 2003. - ISBN 3-540-00545-5 .

Kirjallisuus

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat