Raderfordov ogled

Raderfordov ogled je bio jedan od najznačajnijih eksperimenata u nuklearnoj fizici, kojim je dokazano da kada se metalna folija bombarduje α-česticama, pozitivno naelektrisane čestice u sudaru sa pozitivnim naelektrisanjem atoma skreću sa prvobitne putanje, dakle, rasejavaju se. Međutim, poneka čestica skrene za neočekivano veliki ugao, kao da se odbija od folije.

Prikaz Gajger - Marsdenovog aparata korišćenog u Raderfordovim eksperimentima

Raderford je ovo opažanje njegovih đaka Gajgera i Marsdena prokomentarisao rečima:

„ Bio je to najneverovatniji događaj u mom životu. To je isto tako neverovatno kako kada biste na list papira ispalili topovsko zrno prečnika 15 in (38 cm) a ono se od njega odbije i pogodi vas. ”

Analizirajući problem Raderford je zaključio da su celokupna masa i pozitivno naelektrisanje atoma skoncentrisani u vrlo malom prostoru, dakle da postoji jezgro atoma. Tako je nastao Planetarni model atoma.

Pregled

Savremene teorije strukture atoma

Model atoma poput pudinga od šljiva, kako ga je zamislio Thomson.

Popularna teorija strukture atoma u vreme Raderfordovog eksperimenta bila je „model pudinga sa šljivama“. Ovaj model je osmislio Vilijam Tomson, a dalje ga je razvio Dž. Dž. Tomson. Tomson je otkrio elektron i verovao je da je svaki atom sfera pozitivnog naelektrisanja po kojoj su elektroni raspoređeni, pomalo kao zrna suvog grožđa u božićnom pudingu. Postojanje protona i neutrona u to vreme nije bilo poznato. Znalo se da su atomi veoma sićušni (Raterford je pretpostavio da su u radijusu od 10⁻⁸ m. Ovaj model je bio u potpunosti zasnovan na klasičnoj (Njutnovoj) fizici; trenutno prihvaćeni model koristi kvantnu mehaniku.

Tomsonov model nije bio univerzalno prihvaćen čak ni pre Raderfordovih eksperimenata. Sam Tomson nikada nije bio u stanju da razvije potpun i stabilan model svog koncepta. Japanski naučnik Hantaro Nagaoka odbacio je Tomsonov model na osnovu toga da suprotna naelektrisanja ne mogu da prodru jedno u drugo. Umesto toga, predložio je da elektroni kruže oko pozitivnog naelektrisanja poput prstenova oko Saturna.

Implikacije Tomsonovo modela atoma

Alfa čestica je submikroskopska, pozitivno naelektrisana čestica materije. Prema Tomsonovom modelu pudinga sa šljivama, ako bi se alfa čestica sudarila sa atomom, ona bi samo proletela pravo kroz njega, a njena putanja bi se skrenula za najviše delić stepena. Na atomskoj skali, koncept „čvrste materije” je besmislen. Tomsonov atom je sfera pozitivnog električnog naboja, usidrena na mestu svojom masom. Tako se alfa čestica ne bi odbijala od atoma kao lopta, već bi mogla proći kroz nju ako su električna polja atoma dovoljno slaba da to dozvole. Tomsonov model je predvideo da su električna polja u atomu suviše slaba da bi mnogo uticala na alfa česticu koja prolazi (alfa čestice imaju tendenciju da se kreću veoma brzo). Negativna i pozitivna naelektrisanja unutar Tomsonovog atoma su raspoređena po celoj zapremini atoma. Prema Kulonovom zakonu, što je sfera električnog naboja manje koncentrisana, to će njeno električno polje na površini biti slabije.

Tomsonov model rasejanja alfa čestica

Levo: Da je Tomsonov model bio tačan, sve alfa čestice bi trebalo da prođu kroz foliju uz minimalno rasipanje.
Desno: Gajger i Marsden su primetili da je mali deo alfa čestica doživeo jak otklon.

Kao radni primer, razmotrite alfa česticu koja prolazi duž ivice atoma zlata, gde će iskusiti najjače električno polje i na taj način doživeti maksimalan otklon θ. Pošto su elektroni veoma laki u poređenju sa alfa česticom, njihov uticaj se može zanemariti, te se atom može posmatrati kao teška sfera pozitivnog naelektrisanja.

Q_g = pozitivno naelektrisanje atoma zlata = 6983126571942472999♠79 e = 6983126600000000000♠1,266×10⁻¹⁷ C

Q_α = naelektrisanje alfa čestice = 6981320435297400000♠2 e = 6981320400000000000♠3,204×10⁻¹⁹ C

r = poluprečnik atoma zlata = 6990144000000000000♠1,44×10⁻¹⁰ m

v = brzina alfa čestice = 7007153000000000000♠1,53×10⁷ m/s

m = masa alfa čestice = 6973664500000000000♠6,645×10⁻²⁷ kg

k = Kulonova konstanta = 7009899800000000000♠8,998×10⁹ N·m²/C²

Koristeći klasičnu fiziku, lateralna promena impulsa p_y alfa čestice može se aproksimirati korišćenjem impulsnog odnosa sila i izraza Kulonove sile:

$p_{y}={\bar {F}}t<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}$

$\tan \theta ={\frac {p_{y}}{p_{x}}}<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}=8.987\times 10^{9}\cdot {\frac {3.204\times 10^{-19}\times 1.266\times 10^{-17}}{(1.44\times 10^{-10})^{2}}}\cdot {\frac {2\times 1.44\times 10^{-10}}{1.53\times 10^{7}}}\cdot {\frac {1}{6.645\times 10^{-27}\times 1.53\times 10^{7}}}$

$\theta <0.000325~{\text{rad}}~({\text{or}}~0.0186^{\circ })$

Gornja kalkulacija je samo aproksimacija onoga što se dešava kada se alfa čestica približi Tomsonovom atomu, ali je jasno da će otklon najviše biti reda veličine malog dela stepena. Ako bi alfa čestica prošla kroz zlatnu foliju debljine oko 4 mikrometra (2.410 atoma) i doživjela maksimalan otklon u istom pravcu (malo verovatno), to bi i dalje bilo malo skretanje.

Ishod eksperimenata

Po Ruterfordovom nalogu, Gejger i Marsden su izveli seriju eksperimenata u kojima su usmerili snop alfa čestica na tanku metalnu foliju, i koristeći scintilacioni metod koji su osmislili Kruks, Elster i Gejtel izmerili obrazac rasejanja korišćenjem fluorescentnog ekrana. Primetili su alfa čestice koje se odbijaju od metalne folije u svim pravcima, neke tačno nazad kod izvora. Ovo bi trebalo da bude nemoguće prema Tomsonovom modelu; sve alfa čestice treba da prođu pravo. Očigledno, te čestice su naišle na elektrostatičku silu daleko veću nego što je Tomsonov model sugerisao. Štaviše, samo mali deo alfa čestica je skrenut za više od 90°. Većina je proletela pravo kroz foliju sa zanemarljivim otklonom.

Literatura

• Macura, Slobodan; Radić-Perić, Jelena (2004). Atomistika. Beograd: Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list. 
• „Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus”. American Institute of Physics. Arhivirano iz originala 24. 10. 2016. g. Pristupljeno 2014-10-23. 
• „HyperPhysics”. Georgia State University. Pristupljeno 2014-08-13. 
• „Geiger and Marsden”. Cavendish Laboratory. Arhivirano iz originala 2014-10-06. g. Pristupljeno 2014-07-23. 
• Daintith, John; Gjertsen, Derek (1999). A Dictionary of Scientists. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-280086-2. 
• Fowler, Michael. „Rutherford Scattering”. Lecture notes for Physics 252. University of Virginia. Pristupljeno 2014-07-23. 
• Geiger, Hans (1908). „On the Scattering of α-Particles by Matter”. Proceedings of the Royal Society of London A. 81 (546): 174—177. Bibcode:1908RSPSA..81..174G. doi:10.1098/rspa.1908.0067 . 
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). „On a Diffuse Reflection of the α-Particles”. Proceedings of the Royal Society of London A. 82 (557): 495—500. Bibcode:1909RSPSA..82..495G. doi:10.1098/rspa.1909.0054 . 
• Geiger, Hans (1910). „The Scattering of the α-Particles by Matter”. Proceedings of the Royal Society of London A. 83 (565): 492—504. Bibcode:1910RSPSA..83..492G. doi:10.1098/rspa.1910.0038 . 
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1913). „The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles” (PDF). Philosophical Magazine. Series 6. 25 (148): 604—623. doi:10.1080/14786440408634197. 
• Heilbron, John L. (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-512378-4. 
• Jewett, John W., Jr.; Serway, Raymond A. (2014). „Early Models of the Atom”. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (9th izd.). Brooks/Cole. str. 1299. 
• Manners, Joy (2000). Quantum Physics: An Introduction. CRC Press. ISBN 978-0-7503-0720-8. 
• Nagaoka, Hantaro (1904). „Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity”. Philosophical Magazine. Series 6. 7 (41): 445—455. doi:10.1080/14786440409463141. 
• Reeves, Richard (2008). A Force of Nature: The Frontier Genius of Ernest Rutherford. W. W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-07604-2. 
• Rutherford, Ernest (1911). „The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom”. Philosophical Magazine. Series 6. 21 (125): 669—688. doi:10.1080/14786440508637080. 
• Rutherford, Ernest (1912). „The origin of β and γ rays from radioactive substances”. Philosophical Magazine. Series 6. 24 (142): 453—462. doi:10.1080/14786441008637351. 
• Rutherford, Ernest; Nuttal, John Mitchell (1913). „Scattering of α-Particles by Gases”. Philosophical Magazine. Series 6. 26 (154): 702—712. doi:10.1080/14786441308635014. 
• Rutherford, Ernest (1914). „The Structure of the Atom”. Philosophical Magazine. Series 6. 27 (159): 488—498. doi:10.1080/14786440308635117. 
• Rutherford, Ernest; Ratcliffe, John A. (1938). „Forty Years of Physics”. Ur.: Needham, Joseph; Pagel, Walter. Background to Modern Science. Cambridge University Press. 
• Rutherford, Ernest (1913). Radioactive Substances and their Radiations. Cambridge University Press. 
• Thomson, Joseph J. (1904). „On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure”. Philosophical Magazine. Series 6. 7 (39): 237. doi:10.1080/14786440409463107. 
• Tibbetts, Gary (2007). How the Great Scientists Reasoned: The Scientific Method in Action. Elsevier. ISBN 978-0-12-398498-2. 
• Andrew G. van Melsen (1960) [First published 1952]. From Atomos to Atom: The History of the Concept Atom. Prevod: Henry J. Koren. Dover Publications. ISBN 0-486-49584-1. 
• J. P. Millington (1906). John Dalton. J. M. Dent & Co. (London); E. P. Dutton & Co. (New York). 
• Jaume Navarro (2012). A History of the Electron: J. J. and G. P. Thomson. Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00522-8. 
• Bernard Pullman (1998) The Atom in the History of Human Thought, trans. by Axel Reisinger. Oxford Univ. Press.
• Eric Scerri (2007) The Periodic Table, Its Story and Its Significance, Oxford University Press, New York.
• Charles Adolphe Wurtz (1881) The Atomic Theory, D. Appleton and Company, New York.
• Alan J. Rocke (1984) Chemical Atomism in the Nineteenth Century: From Dalton to Cannizzaro, Ohio State University Press, Columbus (open access full text at http://digital.case.edu/islandora/object/ksl%3Ax633gj985).

Spoljašnje veze

• Opis eksperimenta na sajtu cambridgephysics.org