The Rutherford Experiment and Its Prototypes

il Esperimento di Rutherford Permetteva a un gruppo di scienziati di scoprire che ogni atomo ha un nucleo con carica positiva.

Ernest Rutherford, era un fisico e chimico della Nuova Zelanda. Si concentrò sullo studio delle particelle radioattive e condusse diverse indagini che gli permisero di vincere il premio Nobel per la chimica nel 1908.

Sotto la direzione di Rutherford, Hans Geiger ed Ernest Marsden, hanno contribuito a creare il modello atomico, nei laboratori dell'Università di Manchester.

Una delle prime teorie atomiche esistenti è quella formulata da Thomson, lo scopritore dell'elettrone. Credeva che gli atomi fossero sfere con una carica positiva e che gli elettroni fossero distribuiti in esso.

La teoria di Thomson diceva che se una particella alfa si scontrasse con un atomo, questa particella passerebbe attraverso l'atomo. Questo sarebbe influenzato dal campo elettrico dell'atomo secondo questo modello.

In quel momento, protoni e neutroni non erano stati scoperti. Thomson non ha potuto provare la sua esistenza e il suo modello non è stato accettato dalla comunità scientifica.

Per dimostrare l'esistenza della teoria di Thomson, Rutherford, Geiger e Marsdend sperimentarono un bombardamento di particelle alfa, fatte con nuclei di gas elio, contro un foglio di metallo.

Se il modello Thomson funzionasse, le particelle avrebbero dovuto passare attraverso la lamiera senza alcuna deviazione.

Sviluppo dell'esperimento Rutherford

Primo prototipo

Il primo prototipo di progetto dell'esperimento, realizzato nel 1908, fu spiegato da Geiger in un articolo intitolatoInformazioni sulla dispersione di particelle per materia.

Costruirono un tubo di vetro lungo quasi due metri, a un'estremità c'era una sorgente radio e all'estremità opposta era posto uno schermo fosforescente. Nel mezzo del tubo, è stata collocata una sorta di imbuto per far passare le particelle alfa attraverso di esso.

Il processo seguito è stato quello di passare le particelle alfa attraverso la fessura in modo da proiettare il fascio di luce sullo schermo fosforescente.

Pompando tutta l'aria dal tubo, l'immagine ottenuta era chiara e corrispondeva all'apertura al centro del tubo. Quando la quantità di aria nel tubo è stata abbassata, l'immagine è diventata più diffusa.

Successivamente, per vedere quale traiettoria seguì le particelle se colpivano qualcosa o la attraversavano, come sosteneva la teoria di Thomson, una foglia d'oro fu inserita nella fessura.

Questo ha dimostrato che l'aria e i solidi hanno causato una dispersione delle particelle che si rifletteva sullo schermo fosforescente con immagini più diffuse.

Il problema con questo primo prototipo è che mostrava solo il risultato della dispersione, ma non la traiettoria seguita dalle particelle alfa.

Secondo prototipo

Geiger e Marsden pubblicarono un articolo nel 1909 in cui spiegarono un esperimento per dimostrare il movimento delle particelle alfa.

In una riflessione diffusa di particelle alfa Si spiega che l'esperimento mira a scoprire che le particelle si muovono ad angoli di oltre 90 gradi.

Hanno creato un secondo prototipo per l'esperimento, in cui è stato creato un contenitore di vetro con una forma conica. Montarono una piastra di piombo, così che le particelle alfa entrarono in collisione con esso, e per vedere la sua dispersione, una piastra fluorescente fu posta dietro di essa.

Il problema con la configurazione di questo dispositivo è che le particelle hanno evitato la piastra di piombo, rimbalzando sulle molecole d'aria.

Hanno testato mettendo un foglio di metallo e visto sullo schermo fluorescente che c'erano più colpi dalle particelle.

È stato dimostrato che i metalli che avevano una massa atomica più alta riflettevano più particelle, ma Geiger e Masden volevano conoscere il numero esatto di particelle. Ma l'esperimento con radio e materiali radioattivi non potrebbe essere esatto.

Terzo prototipo

L'articolo La dispersione di particelle α per materia del 1910 spiega il terzo esperimento progettato da Geiger. Qui era già focalizzato sulla misurazione dell'angolo di dispersione delle particelle, a seconda del materiale con cui vengono a contatto.

Questa volta, il tubo era a tenuta stagna e il mercurio pompava il radon 222 sullo schermo fluorescente. Con l'aiuto del microscopio venivano contati i flash che apparivano sullo schermo fluorescente.

Sono stati calcolati gli angoli seguiti dalle particelle e sono state raggiunte conclusioni in cui gli angoli di deflessione aumentano con la maggiore massa atomica del materiale e che è anche proporzionale alla massa atomica della sostanza.

Tuttavia, l'angolo di deflessione più probabile diminuisce con la velocità e la probabilità che devia di oltre 90 gradi è trascurabile.

Con i risultati ottenuti in questo prototipo, Rutherford calcolò matematicamente il modello di dispersione.

Attraverso un'equazione matematica, è stato calcolato come il foglio dovrebbe disperdere le particelle, supponendo che l'atomo abbia la carica elettrica positiva al suo centro. Anche se quest'ultimo è stato considerato solo un'ipotesi.

L'equazione sviluppata era così:

Dove, s = il numero di particelle alfa che cadono sull'area unitaria con un angolo di deflessione Φ

• r = la distanza del punto di incidenza dei raggi alfa sul materiale di dispersione
• X = il numero totale di particelle che cadono sul materiale di dispersione
• n = il numero di atomi in un volume unitario del materiale
• t = lo spessore del foglio
• Qn = la carica positiva del nucleo atomico
• Qα = la carica positiva delle particelle alfa
• m = la massa di una particella alfa
• v = la velocità della particella alfa

Prototipo finale

Con il modello delle equazioni di Rutherford, è stato tentato un esperimento per dimostrare ciò che veniva postulato e che gli atomi avevano un nucleo con carica positiva.

L'equazione progettata prevedeva che il numero di scintillazioni al minuto (s) da osservare ad un dato angolo (Φ) dovrebbe essere proporzionale a:

• csc⁴Φ/2
• Spessore del foglio
• grandezza del carico centrale Qn
• 1 / (mv²)²

Per dimostrare queste quattro ipotesi, vengono creati quattro esperimenti, che sono spiegati dall'articolo Le leggi della deflessione delle particelle α per grandi angoli del 1913.

Per testare l'effetto proporzionale a csc⁴Φ / 2, ha costruito un cilindro sopra un giradischi, su una colonna.

La colonna che pompava l'aria e il microscopio coperto da uno schermo fluorescente consentiva di osservare le particelle che deviavano fino a 150 °, con ciò che era stata dimostrata l'ipotesi di Rutherford.

Per verificare l'ipotesi dello spessore del foglio, montare un disco con 6 fori coperti con fogli di spessore variabile. È stato osservato che il numero di lampi era proporzionale allo spessore.

Hanno riutilizzato il disco dell'esperimento precedente per misurare il pattern di dispersione, assumendo che il carico del nucleo fosse proporzionale al peso atomico, hanno misurato se la dispersione fosse proporzionale al peso atomico al quadrato.

Con i lampi ottenuti, divisi per l'equivalente dell'aria, e quindi divisi per la radice quadrata del peso atomico, hanno scoperto che le proporzioni erano simili

E infine, con lo stesso disco dell'esperimento, stavano posizionando più dischi di mica per ritardare le particelle, e con un intervallo di errore accettabile, hanno dimostrato che il numero di scintillazioni era proporzionale a 1 / v⁴, come aveva previsto Rutherford nel suo modello.

Attraverso gli esperimenti hanno dimostrato che tutte le ipotesi di Rutherford sono state soddisfatte in un modo che ha determinato il modello atomico di Rutherford. In questo modello, finalmente pubblicato nel 1917, si ipotizza che gli atomi abbiano un nucleo centrale con carica positiva.

Se il nucleo centrale dell'atomo è quello con la carica positiva, il resto dell'atomo sarà vuoto con gli elettroni che orbitano attorno ad esso.

Con questo modello è stato dimostrato che gli atomi hanno una carica neutra e che la carica positiva trovata nel nucleo è neutralizzata dallo stesso numero di elettroni che orbitano attorno ad esso.

Se rimuoviamo gli elettroni dall'atomo, avranno una carica positiva. Gli atomi sono stabili, poiché la forza centrifuga è uguale alla forza elettrica, mantenendo gli elettroni in posizione

riferimenti

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