הניסוי של רתרפורד: היסטוריה, תיאור ומסקנות - מַדָע - 2025

הניסוי רתרפורד , שבוצע בין 1908 ו 1913 כלל להפציץ סרט זהב דק של 0.0004 מ"מ עובי, עם אלפא חלקיקים ולנתח את דפוס הפיזור של חלקיקים אמרו עזבו על מסך ניאון.

למעשה, רתרפורד ערכה ניסויים רבים, ושכללה את הפרטים יותר ויותר. לאחר ניתוח קפדני של התוצאות, עלו שתי מסקנות חשובות מאוד:

המטען החיובי של האטום מרוכז באזור שנקרא הגרעין.

-גרעין אטומי זה קטן להפליא בהשוואה לגודל האטום.

איור 1. הניסוי של רתרפורד. מקור: Wikimedia Commons. קורזון

ארנסט רתרפורד (1871-1937) היה פיזיקאי יליד ניו זילנד שתחום העניין שלו היה רדיואקטיביות ואופי החומר. הרדיואקטיביות הייתה תופעה אחרונה כאשר רתרפורד החל את הניסויים שלו, הוא התגלה על ידי אנרי בקרל בשנת 1896.

בשנת 1907 הלך רתרפורד לאוניברסיטת מנצ'סטר באנגליה כדי לחקור את מבנה האטום, תוך שימוש בחלקיקי האלפא האלה כאל בדיקות להציץ בתוך מבנה כה זעיר. הפיזיקאים האנס גייגר וארנסט מרסדן ליוו אותו במשימה.

הם קיוו לראות כיצד חלקיק אלפא, שהוא אטום הליום מיונן כפול, יתקשר עם אטום זהב בודד, כדי לוודא שכל סטייה שחוותה נבעה אך ורק מכוח חשמלי.

עם זאת, מרבית חלקיקי האלפא עברו ברדיד הזהב רק עם סטייה קלה.

עובדה זו הייתה בהסכמה מוחלטת עם המודל האטומי של תומסון, אולם, להפתעת החוקרים, אחוז קטן מחלקיקי האלפא חווה סטייה מדהימה למדי.

ואחוז קטן עוד יותר של חלקיקים יחזור, קופץ לגמרי בחזרה. מה נבעו התוצאות הבלתי צפויות הללו?

תיאור ומסקנות הניסוי

למעשה, חלקיקי האלפא שבהם השתמשה רתרפורד כחלל הם גרעיני הליום, ובאותה תקופה היה ידוע רק כי החלקיקים הללו היו טעונים באופן חיובי. כיום ידוע שחלקיקי אלפא מורכבים משני פרוטונים ושני נויטרונים.

חלקיקי אלפא וחלקיקי בטא זוהו על ידי רתרפורד כשני סוגים שונים של קרינה מאורניום. לחלקיקי אלפא, מסיביים בהרבה מהאלקטרון, יש מטען חשמלי חיובי, בעוד שחלקיקי בטא יכולים להיות אלקטרונים או פוזיטרון.

איור 2. תרשים מפורט של הניסוי Rutherford, Geiger and Marsden. מקור: ר. נייט. פיזיקה למדענים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.

תרשים מפושט של הניסוי מוצג באיור 2. קרן חלקיקי האלפא מגיעה ממקור רדיואקטיבי. גייגר ומרסדן השתמשו בגז הראדון כפולט.

בלוקים העופרת שימשו להפניית הקרינה לכיוון נייר הזהב ולמניעת מעבר ישירות למסך הניאון. עופרת היא חומר הסופג קרינה.

בהמשך, הקורה מכוונת כך, נועדה להכות על נייר זהב דק ורוב החלקיקים המשיכו בדרכם למסך האבץ הגופרי הניאון, שם הם השאירו עקבות קלים. גייגר היה אחראי על ספירתם בזה אחר זה, אם כי לימים תכננו מכשיר שעשה זאת.

העובדה שחלק מהחלקיקים עברו סטיה קטנה לא הפתיעה את רות'רפורד, גייגר ומרסדן. אחרי הכל, ישנם מטענים חיוביים ושליליים על האטום שמפעילים כוחות על חלקיקי האלפא, אך מכיוון שהאטום הוא ניטרלי, שהם כבר ידעו, החריגות היו צריכות להיות קטנות.

הפתעת הניסוי היא שכמה חלקיקים חיוביים הוקפצו כמעט ישירות בחזרה.

מסקנות

בערך 1 מכל 8000 חלקיקי אלפא חוו סטיה בזוויות הגדולות מ- 90 מעלות. מעטים, אך מספיקים להטיל ספק בכמה דברים.

המודל האטומי באופנה היה זה של פודינג צימוקים של תומסון, הפרופסור לשעבר של רתרפורד במעבדת Cavendish, אך רות'רפורד תהה אם הרעיון של אטום ללא גרעין ועם אלקטרונים משובצים כצימוקים, היה נכון.

מכיוון שמתברר כי הסטיות גדולות אלה של חלקיקי אלפא, והעובדה כי מעטים מסוגלים לחזור, ניתן להסביר רק אם לאטום יש גרעין קטן, כבד וחיובי. רות'רפורד הניח שרק הכוחות האטרקטיביים והדוחים החשמליים, כפי שעולה מחוק קולומב, אחראים לכל סטייה.

כאשר חלק מחלקיקי האלפא מתקרבים ישירות לעבר גרעין זה ומכיוון שהכוח החשמלי משתנה עם הריבוע ההפוך של המרחק, הם חשים דחייה הגורמת להם לפיזור הזווית הרחבה או הסטייה לאחור.

מה שבטוח גייגר ומרסדן התנסו בהפצצות יריעות של מתכות שונות, ולא סתם זהב, אף על פי שהמתכת הזו הייתה המתאימה ביותר לניתוח שלה, כדי ליצור יריעות דקות מאוד.

על ידי השגת תוצאות דומות, רות'רפורד היה משוכנע כי המטען החיובי על האטום צריך להיות ממוקם בגרעין, ולא להתפזר בכל נפחו, כפי שכתב תומסון במודל שלו.

מצד שני, מכיוון שהרוב המכריע של חלקיקי האלפא עברו ללא סטייה, הגרעין היה צריך להיות קטן מאוד מאוד בהשוואה לגודל האטומי. עם זאת, גרעין זה היה צריך לרכז את מרבית מסת האטום.

השפעות על דגם האטום

התוצאות הפתיעו מאוד את רתרפורד, שהצהיר בכנס בקיימברידג ': "… זה כמו כשאתה יורה כדור תותח בגודל 15 אינץ' על דף נייר טישו והטיל מקפיץ ישירות לעברך ופוגע בך".

מכיוון שלא ניתן היה להסביר תוצאות אלה על ידי המודל האטומי של תומסון, רות'רפורד הציע כי האטום מורכב מגרעין, קטן מאוד, מסיבי מאוד וטעון חיובי. האלקטרונים נשארו במסלוליו סביבו, כמו מערכת סולארית מיניאטורית.

איור 3. איור 3. המודל האטומי של רתרפורד משמאל ומודל פודינג הצימוקים של תומסון מימין. מקור: Wikimedia Commons. תמונה שמאל: Jcymc90

זה מה שעוסק במודל הגרעיני של האטום שמוצג באיור 3 משמאל. מכיוון שאלקטרונים הם מאוד מאוד קטנים, מסתבר שהאטום הוא כמעט הכל…. ריק! לפיכך, מרבית חלקיקי האלפא עוברים בגיליון שכמעט ולא הוסט.

והאנלוגיה למערכת סולארית מיניאטורית מדויקת מאוד. הגרעין האטומי ממלא את תפקיד השמש, מכיל כמעט את כל המסה בתוספת המטען החיובי. אלקטרונים מסתובבים סביבם כמו כוכבי לכת ונושאים מטען שלילי. המכלול ניטרלי חשמלי.

על התפלגות האלקטרונים באטום, הניסוי של רתרפורד לא הראה דבר. אפשר לחשוב שלחלקיקי האלפא תהיה אינטראקציה מסוימת איתם, אך מסת האלקטרונים קטנה מדי והם לא הצליחו לנטות את החלקיקים בצורה משמעותית.

חסרונות של דגם רתרפורד

בעיה אחת במודל האטומי הזה הייתה בדיוק התנהגות האלקטרונים.

אם אלה לא היו סטטיים, אלא מקיפים את הגרעין האטומי במסלול מעגלי או אליפטי, מונע על ידי משיכה חשמלית, הם היו בסופו של דבר ממהרים לעבר הגרעין.

הסיבה לכך היא שהאלקטרונים המואצים מאבדים אנרגיה, ואם זה יקרה, זו תהיה התמוטטות האטום והחומר.

למרבה המזל זה לא מה שקורה. יש סוג של יציבות דינמית המונעת קריסה. המודל האטומי הבא, אחרי רות'רפורד, היה זה של בוהר, שנתן תשובות מסוימות מדוע קריסה אטומית לא מתרחשת.

הפרוטון והנויטרון

רתרפורד המשיכה לעשות ניסויי פיזור. בין 1917 ל -1918 בחרו הוא ועוזרו וויליאם קיי להפגיז אטומי חנקן גזים עם חלקיקי האלפא האנרגטיים ביותר מביסמוט -214.

הוא הופתע שוב, כשזהה גרעיני מימן. זו המשוואה של התגובה, ההעברה הגרעינית המלאכותית הראשונה שהושגה אי פעם:

התשובה הייתה: מאותו חנקן. רתרפורד הקצה למימן את האטום מספר 1, מכיוון שהוא היסוד הפשוט ביותר מכולם: גרעין חיובי ואלקטרון שלילי.

רות'רפורד מצא חלקיק מהותי שכינה פרוטון, שם שמקורו במילה היוונית לראשונה. בדרך זו הפרוטון הוא מרכיב חיוני של כל גרעין אטומי.

מאוחר יותר, בסביבות 1920, הציע רתרפורד שיהיה צורך בחלקיק נייטרלי בעל מסה דומה מאוד לזו של הפרוטון. הוא כינה את החלקיק הזה נויטרון וזה חלק כמעט מכל האטומים הידועים. הפיזיקאי ג'יימס צ'אדוויק זיהה אותו סוף סוף בשנת 1932.

איך נראה מודל בקנה מידה של אטום המימן?

אטום המימן הוא, כאמור, הפשוט מכולם. עם זאת, לא היה קל לפתח מודל לאטום זה.

תגליות רצופות הולידו פיזיקה קוונטית ותיאוריה שלמה המתארת ​​תופעות בקנה מידה אטומי. במהלך תהליך זה התפתח גם המודל האטומי. אבל בואו נסתכל על שאלת הגדלים:

לאטום המימן גרעין המורכב מפרוטון אחד (חיובי) ויש לו אלקטרון יחיד (שלילי).

רדיוס אטום המימן הוערך ב 2.1 - 10 - ¹⁰ מ ', בעוד שפרוטון הוא 0.85 על 10 - ¹⁵ מ' או 0.85 פמטומטר. שמה של היחידה הקטנה הזו נובע מאנדריקו פרמי ומשמש בה הרבה כשאתה עובד בקנה מידה זה.

ובכן, המרכיב בין רדיוס האטום לזה של הגרעין הוא בסדר גודל של 10 ⁵ מ ', כלומר האטום גדול פי 100,000 מהגרעין!

עם זאת, יש לזכור כי במודל העכשווי, המבוסס על מכניקת הקוונטים, האלקטרון עוטף את הגרעין במעין ענן המכונה מסלול (מסלול אינו מסלול) והאלקטרון, בקנה מידה אטומי, אינו דייקן.

אם אטום המימן היה מוגדל - כיד הדמיון - לגודל מגרש כדורגל, אז הגרעין המורכב מפרוטון חיובי יהיה בגודל של נמלה במרכז השדה, ואילו האלקטרון השלילי היה כמו סוג של רוח רפאים, הפזורים ברחבי השדה וסובבים את הגרעין החיובי.

המודל האטומי כיום

מודל אטומי "מסוג פלנטרי" זה טבוע מאוד והוא הדימוי שיש לרוב האנשים של האטום, מכיוון שקל מאוד להמחיש. עם זאת, זה לא המודל המקובל כיום בתחום המדעי.

מודלים אטומיים עכשוויים מבוססים על מכניקת הקוונטים. היא מציינת שהאלקטרון באטום אינו נקודה טעונה שלילית העוקבת אחר מסלול מדויק, כפי שראתה רות'רפורד.

במקום זאת, האלקטרון מפוזר באזורים סביב הגרעין החיובי, הנקראים אורביטלים אטומיים. ממנו אנו יכולים לדעת את ההסתברות להיות במצב כזה או אחר.

למרות זאת, המודל של רתרפורד ייצג התקדמות עצומה בידע של המבנה הפנימי של האטום. וזה סלל את הדרך לעוד חוקרים להמשיך ולשפר אותו.

הפניות

1. Andriessen, M. 2001. קורס HSC. פיזיקה 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. פיסיקה באוניברסיטה. עיתונות אקדמית.
3. Knight, R. 2017. פיזיקה למדעים והנדסה: גישה אסטרטגית. פירסון.
4. פיסיקה OpenLab. הניסוי של רתרפורד-גייגר-מרסדן. התאושש מ: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון.
6. טייסון, ט. 2013. הניסוי הפיזור של רתרפורד. נלקח מתוך: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. הניסויים של רתרפורד. התאושש מ-: xaktly.com.
8. ויקיפדיה. הניסוי של רתרפורד. התאושש מ: es.wikipedia.org.