Transcript: Experimentul Rutherford. Modelul planetar al atomului.

În cea de-a doua lecție de fizică atomică
vom discuta despre experimentul Rutherford
și despre modelul planetar al atomului
ce rezultă din acest experiment.
Rutherford și-a propus studierea structurii interne
a atomilor prin împrăștierea
unui fascicul de particule încărcate electric
pe acești atomi și măsurarea
proprietăților acestor particule după împrăștiere,
adică după interacția cu atom.
Înainte de a trece la dispozitivul experimental
să sublineez un fapt și anume că, bineînțeles,
până la Rutherford nu se știa nimic despre
structura interne a atomilor, se știa doar că acești atomi există.
În concluzie, ar fi
folositor dacă și dumneavoastră
îți face abstracție de tot ceea ce știți
deja despre structura atomilor
pentru a înțelege modul în care Rutherford a procedat.
Deci, să discutăm dispozitivul experimental.
Primul lucru de care avea nevoie Rutherford era
acest fascicul de particule încărcate.
El a folosit o sursă
de particule alfa,
care sunt nuclee de heliu,
ce au sarcina electrică plus 2,
două sarcini electrice elementare.
Deci a folosit ca sursă
radiu radioactiv.
Acest atom
sau acest nucleu este
instabil și se dezintegrează
după un anumit timp, producând
aceste fascicule de particule alfa,
care au viteză mare, aproximativ
viteza medie este aproximativ 1,6
ori 10 la 7 m pe secundă,
care este aproximativ 5%
din viteza lumii.
Apoi, bineînțeles, a doua parte
a experimentului sunt atomii, adică
o substanță, avea nevoie de o substanță
către care să îndrepte acest fascicul de particule.
El a folosit, deci ca țintă
a fascicului de particule, o fuiță de aur
foarte subțire, 5 ori 10 la minus 7 m
sau, dacă doriți,
0,5 micrometri.
Deci, pentru a
desena
schematic,
Rutherford a avut o sursă
formată din atom de radiu radioactiv
pe care a închis-o
într-o încintă din plumb
cu un mic oreficius. A folosit plumb pentru că
plumbul este foarte eficient
în a opri aceste particule alfa.
Bineînțeles, a lăsat un orificiu pentru a
produce acest fascicul. Deci, prin orificiu
a obținut fasciculul
de particule alfa.
Deci, acesta este
schematic reprezentat, fasciculul
de particule alfa, care sunt, după cum am spus,
nuclee de heliu
care are sarcina plus 2.
Acest fascicul
intersecta o foiță de aur foarte subțire
și, în felul acesta,
interacționa cu atomii din interior și era
împrăștiat pe el. Pentru a măsura
aceste particule alfa
împrăștiate, Rutherford
și colaboratorii săi
a folosit un detector
de particule alfa.
Deci, a treia componentă
a experimentului este un ecran
florescent care
înconjoară complet ținta,
exceptând un orificiu prin care intră fasciculul
de particule, care măsura
particule alfa împrăștiate pe foița de aur.
Și, în fine, întregul
dispozitiv experimental se afla
într-o încintă vidată pentru a
evita interacția
dintre fasciculul de particule alfa și atomii
din aer,
care ar fi produs
un semnal nedorit.
Rezultatele acestui experiment.
În primul rând,
s-a observat că aproape toate,
dar nu chiar toate, particule alfa
traversează foița fără deviere. Asta înseamnă că
aproape toate particulele
alfa împrăștiate ajung
în ecranul florescent în prelungirea
razei incidente, fără devier.
Al doilea rezultat. Există totuși
o foarte mică fracție,
o particulă alfa din 10.000
totuși suferă împrăștieri. Asta înseamnă
că în ecranul florescent este detectată la
un unghi, să-l numim theta,
mai mare decât zero.
Al treilea rezultat este că
dintre aceste particule puține
care suferă împrăștieri,
o mare fracție sunt împrăștiate
la 180 de grade. Deci dintre particulele
care au theta mai mare decât zero,
o mare parte au theta foarte aproape
de 180 de grade. Deci sunt împrăștiate
în direcția opusă
fascicolului incident.
Și în fine, al patrulea rezultat este că
această fracție
a particulor împrăștiate, deci această fracție,
crește cu grosimea foiței.
Deci dacă grosimea foiței este crescută
atunci din ce în ce mai multe particule au theta
mai mare decât zero și de asemeni dacă
înlocuim foița de aur cu foițe din alte
metale care au
masă atomică mai mare, atunci
de asemeni această fracție crește.
Haideți să discutăm acum despre
concluziile ce pot fi trase din
aceste patru rezultate experimentale.
În primul rând, din primele două
rezultate experimentale și
din faptul pe care îl voi explica imediat
că foița are sute, are multe
straturi de atomi de ordinul sutelor
rezultă că atomii constau
sau sunt
formați în cea mai mare parte din spațiu gol.
Haideți să explicăm
de unde rezultă acest lucru.
Să calculăm aproximativ
numărul de straturi de atom din foiță.
Dacă luăm densitatea aurului
ca fiind egală
cu 2 ori 10
la 4 kg pe m3
și apoi masa
unui atom de aur
care este bineînțeles prin definiție
a valoarea masei atomice
mulțită cu masa unei unități atomice
de masă.
Deci aproximativ egală cu 3,3
ori 10
la minus 25 kg.
Din aceste două
valori putem calcula imediat volumul
volumul mediu al unui atom de aur
ca fiind masa împărțită
la densitate
și deci egal cu
1,65
ori 10 la minus 29
m3. Deci acesta ar fi volumul mediu
pe care un atom
indiferent de ce înseamnă acest atom de aur
dar acesta ar trebui să fie volumului mediu.
De aici putem calcula imediat raza
medie a unui atom
deoarece volumul este 4p3
pi r cub
deci aproximăm atomul ca având
o formă sferică
și atunci volumul unei sfere este legat de raza lui prin această
formulă geometrică și deci obținem că
raza medie a unui
atom de aur ar trebui să fie
în jur de 1,6 ori 10
la minus 10 m.
Bineînțeles, în acest calcul
suntem interesați doar în valorile aproximative
pentru a calcula un număr aproximativ
de straturi de atom.
Și acum suntem gata să facem acest calcul
deoarece știm că grosimea foiței de aur
în experimentul lui Rutherford, după cum am spus
era 5 ori 10 la minus 7 m.
Numărul de
straturi de atom ar trebui să fie egală
cu grosimea foiței împărțită
la dimensiunea unui atom
sau, dacă vreți, la diametrul lui care ar fi
de două ori raza. Deci numărul aproximativ
de straturi de atom din foița lui Rutherford
ar trebui să fie 5 ori 10
la minus 7 împărțit la
3,2 ori
10 la minus 10.
Făcând acest calcul rezultă că ar trebui să fie
undeva la 1560
de straturi de atom.
Bineînțeles, acesta nu este un număr fix
un calcul precis
dar ne dă un ordin de mărime
al numărului de straturi de atom prin care
fascicul de particule alfa trebuie să treacă.
Deci, situația e în felul următor. Avem un fascicul
de particule alfa cu sarcina
plus 2e care intră într-un
material, o foiță de aur care are
straturi de atom. Nu știm ce sunt acești atomi
dar știm că numărul de straturi este
foarte mare. 1500 aproximativ de
astfel de straturi.
Dacă ne gândim la primele două rezultate
experimentale și anume că aproape toate
particulele alfa cu sarcină
electrică trec prin 1500 de straturi
fără să li se întâmple nimic. Singura concluzie
pe care o putem trage este
că acești atomi ce formează aceste straturi
sunt în cea mai mare parte spațiul gol.
Numai în felul acesta particule alfa
ar putea trece aproape toate nedeviate.
Deci, o astfel de linie care e un strat
de atomi este de fapt în cea mai mare parte
goală numai din
punct în punct, din loc în loc apărând
câte o sarcină
electrică care
se interacționeze cu particule alfa.
Cele ultimele două
concluzii, trei și patru,
ne spun că în centrul atomului se concentrează
toată masa lui care e încărcată cu o sarcină
pozitivă proporțională cu masa atomică. De ce
putem trage această concluzie? Haideți să desenăm schematic.
Deci, ceea ce se întâmplă este că
o particulă alfa care are
sarcina plus 2
în cea mai mare parte a timpului
trece nedeviată.
99,99% din aceste
particule alfa trec
nedeviate. Totuși, la un moment dat
o mică fracție din ele încep
să simtă interacție. Asta înseamnă că foarte rar
într-un strat de
atomi, foarte rar
va apărea o sarcină electrică.
La un moment dat va apărea o sarcină electrică
mare. Notăm
sarcina electrică cu Z
La un moment dat apare această sarcină electrică
și particule alfa sunt împrăștiate.
Deci, aceasta este altă particulă alfa.
Dar această sarcină trebuie să
densitatea acestor sarcini trebuie să fie
foarte mică într-un strat de atomi pentru că
99,99% nu simt nimic.
De asemenea, există
o fracție și aceasta
care se ciocnesc ca de un perete la un moment dat.
Deci se întorc la 180 de grade.
Acesta este rezultatul 3.
Rezultatul 3 ne spune că există
o fracție foarte mică de particule alfa
care se întorc înapoi. Asta înseamnă
două lucruri. Că în momentul în care ele
întâlnesc totuși această sarcină
electrică a atomului, ea este
concentrată, este punctiformă, este
masivă și este pozitivă.
De ce este pozitivă? Pentru că
pentru a se întoarce o sarcină pozitivă
trebuie să întâlnească tot o sarcină pozitivă.
Și este masivă pentru că
pentru că atomii, structura
făiței de aur rămâne în mare nemodificată.
Dacă masa sarcinii
atomului cu care particula alfa
interacționează ar fi comparabilă cu cea
a particulei alfa, atunci particula alfa
ar dislocau. Deci trebuie să fie
această sarcină, trebuie să fie punctiformă
pozitivă, mare în valoare
ca sarcină și de asemeni mare ca și masă.
De aici, Rutherford
a tras concluziile lui în legătură cu
cum trebuie să arate structura internă
a atomului și a formulat așa numitul
model planetar al atomului.
În care el a sesizat
o similaritate foarte mare
între structura atomului și structura sistemului
solar. Mai exact, a tras
concluzia că în centrul atomului
trebuie să se afle o particulă
un corp
punctiform, foarte mic dar
cu masă și sarcină
numit nucleu.
Deci, în centrul
atomului se află un nucleu care
concentrează aproape toată masa
atomului.
Are dimensiuni mult mai mici
decât atomul și este încărcat
cu o sarcină pozitivă care
crește cu masa atomului. Aceasta este
al patrulea rezultat experimental unde am văzut
că numărul de particule alfa întoarse înapoi
la 180 de grade crește pe măsură
ce foițele de metal
conțin atom cu masă mai mare. Deci prima
concluzie rezultă din faptul
că 99% dintre
particule trec nedeviate.
Deci, acest nucleu
care este singurul capabil
să interacționeze cu
particule alfa trebuie să fie
foarte mic în centrul atomului.
De asemenea, tot de aici în acest raționament
rezultă că dimensiunile acestui atom trebuie să fie
foarte mici. Un atom este
în principal gol
nucleul fiind foarte mic în centrul lui
și de asemenea trebuie să aibă o sarcină pozitivă
pentru a putea întoarce
particule alfa. Dacă ar avea sarcină negativă
din contră le ar reaccelera.
Nu le ar întoarce în sens opus.
De asemenea, se știa că
atomii conțin electronii. Și deci, electronii
se comportă în atom ca și planetele
sistemului solar. Adică,
au o masă neglijabilă.
Au o masă foarte mică în comparație cu masa
atomului.
Aceasta este complementarul concluziei 1
despre nucleu.
Sunt încărcați cu o sarcină
negativă. Aceasta se știa
deja despre electronii că au o sarcină negativă.
Și că numărul lor trebuie să fie egal
cu sarcina nucleului.
Aceasta deoarece atomul e neutru.
Deci, pentru a obține o sarcină totală zero
trebuie și, deoarece electronii au sarcina
minus 1, atunci numărul lor
trebuie să fie egal cu sarcina nucleului, care este 1 singură.
Și, în fine, acest
sistem atomic este
menținut într-o stare de echilibru
prin faptul că forța electrostatică
de atracție dintre nucleul pozitiv și electronii
negativi se comportă ca o forță gravitacională.
Adică, este egală cu forța
centrifugă. Deci, avem o
atracție electrostatică centripetă între electron și nucleu
și, deoarece electronii
se află pe o traiectorie circulară
în jurul nucleului, vom avea o repulsie centrifugă.
Orice corp
care se află în mișcare circulară este supus
unei forțe centrifugale egală cu
mv²Pr.
Egalitatea dintre aceste două forțe
ducând la stabilitatea traiectoriei electronului.
Acest model planetar al atomului
deși a fost un pas foarte mare
în înțelegerea structurii atomului
și un succes. Experimentul Rutherford a fost
un succes al fizicii, fiind un pas
important și major în înțelegerea
structurii atomului, totuși îl avea
o problemă fundamentală, pe care o voi
menționa imediat, peste care
nu se putea trece și care spunea că el este
în cel mai bun caz incomplet.
Acest model al atomului. Această problemă majoră
provenea din electromagnetism.
Deoarece acesta cere ca electronii
să emită continuu unde electromagneticii
cu aceeași frecvență ca cea de rotație.
Deci electromagnetismul spune că
o sarcină electrică care se află
în mișcare pe o traiectorie curbit linie
deci are o accelerație, emite radiație
electromagnetică, deci pierde energie.
Aceasta este o problemă fundamentală
pentru că înseamnă că
conform electromagnetismului
1. Electronii ar trebui să pierdă
continuu energie pentru că ar trebui
să radieze această radiație electromagnetică
deci în final electronii modelului Rutherford
pentru atom ar trebui să cadă
pe nucleu, deci acest model
al atomilor este instabil.
Atomii sunt instabili, electronii emit
trebuie să emite energie, deci
trebuie să piardă energie, deci trebuie să cadă pe nucleu.
Ceea ce știm, bineînțeles, că nu se întâmplă.
De asemeni, după cum am vorbit în lecția trecută, știm
că spectrele atomice sunt discrete.
Avem linii și benzii, pe când
radiație electromagnetică emisă de acești electroni
conform teoriei electromagnetismului clasic, este continuă.
Deci, modelul planetar al atomului
al lui Rutherford prezice că spectrele atomici
sunt toate continui, pe când experimentul
arată că ele, de fapt, sunt discrete.
Deci, modelul Rutherford
a fost, în concluzie, un pas major
în direcția înțelegerii
structurii atomilor, dar este
incomplet, pentru că, de fapt,
combinat cu teoria electromagnetismului
aplicată, mișcării electronilor
duce la concluzii care știm că sunt greșite.