Storia, descrizione e conclusioni dell'esperimento di Rutherford

Lui Esperimento di Rutherford, Effettuato tra il 1908 e il 1913, consisteva nel bombardare un sottile foglio d'oro di 0.0004 mm di spessore, con particelle alfa e analizzare il modello di dispersione che queste particelle hanno lasciato su uno schermo fluorescente.

In realtà, Rutherford ha condotto numerosi esperimenti, perfezionando sempre più i dettagli. Dopo aver analizzato attentamente i risultati, sono state rivelate due conclusioni molto importanti:

-Il carico positivo dell'atomo è concentrato in una regione chiamata nucleo.

-Questo nucleo atomico è incredibilmente piccolo rispetto alle dimensioni dell'atomo.

Figura 1. L'esperimento di Rutherford. Fonte: Wikimedia Commons. Kurzon [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0)]

Ernest Rutherford (1871-1937) era un fisico nato in Nuova Zelanda, il cui campo di interesse era la radioattività e la natura della materia. La radioattività era un recente fenomeno quando Rutherford iniziò i suoi esperimenti, era stato scoperto da Henri Bequerel nel 1896.

Nel 1907 Rutherford si trasferì all'Università di Manchester in Inghilterra per studiare la struttura dell'atomo, usando queste particelle alfa come sonde per esaminare l'interno di una struttura così piccola. I fisici Hans Geiger ed Ernest Marsden lo hanno accompagnato nel compito.

Hanno ospitato la speranza di vedere come una particella alfa, che è un atomo di elio ionizzato a doppio ionizzato, ha interagito con un unico atomo d'oro, per garantire che qualsiasi deviazione che ha sperimentato fosse dovuta solo alla forza elettrica.

Tuttavia, la maggior parte delle particelle alfa attraversò il foglio d'oro soffrendo solo una piccola deviazione.

Questo fatto era in totale accordo con il modello atomico di Thomson, tuttavia, con sorpresa dei ricercatori, una piccola percentuale di particelle alfa ha sperimentato una deviazione abbastanza notevole.

E una percentuale ancora più piccola di particelle è tornata, rimbalzando completamente all'indietro. Perché questi risultati inaspettati sono stati?

[TOC]

Descrizione e conclusioni dell'esperimento

In effetti, le particelle alfa che Rutherford usava come sonda, sono nuclei di elio e in quel momento era solo noto che queste particelle avevano una carica positiva. Oggi è noto che le particelle alfa sono composte da due protoni e due neutroni.

Le particelle di alfa e beta erano state identificate da Rutherford come due diversi tipi di radiazioni dall'uranio. Le particelle alfa, molto più massiccia dell'elettrone, hanno una carica elettrica positiva, mentre le particelle beta possono essere elettroni o positroni.

figura 2. Schema dettagliato dell'esperimento di Rutherford, Geiger e Marsden. Fonte: r. Cavaliere. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico. Pearson.

La Figura 2 mostra uno schema semplificato dell'esperimento. Il raggio di particelle alfa proviene da una fonte radioattiva. Geiger e Marsden hanno usato il gas radon come emettitore.

I blocchi di piombo sono stati usati per dirigere le radiazioni sul foglio d'oro e impedire loro di fermarsi direttamente allo schermo fluorescente. Il piombo è un materiale che assorbe le radiazioni.

Può servirti: centrioli: funzioni e caratteristiche

Quindi il raggio diretto, quindi, è stato influenzato su un sottile foglio d'oro e la maggior parte delle particelle si fa strada verso lo schermo fluorescente di solfato di zinco, dove hanno lasciato una piccola impronta leggera. Geiger era incaricato di contarli uno per uno, anche se poi hanno progettato un dispositivo che lo faceva.

Il fatto che alcune particelle abbiano sperimentato una piccola deflessione non ha sorpreso Rutherford, Geiger e Marsden. Dopotutto, nell'atomo ci sono cariche positive e negative che esercitano la forza sulle particelle alfa, ma poiché l'atomo è neutro, cosa che già sapevano, le deviazioni dovrebbero essere piccole.

La sorpresa dell'esperimento è che alcune particelle positive sono state rimbalzate quasi direttamente.

Conclusioni

Circa 1 su 8000 particelle di alfa ha sperimentato deflessione ad angoli superiori a 90º. Pochi, ma abbastanza per mettere in discussione alcune cose.

Il modello atomico di Boga era quello di Thomson's Pudin, ex professore di Rutherford presso il Cavendish Laboratory, ma si chiese se l'idea di un atomo senza nucleo e con gli elettroni incorporati come uvetta, era corretta.

Perché si scopre che questa grande deflessione delle particelle alfa e il fatto che alcuni sono in grado di tornare, può essere spiegata solo se un atomo ha un nucleo piccolo, pesante e positivo. Rutherford presumeva che solo le forze di attrazione elettrica e repulsione, come indicato dalla legge di Coulomb, fossero responsabili di qualsiasi deviazione.

Quando alcune delle particelle alfa si avvicinano direttamente al nucleo e poiché la forza elettrica varia con il quadrato inverso della distanza, sentono una repulsione che provoca loro la dispersione di grande angolo o la deviazione all'indietro.

Per garantire, Geiger e Marsden hanno sperimentato fogli di bombardamenti di diversi metalli, non solo oro, sebbene questo metallo fosse il più appropriato per la loro malleabilità, per creare fogli molto fini.

Quando ottiene risultati simili, Rutherford convinse che il carico positivo nell'atomo dovesse essere posizionato nel nucleo e non disperso nel suo intero volume, mentre Thomson postulava nel suo modello.

D'altra parte, come la stragrande maggioranza delle particelle alfa, è successo senza deviazione, il nucleo dovrebbe essere molto, molto piccolo rispetto alla dimensione atomica. Tuttavia, questo nucleo ha dovuto concentrare la maggior parte della massa dell'atomo.

Influenze nel modello atomico

I risultati sono stati molto sorpresi a Rutherford, che ha dichiarato in una conferenza a Cambridge: “... è come quando spari un proiettile di cannone da 15 pollici contro un foglio di carta di seta e il proiettile rimbalza direttamente a te e ti colpisce".

Può servirti: 10 funzioni del quadro teorico di un'indagine

Poiché questi risultati non potevano essere spiegati dal modello atomico di Thomson, Rutherford propose che l'atomo fosse costituito da un nucleo, molto piccolo, molto massiccio e caricato positivamente. Gli elettroni sono rimasti descrivendo le orbite intorno a loro, quale sistema di miniatura solare.

Figura 3. A sinistra il modello atomico di Rutherford e a destra il modello di tipo Buddin di Thomson. Fonte: Wikimedia Commons. Immagine a sinistra: JCYMC90 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

Questo è il modello nucleare dell'atomo mostrato nella Figura 3 a sinistra. Dato che anche gli elettroni sono molto, molto piccoli, si scopre che l'atomo è quasi tutto .. . vuoto! Pertanto, la maggior parte delle particelle alfa attraversa il foglio senza deviare.

E l'analogia con un sistema solare in miniatura ha molto successo. Il nucleo atomico svolge il ruolo del sole, contenente quasi l'intera massa più il carico positivo. Gli elettroni orbitano attorno a loro come i pianeti e portano il carico negativo. Il set è elettricamente neutro.

Informazioni sulla distribuzione di elettroni nell'atomo, l'esperimento di Rutherford non ha mostrato nulla. Si potrebbe pensare che le particelle alfa avrebbero avuto una certa interazione con loro, ma la massa di elettroni è troppo piccola e non era in grado di deviare significativamente le particelle.

Svantaggi nel modello Rutherford

Un problema con questo modello atomico era proprio il comportamento degli elettroni.

Se questi non fossero statici, ma orbitavano in orbita il nucleo atomico in orbite circolari o ellittiche, dirette dall'attrazione elettrica, finirebbero per correre verso il nucleo.

Questo perché gli elettroni accelerati stanno perdendo energia e, se ciò accade, sarebbe il crollo dell'atomo e della materia.

Fortunatamente questo non è quello che succede. C'è una sorta di stabilità dinamica che evita il collasso. Il prossimo modello atomico, dopo quello di Rutherford, era quello di Bohr, che ha dato alcune risposte al motivo per cui il crollo atomico non si verifica.

Il protone e il neutrone

Rutherford ha continuato a fare esperimenti di dispersione. Tra il 1917 e il 1918, lui e il suo assistente William Kay scelsero di bombardare.

Fu sorpreso di nuovo, quando rilevava i nuclei di idrogeno. Questa è l'equazione di reazione, la prima trasmutazione nucleare artificiale non ha mai raggiunto:

Bene, se le particelle alfa sono nuclei di elio, da dove provengono i nuclei di idrogeno?

La risposta è stata: dallo stesso azoto. Rutherford aveva assegnato all'idrogeno atomico numero 1, per essere l'elemento più semplice di tutti: un nucleo positivo e un elettrone negativo.

Rutherford aveva trovato una particella fondamentale che chiamava protone, un nome derivato dalla parola greca a Primo. In questo modo, il protone è un componente essenziale di ogni nucleo atomico.

Può servirti: volume

Più tardi, nel 1920, Rutherford propose che ci fosse una particella neutra e con una massa molto simile a quella del protone. Ha chiamato questa particella neutrone e fa parte di quasi tutti gli atomi noti. Il fisico James Chadwick lo identificò finalmente nel 1932.

Come è un modello di scala dell'atomo di idrogeno?

L'atomo di idrogeno è, come abbiamo detto, il più semplice di tutti. Tuttavia, non è stato facile elaborare un modello per questo atomo.

Le scoperte successive hanno dato origine alla fisica quantistica e un'intera teoria che descrive i fenomeni a livello atomico. Durante questo processo, anche il modello atomico si stava evolvendo. Ma vediamo un po 'la questione delle dimensioni:

L'atomo di idrogeno ha un nucleo composto da un protone (positivo) e ha un singolo elettrone (negativo).

Il raggio dell'atomo di idrogeno è stato stimato a 2.1 x 10^-10 m, mentre il protone è 0.85 x 10 ^-quindici  m o 0.85 femtometri. Il nome di questa piccola unità è dovuto a Enrico Fermi e viene utilizzato molto quando si lavora su questa scala.

Bene, il quoziente tra il raggio dell'atomo e quello del nucleo è dell'ordine di 10⁵ M, cioè l'atomo è 100.000 volte più grande del nucleo!.

Tuttavia, dobbiamo tenere presente che nel modello contemporaneo, basato sulla meccanica quantistica, l'elettrone coinvolge il nucleo in una sorta di nuvola chiamata orbitale (Un orbitale non è un'orbita) e l'elettrone, su scala atomica, non è puntuale.

Se l'atomo di idrogeno è ampiamente ampliato - alle dimensioni di un campo di calcio, allora il nucleo composto da un protone positivo avrebbe le dimensioni di una formica al centro del campo, mentre l'elettrone negativo sarebbe come una specie di fantasma, sparso in tutto il campo e circondare il nucleo positivo.

Il modello atomico oggi

Questo modello atomico "planetario" è molto radicato ed è l'immagine che la maggior parte delle persone ha dall'atomo, poiché è molto facile da visualizzare. Tuttavia, non è Il modello accettato oggi nel campo scientifico.

I modelli atomici contemporanei si basano sulla meccanica quantistica. Sottolinea che l'elettrone nell'atomo non è un piccolo punto con un carico negativo che segue orbite precise, come quelle immaginate da Rutherford.

Al contrario, l'elettrone è sparpagliato Nelle aree, intorno al nucleo positivo, chiamato Orbitali atomici. Da lui possiamo sapere probabilità incontrarsi in uno stato o nell'altro.

Nonostante ciò, il modello di Rutherford significava un enorme progresso nella conoscenza della struttura interiore dell'atomo. E hanno fatto irruzione nella strada per altri ricercatori di continuare a perfezionarlo.

Riferimenti

1. Andriessen, m. 2001. Corso HSC. Fisica 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, g. 1984. Fisica universitaria. Academic Press.
3. Cavaliere, r. 2017. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico. Pearson.
4. Fisica openlab. L'esperimento di Rutherford-Geiger-Marsden. Recuperato da: PhysicopenLab.org.
5. Rex, a. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
6. Tyson, t. 2013. L'esperimento di scattering di Rutherford. Recuperato da: 122.Fisica.Ucdavis.Edu.
7. Xaktly. Gli esperimenti di Rutherford. Recuperato da: xaktly.com.
8. Wikipedia. Esperimento di Rutherford. Recuperato da: è.Wikipedia.org.