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.