Geiger -Marsdenin kokeet - Geiger–Marsden experiments

Kopio yhdestä Geigerin ja Marsdenin laitteesta

Geiger-Marsden kokeilut (kutsutaan myös Rutherford veikkausta kokeessa ) olivat maamerkki sarjan kokeita , joilla tutkijat oppinut, että jokainen atomi on ydin , jossa kaikki sen positiivinen varaus ja suurin osa sen massasta on keskittynyt. He päättelivät tämän sen jälkeen, kun he olivat mittaaneet kuinka alfahiukkaspalkki on hajallaan, kun se osuu ohueseen metallikalvoon . Kokeet suoritettiin välillä 1908 ja 1913 Hans Geiger ja Ernest Marsden johdolla Ernest Rutherford on fyysinen laboratorioiden Manchesterin yliopisto .

Yhteenveto

Nykyaikaiset teoriat atomien rakenteesta

Thomsonin visioima atomin luumu -vanukasmalli.

Rutherfordin kokeen aikaan suosittu teoria atomien rakenteesta oli " luumu vanukasmalli ". Tämän mallin suunnitteli Lord Kelvin ja JJ Thomson kehitti edelleen . Thomson oli tiedemies, joka löysi elektronin ja että se oli jokaisen atomin osa. Thomson uskoi, että atomi oli positiivisen varauksen pallo, jolle elektronit jakautuivat, vähän kuin rusinat joulupudingossa . Protonien ja neutronien olemassaolosta ei ollut tietoa. He tiesivät, että atomit olivat hyvin pieniä (Rutherford oletti niiden olevan säteellä ^10-8 m). Tämä malli perustui kokonaan klassiseen (newtonilaiseen) fysiikkaan; nykyinen hyväksytty malli käyttää kvanttimekaniikkaa .

Thomsonin mallia ei hyväksytty yleisesti jo ennen Rutherfordin kokeita. Thomson itse ei koskaan kyennyt kehittämään täydellistä ja vakaata mallia konseptistaan. Japanilainen tiedemies Hantaro Nagaoka hylkäsi Thomsonin mallin sillä perusteella, että vastakkaiset syytteet eivät voi tunkeutua toisiinsa. Hän ehdotti sen sijaan, että elektronit kiertäisivät positiivista varausta kuin renkaat Saturnuksen ympärillä.

Luumupuding -mallin vaikutukset

Alfa-hiukkanen on submikroskooppisina, positiivisesti varatun hiukkasen aineen. Thomsonin luumu -vanukkamallin mukaan jos alfahiukkaset törmäisivät atomin kanssa, se vain lentäisi suoraan läpi ja sen polku kääntyisi korkeintaan murto -asteen. Atomimittakaavassa "kiinteän aineen" käsite on merkityksetön. Thomson -atomi on positiivisen sähkövarauksen pallo, joka on ankkuroitu paikalleen massansa mukaan. Näin ollen alfa -hiukkanen ei pomppisi atomista kuin pallo, vaan saattaisi mennä suoraan läpi, jos atomin sähkökentät ovat riittävän heikkoja sen sallimiseksi. Thomsonin malli ennusti, että atomin sähkökentät ovat liian heikkoja vaikuttamaan ohimenevään alfapartikkeliin paljon (alfahiukkasilla on taipumus liikkua erittäin nopeasti). Sekä negatiiviset että positiiviset varaukset Thomson -atomissa jakautuvat atomin koko tilavuudelle. Mukaan Coulombin laki , sitä vähemmän keskittynyt palloa, jonka sähkövaraus on, sitä heikompi sen sähkökenttä sen pinnalla on.

Esimerkkinä voidaan pitää kulta -atomin reunaa pitkin kulkevaa alfapartikkelia, jossa se kokee sähkökentän vahvimmillaan ja siten suurimman taipuman θ . Koska elektronit ovat erittäin kevyitä alfapartikkeliin verrattuna, niiden vaikutus voidaan jättää huomiotta, joten atomi voidaan nähdä raskaana positiivisen varauksen pallona.

Q _n = kulta -atomin positiivinen varaus =79  e =1 266 × 10 − ¹⁷  C.

Q _α = alfapartikkelin varaus =2  e =3,204 x 10 ^-19  C: ssa

r = kulta -atomin säde =1,44 × 10 ⁻¹⁰  m

v _α = alfapartikkelin nopeus =1,53 x 10 ⁷  m / s

m _α = alfapartikkelin massa =6,645 × 10 ⁻²⁷  kg

k = Coulombin vakio =8,998 × 10 ⁹  N · m ² /C ²

Klassista fysiikkaa käyttämällä alfahiukkasen sivusuuntainen muutos momentissa Δp voidaan arvioida käyttämällä voimasuhteen impulssia ja Coulombin voiman ilmaisua:

${\ displaystyle \ Delta p = F \ Delta t = k \ cdot {\ frac {Q _ {\ alpha} Q_ {n}} {r^{2}}} \ cdot {\ frac {2r} {v _ {\ alpha }}}}$

${\ displaystyle \ theta \ noin {\ frac {\ Delta p} {p}} <k \ cdot {\ frac {2Q _ {\ alpha} Q_ {n}} {m _ {\ alpha} rv _ {\ alpha}^{ 2}}} = 8.998 \ cdot 10^{9} \ times {\ frac {2 \ times 3.204 \ cdot 10^{-19} \ times 1.266 \ cdot 10^{-17}} {6.645 \ cdot 10^{ -27} \ kertaa 1,44 \ cdot 10^{-10} \ kertaa (1,53 \ cdot 10^{7})^{2}}}}$

${\ displaystyle \ theta <0,000326 ~ \ mathrm {rad} ~ (\ mathrm {or} ~ 0,0186^{\ circ})}$

Yllä oleva laskelma on vain likimääräinen arvio siitä, mitä tapahtuu, kun alfapartikkeli tulee lähelle Thomson -atomia, mutta on selvää, että taipuma on korkeintaan pienen asteen murto -osassa. Jos alfapartikkeli kulkisi noin 4 mikrometrin paksuisen (2410 atomin) kultakalvon läpi ja kokisi maksimaalisen taipuman samaan suuntaan (epätodennäköistä), se olisi silti pieni taipuma.

Kokeiden tulos

Vasemmalla: Jos Thomsonin malli olisi ollut oikea, kaikkien alfahiukkasten olisi pitänyt kulkea kalvon läpi mahdollisimman pienellä sironnalla.
Oikea: Geiger ja Marsden havaitsivat, että pieni osa alfahiukkasista koki voimakkaan taipuman.

Rutherfordin käskystä Geiger ja Marsden suorittivat sarjan kokeita, joissa he osoittivat alfahiukkasten säteen ohuelle metallikalvolle ja käyttivät Crookesin, Elsterin ja Geitelin kehittämää tuikemenetelmää käyttäen hajontakuviota fluoresoivalla näyttö . He havaitsivat alfa -hiukkasia, jotka pomppivat metallikalvosta kaikkiin suuntiin, jotkut takaisin lähteeseen. Tämän olisi pitänyt olla mahdotonta Thomsonin mallin mukaan; alfahiukkasten olisi pitänyt mennä suoraan läpi. Ilmeisesti nämä hiukkaset olivat kohdanneet sähköstaattisen voiman, joka oli paljon suurempi kuin Thomsonin malli ehdotti. Lisäksi vain pieni osa alfahiukkasista taipui yli 90 °. Suurin osa lensi suoraan kalvon läpi vähäisellä taipumalla.

Selittääkseen tämän outon tuloksen Rutherford kuvitteli, että atomin positiivinen varaus oli keskittynyt pieneen ytimeen sen keskellä, mikä puolestaan ​​tarkoitti, että suurin osa atomin tilavuudesta oli tyhjää tilaa.

Aikajana

Tausta

Ernest Rutherford

Hans Geiger

Ernest Marsden

Ernest Rutherford oli Langworthy -fysiikan professori Manchesterin Victoria -yliopistossa (nykyään Manchesterin yliopisto ). Hän oli jo saanut lukuisia kunnianosoituksia säteilytutkimuksistaan. Hän oli havainnut alfa- , beetasäteiden ja gammasäteiden olemassaolon ja todistanut, että ne olivat seurausta atomien hajoamisesta . Vuonna 1906 hän vieraili saksalaiselta fyysikältä nimeltä Hans Geiger ja oli niin vaikuttunut, että hän pyysi Geigeria jäämään auttamaan häntä tutkimuksessaan. Ernest Marsden oli fysiikan perusopiskelija, joka opiskeli Geigerin johdolla.

Alfahiukkaset ovat pieniä, positiivisesti varautuneita hiukkasia, joita tietyt aineet, kuten uraani ja radium, vapauttavat spontaanisti . Rutherford oli löytänyt ne vuonna 1899. Vuonna 1908 hän yritti mitata tarkasti niiden varaus-massa-suhdetta . Tätä varten hänen oli ensin tiedettävä, kuinka monta alfahiukkasia hänen radiuminäytteensä luovutti (minkä jälkeen hän mittaa niiden kokonaisvarauksen ja jakaa keskenään). Alfahiukkaset ovat liian pieniä, jotta niitä voitaisiin nähdä mikroskoopilla, mutta Rutherford tiesi, että alfahiukkaset ionisoivat ilmamolekyylejä, ja jos ilma on sähkökentässä, ionit tuottavat sähkövirran. Tällä periaatteella Rutherford ja Geiger suunnittelivat yksinkertaisen laskulaitteen, joka koostui kahdesta lasiputken elektrodista. Jokainen putken läpi kulkeva alfahiukkanen loisi sähköpulssin, joka voitaisiin laskea. Se oli Geiger -laskurin varhainen versio .

Geigerin ja Rutherfordin rakentama laskuri osoittautui epäluotettavaksi, koska alfa -hiukkaset taipuivat liian voimakkaasti niiden törmäyksessä ilmaiskammion sisällä olevien ilmamolekyylien kanssa. Alfahiukkasten erittäin vaihtelevat liikeradat merkitsivät sitä, että ne kaikki eivät tuottaneet samaa määrää ioneja kuin ne kulkivat kaasun läpi, mikä tuotti epätasaisia ​​lukemia. Tämä hämmästytti Rutherfordia, koska hän oli ajatellut, että alfahiukkaset olivat aivan liian raskaita taipumaan. Rutherford pyysi Geigeria tutkimaan, kuinka paljon ainetta voi hajottaa alfa -säteitä.

Heidän suunnittelemissaan kokeissa pommitettiin metallifoliota alfahiukkasilla sen havaitsemiseksi, kuinka kalvo levitti ne suhteessa niiden paksuuteen ja materiaaliin. He käyttivät fluoresoivaa seulaa hiukkasten liikeradan mittaamiseen. Jokainen alfahiukkasen isku näytölle tuotti pienen valon. Geiger työskenteli pimeässä laboratoriossa tuntikausia laskien nämä pienet tuikeet mikroskoopilla. Rutherfordilta puuttui kestävyys tähän työhön (hän ​​oli 30 -luvun loppupuolella), minkä vuoksi hän jätti sen nuoremmille kollegoilleen. Metallifolion osalta he testasivat erilaisia ​​metalleja, mutta he pitivät parempana kultaa, koska ne voisivat tehdä kalvosta hyvin ohuen, koska kulta on hyvin muokattavissa. Alfahiukkasten lähteenä Rutherfordin valitsema aine oli radoni , aine, joka oli useita miljoonia kertoja radioaktiivisempi kuin uraani.

1908 koe

Tämä laite on kuvattu Hans Geigerin 1908 julkaisussa. Se pystyi mittaamaan vain muutaman asteen taipumia.

Geigerin 1908 julkaisema artikkeli α-hiukkasten hajonnasta aineella kuvaa seuraavaa koketta. Hän rakensi pitkän lasiputken, joka oli lähes kaksi metriä pitkä. Putken toisessa päässä oli määrä " radiumemanaatiota " (R), joka toimi alfahiukkasten lähteenä. Putken vastakkainen pää peitettiin fosforoivalla seulalla (Z). Putken keskellä oli 0,9 mm leveä rako. R: n alfahiukkaset kulkivat raon läpi ja loivat hehkuvan valon läikkiä näytölle. Mikroskoopilla (M) laskettiin tuike näytöllä ja mitattiin niiden leviäminen. Geiger pumpasi kaiken ilman ulos putkesta, jotta alfahiukkaset olisivat esteettömät, ja ne jättivät siistin ja tiukan kuvan ruudulle, joka vastasi raon muotoa. Sitten Geiger antoi jonkin verran ilmaa putkeen, ja hehkuva laastari muuttui hajanaisemmaksi. Sitten Geiger pumpasi ilmaa ja asetti kultakalvon AA: n raon päälle. Tämä aiheutti myös valon läpäisemisen näytöllä. Tämä koe osoitti, että sekä ilma että kiinteä aine voivat hajottaa merkittävästi alfahiukkasia. Laite pystyi kuitenkin havaitsemaan vain pieniä taipumakulmia. Rutherford halusi tietää, olivatko alfahiukkaset hajallaan jopa suuremmilla kulmilla - ehkä suuremmilla kuin 90 °.

1909 kokeilu

Näissä kokeissa havaittiin radioaktiivisen lähteen (A) lähettämiä alfahiukkasia pomppimasta pois metalliheijastimesta (R) ja fluoresoivaan seulaan (S) lyijylevyn (P) toisella puolella.

Geiger ja Marsden kuvasivat vuonna 1909 julkaistussa paperissaan α-hiukkasten diffuusista heijastuksesta kokeen, jolla he osoittivat, että alfahiukkaset voivat todellakin hajota yli 90 °. Kokeessaan he valmistivat pienen kartiomaisen lasiputken (AB), joka sisälsi "radiumemanaatiota" ( radonia ), "radium A" (todellinen radium) ja "radium C" ( vismutti -214); sen avoin pää on suljettu kiillellä . Tämä oli heidän alfahiukkasten säteilijä. Sitten he asensivat lyijylevyn (P), jonka taakse he asettivat loisteputken (S). Putki pidettiin levyn vastakkaisella puolella siten, että sen lähettämät alfahiukkaset eivät voineet osua suoraan seulaan. He huomasivat muutamia tuikeita näytöllä, koska jotkut alfahiukkaset pääsivät levyn ympärille pomppimalla pois ilmamolekyyleistä. Sitten he asettivat metallikalvon (R) lyijylevyn sivulle. He osoittivat putken kalvoa kohti nähdäkseen, pompuisivatko alfahiukkaset siitä ja osuisivatko se levyn toiselle puolelle, ja havaitsivat tuikeiden määrän kasvavan näytöllä. Tuikelaskelmat laskivat, että he havaitsivat, että metallit, joilla oli suurempi atomimassa, kuten kulta, heijasivat enemmän alfahiukkasia kuin kevyemmät, kuten alumiini.

Geiger ja Marsden halusivat sitten arvioida heijastuvien alfahiukkasten kokonaismäärän. Aiempi kokoonpano ei ollut sopiva tähän, koska putki sisälsi useita radioaktiivisia aineita (radium ja sen hajoamistuotteet) ja siten päästettyjen alfahiukkasten vaihteluväli oli erilainen , ja koska heidän oli vaikea tietää, millä nopeudella putki lähetti alfahiukkasia . Tällä kertaa he asettivat pienen määrän radium C: tä (vismutti-214) lyijylevylle, joka pomppii platinaheijastimesta (R) ja valkokankaalle. He havaitsivat, että vain pieni osa heijastimeen osuneista alfahiukkasista pomppasi näyttöön (tässä tapauksessa 1: 8 000).

Vuoden 1910 kokeilu

Tätä laitetta kuvaili Geigerin paperi vuonna 1910. Se on suunniteltu mittaamaan tarkasti, kuinka sironta vaihtelee kalvon aineen ja paksuuden mukaan.

Geigerin vuonna 1910 julkaistu paperi, The Scattering of the α-Particles by Matter , kuvaa kokeilua, jolla hän pyrki mittaamaan, kuinka todennäköisin kulma, jonka läpi a-partikkeli taipuu, vaihtelee sen läpi kulkevan materiaalin mukaan. materiaalia ja alfahiukkasten nopeutta. Hän rakensi ilmatiiviin lasiputken, josta ilmaa pumpattiin ulos. Toisessa päässä oli polttimo (B), joka sisälsi "radiumemanaatiota" ( radon -222). Elohopean avulla radon B: stä pumpattiin ylös kapeaan lasiputkeen, jonka pää A: ssa oli tukossa kiillellä . Putken toisessa päässä oli fluoresoiva sinkkisulfidiseula (S). Mikroskooppi, jolla hän laski tuikeita ruudulla, kiinnitettiin pystysuoraan millimetriasteikkoon vernierillä, minkä ansiosta Geiger pystyi mittaamaan tarkasti, missä valon välähdykset ilmestyivät näytölle, ja laskemaan siten hiukkasten taipumakulmat. A: sta lähetetyt alfahiukkaset kavennettiin sädeksi pienellä pyöreällä reiällä D. Geiger asetti metallikalvon säteiden reitille kohdissa D ja E tarkkailemaan, kuinka välähdysalue muuttui. Hän voi myös muuttaa alfahiukkasten nopeutta asettamalla ylimääräisiä kiille- tai alumiinilevyjä kohtaan A.

Geiger teki tekemistään mittauksista seuraavat johtopäätökset:

• Todennäköisin taipumiskulma kasvaa materiaalin paksuuden mukaan
• Todennäköisin taipumakulma on verrannollinen aineen atomimassaan
• Todennäköisin taipumiskulma pienenee alfahiukkasten nopeuden mukaan
• Todennäköisyys hiukkasen taipumiseen yli 90 ° on häviävän pieni

Rutherford matemaattisesti hajottaa kuvion

Edellä mainittujen kokeiden tulokset huomioon ottaen Rutherford julkaisi vuonna 1911 merkittävän paperin nimeltä "A- ja β -hiukkasten hajonta aineen mukaan ja atomin rakenne", jossa hän ehdotti, että atomin keskellä olisi sähkövarauksen tilavuus hyvin pieni ja voimakas (itse asiassa Rutherford käsittelee sitä pistepanoksena laskelmissaan). Matemaattisia laskelmiaan varten hän oletti, että tämä keskusvaraus oli positiivinen, mutta myönsi, ettei voinut todistaa tätä ja että hänen täytyi odottaa muita kokeita teoriansa kehittämiseksi.

Rutherford kehitti matemaattisen yhtälön, jossa mallinnettiin, kuinka kalvon pitäisi sirotella alfahiukkaset, jos kaikki positiivinen varaus ja suurin osa atomimassasta keskittyisi yhteen pisteeseen atomin keskelle.

${\ displaystyle s = {\ frac {Xnt \ csc ^{4} {\! \ vasen ({\ tfrac {\ phi} {2}} \ oikea)}} {16r ^{2}}} \ cdot {\ vasen ({\ frac {2Q_ {n} Q _ {\ alpha}} {mv^{2}}} \ oikea)}^{2}}$

s = määrä alfa putoavien hiukkasten pinta-alayksikköä kulmassa taipuma Φ

r = etäisyys sirontamateriaalin a -säteiden esiintymispisteestä

X = sironta -aineeseen putoavien hiukkasten kokonaismäärä

n = atomien määrä materiaalin tilavuusyksikössä

t = kalvon paksuus

Q _n = atomiytimen positiivinen varaus

Q _α = alfahiukkasten positiivinen varaus

m = alfahiukkasen massa

v = alfahiukkasen nopeus

Hajotustiedoista Rutherford arvioi keskusvarauksen Q _n olevan noin +100 yksikköä (katso Rutherfordin malli )

Vuoden 1913 kokeilu

Geiger ja Marsden kuvaavat vuonna 1913 julkaisussa The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles , Geiger ja Marsden kuvaamaan sarjan kokeita, joilla he yrittivät kokeellisesti vahvistaa edellä mainitun Rutherfordin kehittämän yhtälön. Rutherfordin yhtälö ennusti, että tietyssä kulmassa Φ havaittavien tuikeiden määrä minuutissa s on verrannollinen:

1. csc ⁴ (Φ/2)
2. kalvon paksuus t
3. keskusvarauksen neliön suuruus Q _n
4. 1/(mv ² ) ²

Heidän vuoden 1913 paperissaan kuvataan neljä kokeilua, joilla he todistivat kaikki nämä neljä suhdetta.

Tämä laite on kuvattu Geigerin ja Marsdenin vuonna 1913 julkaisussa. Se on suunniteltu mittaamaan tarkasti metallikalvon (F) tuottamien alfahiukkasten sirontakuvio. Mikroskooppi (M) ja seula (S) kiinnitettiin pyörivään sylinteriin, ja niitä voitiin siirtää koko ympyrän kalvon ympärille, jotta ne voisivat laskea tuikeet jokaisesta kulmasta.

Testaakseen, kuinka sironta muuttui taipumakulman mukaan (eli jos s ∝ csc ⁴ (Φ/2) ), Geiger ja Marsden rakensivat laitteen, joka koostui ontosta metallisylinteristä, joka oli asennettu kääntöpöydälle. Sylinterin sisällä oli metallifolio (F) ja radonia (R) sisältävä säteilylähde, joka oli asennettu irrotettuun pylvääseen (T), jolloin sylinteri pyörii itsenäisesti. Pylväs oli myös putki, jolla ilmaa pumpattiin ulos sylinteristä. Mikroskooppi (M), jonka objektiivilinssi oli fluoresoivan sinkkisulfidiseulan peitossa (S), tunkeutui sylinterin seinään ja osoitti metallikalvoa. Kääntämällä pöytää mikroskooppia voitaisiin siirtää koko ympyrän ympäri kalvoa, jolloin Geiger voi tarkkailla ja laskea jopa 150 ° taipuneet alfahiukkaset. Korjatessaan kokeellista virhettä Geiger ja Marsden havaitsivat, että annetulla kulmalla Φ taipuneiden alfahiukkasten lukumäärä on todellakin verrannollinen csc ^{4: een} (Φ/2) .

Tätä laitetta käytettiin mittaamaan, kuinka alfahiukkasten sirontakuvio vaihteli suhteessa kalvon paksuuteen, materiaalin atomipainoon ja alfahiukkasten nopeuteen. Keskellä olevassa pyörivässä kiekossa oli kuusi reikää, jotka voitiin peittää kalvolla.

Geiger ja Marsden testasivat sitten, kuinka sironta muuttui kalvon paksuuden mukaan (eli jos s ∝ t ). He rakensivat levyn (S), johon oli porattu kuusi reikää. Reiät peitettiin eripaksuisella metallikalvolla (F) tai ei lainkaan. Tämä levy suljettiin sitten messinkirenkaaseen (A) kahden lasilevyn (B ja C) väliin. Kiekkoa voitaisiin kääntää tangon (P) avulla tuodakseen jokainen ikkuna alfahiukkaslähteen (R) eteen. Takalasissa oli sinkkisulfidiseula (Z). Geiger ja Marsden havaitsivat, että sinkkisulfidiseulalla esiintyvien tuikeiden määrä oli todella verrannollinen paksuuteen niin kauan kuin mainittu paksuus oli pieni.

Geiger ja Marsden käyttivät uudelleen yllä olevaa laitetta mittaamaan, kuinka sirontakuvio vaihteli ydinvarauksen neliön mukaan (eli jos s ∝ Q _n ² ). Geiger ja Marsden eivät tienneet, mikä niiden metallien ytimen positiivinen varaus oli (he olivat juuri havainneet, että ydin oli ollenkaan olemassa), mutta he olettivat sen olevan verrannollinen atomipainoon, joten he testasivat, oliko sironta suhteellista atomipainon neliöön. Geiger ja Marsden peittivät levyn reiät kulta-, tina-, hopea-, kupari- ja alumiinikalvoilla. He mitasivat jokaisen kalvon pysäytystehon vertaamalla sitä vastaavaan ilmanpaksuuteen. He laskivat tuikeiden määrän minuutissa, jonka kukin kalvo näytöllä tuotti. He jakoivat tuikeiden lukumäärän minuutissa vastaavalla kalvon ilma -ekvivalentilla ja jaettiin sitten taas atomipainon neliöjuurella (Geiger ja Marsden tiesivät, että yhtä suurella pysäytysteholla olevien kalvojen atomien määrä pinta -alayksikköä kohti on verrannollinen neliöjuuri atomipainosta). Näin Geiger ja Marsden saivat kullekin metallille tuikeiden määrän, jonka kiinteä määrä atomeja tuottaa. Kullekin metallille he jakoivat tämän luvun atomipainon neliöllä ja havaitsivat, että suhteet olivat suunnilleen samat. Näin he osoittivat, että s ∝ Q _n ² .

Lopuksi Geiger ja Marsden testasivat kuinka sironta vaihteli alfahiukkasten nopeuden mukaan (eli jos s ∝ 1/v ⁴ ). Käyttäen samaa laitetta uudelleen he hidasivat alfahiukkasia asettamalla ylimääräisiä kiillearkkeja alfahiukkaslähteen eteen. He havaitsivat, että kokeellisten virheiden rajoissa scinitillaatioiden määrä oli todellakin verrannollinen 1/v ^{4: een} .

Rutherford määrittää ytimen olevan positiivisesti varautunut

Vuonna 1911 julkaisussaan ( katso edellä ) Rutherford oletti, että atomin keskusvaraus oli positiivinen, mutta negatiivinen varaus olisi sopinut hänen hajotusmalliinsa yhtä hyvin. Vuonna 1913 julkaistussa paperissa Rutherford julisti, että "ydin" (kuten hän nyt kutsui sitä) oli todella positiivisesti varautunut, perustuen kokeiden tuloksiin, joissa tutkittiin alfa -hiukkasten leviämistä eri kaasuihin.

Vuonna 1917 Rutherford ja hänen avustajansa William Kay alkoivat tutkia alfahiukkasten kulkua kaasujen, kuten vedyn ja typen, läpi. Kokeessa, jossa he ampuivat alfahiukkaspalkin vedyn läpi, alfahiukkaset koputtivat vetyytimet eteenpäin säteen suuntaan, ei taaksepäin. Kokeessa, jossa he ampuivat alfahiukkasia typen läpi, hän havaitsi, että alfahiukkaset kaatoivat vetyytimiä (eli protoneja) ulos typpisoluista.

Legacy

Kun Geiger ilmoitti Rutherfordille havainneensa alfahiukkasia voimakkaasti taipuneena, Rutherford oli hämmästynyt. Luennolla, jonka Rutherford piti Cambridgen yliopistossa , hän sanoi:

Se oli aivan uskomaton tapahtuma, joka minulle on koskaan tapahtunut elämässäni. Se oli melkein yhtä uskomatonta kuin jos ampuisit 15 tuuman kuoren pehmopaperiin ja se tuli takaisin ja löi sinua. Ottaen huomioon, tajusin, että tämän hajonnan taaksepäin on oltava yhden törmäyksen tulos, ja kun tein laskelmia, huomasin, että oli mahdotonta saada mitään tuollaista suuruusluokkaa, ellet ota järjestelmää, jossa suurin osa massasta atomin väkevöitiin minuutin ytimeen. Silloin minulla oli ajatus atomista, jossa oli minuutin massiivinen keskipiste ja jossa oli varaus.

-  Ernest Rutherford

Palkinnot tulvivat pian sisään. Hantaro Nagaoka , joka oli kerran ehdottanut Saturnuksen atomimallia, kirjoitti Rutherfordille Tokiosta vuonna 1911: "Onnittelut käyttämäsi laitteen yksinkertaisuudesta ja saamistasi loistavista tuloksista". Näiden kokeiden johtopäätökset paljastivat, kuinka kaikki aine maapallolla on rakennettu ja vaikutti siten kaikkiin tieteellisiin ja tekniikan aloihin, mikä teki siitä yhden kaikkien aikojen keskeisimmistä tieteellisistä löydöistä. Tähtitieteilijä Arthur Eddington kutsui Rutherfordin löytöä tärkeimmäksi tieteelliseksi saavutukseksi siitä lähtien, kun Democritus ehdotti atomin aikakautta aikaisemmin.

Kuten useimmat tieteelliset mallit, Rutherfordin atomimalli ei ollut täydellinen eikä täydellinen. Klassisen Newtonin fysiikan mukaan se oli itse asiassa mahdotonta. Kiihtyvät varautuneet hiukkaset säteilevät sähkömagneettisia aaltoja, joten atomin ytimen ympäri kiertävä elektroni kiertäisi teoriassa ytimeen, kun se menettää energiaa. Tämän ongelman korjaamiseksi tutkijoiden oli sisällytettävä kvanttimekaniikka Rutherfordin malliin.

Katso myös

• Atomiteoria
• Rutherfordin takaisinsirontaspektroskopia
• Rutherfordin sironta
• Luettelo hajotuskokeista

Viitteet

Bibliografia

• "Rutherfordin ydinmaailma: tarina ytimen löytämisestä" . Amerikan fysiikan instituutti . Haettu 2014-10-23 .
• "Hyperfysiikka" . Georgian osavaltion yliopisto . Haettu 2014-08-13 .
• "Geiger ja Marsden" . Cavendishin laboratorio . Arkistoitu alkuperäisestä 2014-10-06 . Haettu 2014-07-23 .
• Daintith, John; Gjertsen, Derek (1999). Tutkijoiden sanakirja . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-280086-2.
• Fowler, Michael. "Rutherfordin sironta" . Fysiikan luentomuistio 252 . Virginian yliopisto . Haettu 2014-07-23 .
• Geiger, Hans (1908). "Α-hiukkasten hajonnasta aineen mukaan" . Proceedings of the Royal Society of Lontoossa . 81 (546): 174 - 177. Bibcode : 1908RSPSA..81..174G . doi : 10.1098/rspa.1908.0067 .
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). "Α-hiukkasten diffuusista heijastuksesta" . Proceedings of the Royal Society of Lontoossa . 82 (557): 495–500. Bibcode : 1909RSPSA..82..495G . doi : 10.1098/rspa.1909.0054 .
• Geiger, Hans (1910). "Α-hiukkasten hajonta aineen mukaan" . Proceedings of the Royal Society of Lontoossa . 83 (565): 492–504. Bibcode : 1910RSPSA..83..492G . doi : 10.1098/rspa.1910.0038 .
• Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1913). "Α -hiukkasten taipumuksen lait suurten kulmien kautta" (PDF) . Filosofinen lehti . Sarja 6. 25 (148): 604–623. doi : 10.1080/14786440408634197 .
• Heilbron, John L. (2003). Ernest Rutherford ja atomien räjähdys . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-512378-4.
• Jewett, John W., Jr .; Serway, Raymond A. (2014). "Atomin varhaiset mallit". Fysiikka tutkijoille ja insinööreille, joilla on nykyaikainen fysiikka (9. painos). Brooks/Cole. s. 1299.
• Manners, Joy (2000). Kvanttifysiikka: Johdanto . CRC Paina. ISBN 978-0-7503-0720-8.
• Nagaoka, Hantaro (1904). "Linjaa ja kaista -spektriä ja radioaktiivisuuden ilmiöitä kuvaavan hiukkasjärjestelmän kinetiikka" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 7 (41): 445–455. doi : 10.1080/14786440409463141 .
• Reeves, Richard (2008). Luonnonvoima: Ernest Rutherfordin rajagenius . WW Norton & Co. ISBN 978-0-393-07604-2.
• Rutherford, Ernest (1911). "Α- ja β -hiukkasten hajonta aineen ja atomin rakenteen mukaan" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 21 (125): 669–688. doi : 10.1080/14786440508637080 .
• Rutherford, Ernest (1912). "Β- ja y -säteiden alkuperä radioaktiivisista aineista" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 24 (142): 453–462. doi : 10.1080/14786441008637351 .
• Rutherford, Ernest; Nuttal, John Mitchell (1913). "Α-hiukkasten hajottaminen kaasujen avulla" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 26 (154): 702–712. doi : 10.1080/14786441308635014 .
• Rutherford, Ernest (1914). "Atomin rakenne" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 27 (159): 488–498. doi : 10.1080/14786440308635117 .
• Rutherford, Ernest; Ratcliffe, John A. (1938). "Neljäkymmentä vuotta fysiikkaa" . In Needham, Joseph; Pagel, Walter (toim.). Taustaa modernille tieteelle . Cambridge University Press .
• Rutherford, Ernest (1913). Radioaktiiviset aineet ja niiden säteily . Cambridge University Press .
• Thomson, Joseph J. (1904). "Atomin rakenteesta: Tutkimus vakauden ja värähtelyjaksojen määrästä useita soluja, jotka on järjestetty tasaisin välein ympyrän ympärysmitan ympärille; soveltamalla tuloksia atomin rakenteen teoriaan" . Filosofinen lehti . Sarja 6. 7 (39): 237. doi : 10.1080/14786440409463107 .
• Tibbetts, Gary (2007). Kuinka suuret tutkijat tulkitsivat: tieteellinen menetelmä toiminnassa . Elsevier . ISBN 978-0-12-398498-2.

Ulkoiset linkit

• Kuvaus kokeesta, osoitteesta cambridgephysics.org