تجربة راذرفورد ونماذجها

سمحت تجربة رذرفورد لمجموعة من العلماء باكتشاف أن كل ذرة لديها نواة موجبة الشحنة.

كان إرنست رذرفورد ، عالم فيزيائي وكيميائي في نيوزيلندا. ركز على دراسة الجزيئات المشعة وأجرى العديد من التحقيقات التي سمحت له بالفوز بجائزة نوبل في الكيمياء في عام 1908.

تحت إشراف رذرفورد وهانس جيجر وإرنست مارسدن ، ساعدوا في إنشاء النموذج الذري ، في مختبرات جامعة مانشستر.

واحدة من أولى النظريات الذرية الموجودة هي تلك التي وضعها طومسون ، مكتشف الإلكترون. كان يعتقد أن الذرات هي كرات ذات شحنة موجبة ، وأن الإلكترونات تم توزيعها فيها.

تقول نظرية طومسون إنه إذا اصطدم جسيم ألفا بالذرة ، فإن هذا الجسيم يمر عبر الذرة. سوف يتأثر هذا الحقل الكهربائي للذرة وفقًا لهذا النموذج.

في هذا الوقت ، لم يتم اكتشاف البروتونات والنيوترونات. لم يستطع طومسون إثبات وجوده ولم يقبل المجتمع العلمي نموذجه.

لإثبات وجود نظرية طومسون ، قام رذرفورد و جيجر ومارسدند بتجربة قصفوا فيها جزيئات ألفا ، المصنوعة من نوى غاز الهيليوم ، ضد قطعة من المعدن.

إذا نجح نموذج طومسون ، فسيتعين على الجسيمات المرور عبر الصفائح المعدنية دون أي انحراف.

تطوير تجربة راذرفورد

النموذج الأول

أوضح جيجر في أول مقال له عن تصميم النموذج الأول للتجربة ، الذي تم تنفيذه في عام 1908 ، في مقالة بعنوان "تشتت الجزيئات حسب المادة" .

قاموا ببناء أنبوب زجاجي بطول مترين تقريباً ، وفي أحد النهايات كان هناك مصدر راديو ، وفي الطرف المقابل ، وضعت شاشة فسفورية. في منتصف الأنبوب ، تم وضع نوع من القمع حتى تمر جسيمات ألفا عبره.

كانت العملية المتبعة لتمرير جسيمات ألفا عبر الفتحة بحيث تقوم بإسقاط حزمة الضوء على شاشة الفسفورية.

عن طريق ضخ كل الهواء من الأنبوب ، كانت الصورة التي تم الحصول عليها واضحة ومتوافقة مع الفتحة الموجودة في منتصف الأنبوب. عندما تم خفض كمية الهواء في الأنبوب ، أصبحت الصورة أكثر انتشارًا.

بعد ذلك ، لمعرفة المسار الذي تتبعه الجسيمات إذا اصطدمت بشيء ما أو مرت به ، كما تؤكد نظرية طومسون ، تم إدخال ورقة ذهبية في الفتحة.

أظهر هذا أن الهواء والمواد الصلبة تسببت في تشتت الجزيئات التي انعكست على شاشة الفسفورية مع مزيد من الصور المنتشرة.

المشكلة في هذا النموذج الأول هي أنها أظهرت فقط نتيجة التشتت ، ولكن ليس المسار الذي اتبعته جسيمات ألفا.

النموذج الثاني

نشر جيجر ومارسدن مقالا في عام 1909 شرحا فيه تجربة لإظهار حركة جسيمات ألفا.

في الانعكاس المنتشر لجسيمات ألفا ، يتم توضيح أن التجربة تهدف إلى معرفة أن الجزيئات تتحرك عند زوايا تزيد عن 90 درجة.

قاموا بإنشاء نموذج أولي للتجربة ، حيث تم إنشاء حاوية زجاجية ذات شكل مخروطي. لقد قاموا بتركيب صفيحة رصاص ، بحيث تصطدم بها جسيمات ألفا ، ولترى تشتتها ، وضعت لوحة الفلورسنت خلفها.

المشكلة في تكوين هذا الجهاز هي أن الجزيئات تتجنب لوحة الرصاص ، وترتد من جزيئات الهواء.

اختبروا من خلال وضع ورقة من المعدن ورأى على الشاشة الفلورسنت أن هناك المزيد من الزيارات من الجسيمات.

وقد تبين أن المعادن التي لديها كتلة ذرية أعلى تعكس المزيد من الجزيئات ، لكن جيجر وماسدن أرادا معرفة العدد الدقيق للجزيئات. لكن تجربة الحصول على الراديو والمواد المشعة لا يمكن أن تكون دقيقة.

النموذج الثالث

المقال يفسر تشتت جسيمات ألفا في عام 1910 التجربة الثالثة التي صممها جيجر. هنا كان يركز بالفعل على قياس زاوية تشتت الجسيمات ، وهذا يتوقف على المواد التي تتلامس فيها.

هذه المرة ، كان الأنبوب مائيًا ، وضخ الزئبق غاز الرادون -222 إلى شاشة الفلورسنت. بمساعدة المجهر ، تم حساب الهبات التي ظهرت على شاشة الفلورسنت.

تم حساب الزوايا التي تتبعها الجزيئات وتوصلت إلى استنتاجات مفادها أن زوايا الانحراف تزداد بزيادة الكتلة الذرية للمادة ، وأنها تتناسب أيضًا مع الكتلة الذرية للمادة.

ومع ذلك ، فإن زاوية الانحراف الأكثر احتمالًا تتناقص بسرعة ، واحتمال أن تنحرف أكثر من 90 درجة لا يكاد يذكر.

مع النتائج التي تم الحصول عليها في هذا النموذج الأولي ، قام راذرفورد بحساب نمط التشتت رياضياً.

من خلال معادلة رياضية ، تم حساب الكيفية التي ينبغي أن تفرق بها الجسيمات ، بافتراض أن للذرة شحنة كهربائية موجبة في مركزها. على الرغم من أن الأخير كان يعتبر مجرد فرضية.

المعادلة المتقدمة مثل هذا:

حيث ، s = عدد جسيمات ألفا التي تقع على مساحة الوحدة بزاوية الانحراف Φ

  • r = مسافة نقطة حدوث أشعة ألفا على مادة التشتت
  • X = العدد الإجمالي للجزيئات الساقطة على مادة التشتت
  • ن = عدد الذرات في وحدة حجم المادة
  • ر = سمك الورقة
  • Qn = الشحنة الموجبة للنواة الذرية
  • Qα = الشحنة الإيجابية لجزيئات ألفا
  • م = كتلة جسيم ألفا
  • ت = سرعة جسيم ألفا

النموذج النهائي

باستخدام نموذج معادلات رذرفورد ، جربت تجربة لإظهار ما كان مفترضًا ، وأن الذرات لديها نواة ذات شحنة موجبة.

تنبأت المعادلة المصممة بأن عدد الهبات في الدقيقة (الدقائق) الواجب مراعاتها في زاوية معينة (Φ) يجب أن يتناسب مع:

  • csc4Φ / 2
  • سمك ورقة ر
  • حجم الحمل المركزي Qn
  • 1 / (mv2) 2

من أجل توضيح هذه الفرضيات الأربعة ، يتم إنشاء أربع تجارب ، والتي يتم شرحها من قبل المقال قوانين انحراف الجزيئات α من خلال زوايا كبيرة من عام 1913.

لاختبار التأثير المتناسب مع csc4Φ / 2 ، قاموا ببناء أسطوانة على أعلى القرص الدوار ، على عمود.

يسمح العمود الذي يضخ الهواء والمجهر المغطى بشاشة الفلورسنت بمراقبة الجزيئات التي انحرفت حتى 150 درجة ، والتي تم توضيح فرضية راذرفورد.

لاختبار فرضية سمك الورقة ، قم بتركيب قرص به 6 ثقوب مغطاة بصفائح مختلفة السماكة. وقد لوحظ أن عدد الهبات يتناسب مع السماكة.

لقد قاموا بإعادة استخدام القرص من التجربة السابقة لقياس نمط التشتت ، على افتراض أن الحمل الأساسي يتناسب مع الوزن الذري ، وقاموا بقياس ما إذا كان التشتت يتناسب مع الوزن الذري التربيعي.

مع الهبات التي تم الحصول عليها ، مقسومة على ما يعادل الهواء ، ثم مقسوما على الجذر التربيعي للوزن الذري ، وجدوا أن النسب متشابهة

وأخيراً ، مع نفس قرص التجربة ، كانوا يضعون المزيد من أقراص الميكا لتثبيط الجسيمات ، ومع وجود نطاق خطأ مقبول ، أظهروا أن عدد التلألؤ يتناسب مع 1 / v4 ، كما تنبأ رذرفورد في نموذجه .

من خلال التجارب أثبتوا أن جميع فرضيات راذرفورد قد تم الوفاء بها بطريقة حددت نموذج راذرفورد الذري. في هذا النموذج ، الذي نُشر أخيرًا في عام 1917 ، يُفترض أن الذرات لها نواة مركزية ذات شحنة موجبة.

إذا كانت النواة المركزية للذرة هي ذات الشحنة الموجبة ، فإن باقي الذرة ستكون فارغة مع الإلكترونات التي تدور حولها.

مع هذا النموذج تبين أن الذرات لها شحنة محايدة وأن الشحنة الموجبة الموجودة في النواة تتصدى بنفس العدد من الإلكترونات التي تدور حولها.

إذا أزلنا الإلكترونات من الذرة ، فسيتم تركها بشحنة موجبة. الذرات مستقرة ، لأن قوة الطرد المركزي تساوي القوة الكهربائية ، مما يحافظ على الإلكترونات في مكانها