Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Rutherford kisérlet

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

 

Rutherfordék eredetileg a Thomson-féle atommodellt használták. Eszerint az atomok nagy kiterjedésű, pozitív elektromos töltésű, "puha" anyagból, és ezekbe ágyazott apró elektronokból állnak. Az ilyen atom felé nagy sebességgel száguldó nehéz alfa-részecske pályáját a könnyű elektronok biztosan nem tudják módosítani, ezért elegendő csak a nehéz, pozitív töltésű "puding" hatását vizsgálni. Ezért az elektronok hatását teljesen elhanyagoljuk, csak a pudinggal foglalkozunk. Vizsgáljuk azt az esetet, amikor az alfa-részecske éppen "telibe találja" az atomot, azaz egyenesen ütközik vele. Ahogyan közeledik az alfa-részecske az R sugarú pudinghoz, a puding elektromos (Coulomb) taszítás révén fékezi, s ezért az alfa-részecske mozgási energiája lassan csökken, s elektrosztatikus helyzeti energiává alakul. Ha nincs elegendő mozgási energiája, akkor egy idő múlva megáll (ekkor a teljes mozgási energiája helyzeti energiává alakult), majd innen a pozitív töltés taszító hatására visszafordul, és visszarepül. Minél nagyobb volt kezdetben a mozgási energiája, annál mélyebben hatol be az elektromosan töltött "puding" belsejébe. Itt azonban már csak egyre kisebb és kisebb taszítóerőt fog érezni! Ezt beláthatjuk, ha arra gondolunk, hogy a középpontban a ráható erők eredője nyilván nulla kell legyen a szimmetria miatt. Az egyre kisebb és kisebb taszítóerő miatt az elektrosztatikus potenciális energia is lassabban nő, mint a pudingon kívül. Végülis az az elektrosztatikus potenciáldomb, amire az alfa-részecskének fel kell másznia, az ábrán látható módon néz ki.

 

A számítások szerint a potenciálgát maximális magassága másfélszer akkora, mint a részecske potenciális energiája az "atom" felszínén. Itt e az elemi töltés, Ze az "atom" teljes töltése, 2e az alfa-részecske elektromos töltése, R pedig a pozitív töltésű gömb sugara. Az arany atomjának sugarára is lehet egy becslést adni, s ennek alapján az aranyatomok sugara R ~ 1,29× 10-10 m. Ezt a képletbe helyettesítve a maximális energia pedig Emax = 4,23× 10-17J.

 

Rutherford polónium által kibocsátott alfa-részeket használt, amelyek mozgási energiája 7,64× 10-13J volt, azaz több, mint tízezerszer nagyobb, mint a megmászandó potenciálgát magassága. Ezért Rutherfordék azt várták, hogy az alfa-részecskék úgy áthatolnak az aranyfüst-lemezen, mint a puskagolyó a pudingon.

 

A kísérlet eredménye: Kezdetben minden az elvárásnak megfelelően történt: az alfa-részecskék valóban áthaladtak a vékony fólián. Egyesek ugyan kissé eltérültek, de arra gondoltak, hogy ezek valószínűleg nem egyenesen ütköztek az atomokkal.

 

Akkor jött azonban a megdöbbenés, amikor egyszer - szinte véletlenül - a lemez túloldalára is áthelyezték a detektort. Nagyon ritkán ugyan, de azt tapasztalták, hogy voltak olyan alfa-részek, amelyek "visszapattantak" a fóliáról.

 

Rutherford a tapasztaltakból az alábbi következtetéseket vonta le:

- Az atom pozitív töltése az atom közepén kicsiny térfogatú "magban" helyezkedik el. - Az atommagban koncentrálódik az atom csaknem teljes tömege.

 

A képek mutatják, hogy hogyan szóródnak a különböző távolságra beeső alfa-részecskék egy atommagon

 

 

A Rutherford-féle atommodell:

 

Az atommag felfedezése után még az elektronokra (és az atom szerkezetére) vonatkozóan is kellett elképzelést kialakítani. Rutherford a Naprendszerhez hasonló modellt állított fel: ahogyan a nagy tömegű Nap körül nagy távolságra keringenek a kis tömegű bolygók, úgy keringenek a nagy tömegű atommag körül a kis tömegű elektronok. Az atomok méretét a Rutherford-modellben tehát az elektronpályák sugara szabja meg! Mivel az atomok kívülről elektromosan semlegesek, ezért annyi (negatív elektromos töltésű) elektron kering az atommag körül, hogy együttesen kiegyenlítsék az atommagban összezsúfolt pozitív töltéseket.

 

A Rutherford-modell hiányosságai: A Rutherford-féle atommodell az atommag felismerése révén jelentős előrelépés volt a Thomson-modellhez képest. A Rutherford-modell sajátos ellentmondása, hogy bár az elektromosságtan törvényei alapján "működik", a klasszikus elektromágneses sugárzáselmélettel mégis ellentmondásban van. A keringő elektronok ugyanis gyorsulnak, a gyorsuló töltés pedig elektromágneses sugárzást bocsát ki, s ez a sugárzás energiát visz el. Az energiamegmaradás törvénye értelmében ez a sugárzás a keringő elektron energiáját felemésztené, és az elektron végül belezuhanna az atommagba.

 

A Rutherford-féle atom tehát a klasszikus fizika törvényei szerint nem lehetne stabil.

 

Kölcsönhatási potenciál az alfa-részecske és a Thomson-atom között

 

A számítások szerint  a potenciálgát maximális magassága másfélszer akkora, mint a részecske potenciális energiája az "atom" felszínén. Az arany atomjának sugarára is lehet egy becslést adni, s ennek alapján az aranyatomok sugara ~  1,29× 10-10 m. Ezt a képletbe helyettesítve a maximális energia pedig Emax = 4,23× 10-17J.

 

Rutherford polónium által kibocsátott alfa-részeket használt, amelyek mozgási energiája 7,64× 10-13J volt, azaz több, mint tízezerszer nagyobb, mint a megmászandó potenciálgát magassága. Ezért Rutherfordék azt várták, hogy az alfa-részecskék úgy áthatolnak az aranyfüst-lemezen, mint a puskagolyó a pudingon.

 

A kísérlet eredménye:

Kezdetben minden az elvárásnak megfelelően történt: az alfa-részecskék valóban áthaladtak a vékony fólián. Egyesek ugyan kissé eltérültek, de arra gondoltak, hogy ezek valószínűleg nem egyenesen ütköztek az atomokkal.

 

Rutherford szerint: "Határozottan ez volt a leghihetetlenebb esemény, amellyel életemben találkoztam. Majdnem olyan hihetetlen volt, mintha valaki 15 hüvelykes gránáttal egy selyempapír darabkára tüzelne, és az visszatérve őt magát találná el."

 

A kísérlet eredménye a Thomson-féle képpel semmiféleképpen sem volt magyarázható, hiszen a Thomson-atomokon a nagy energiájú alfa-részecskéknek könnyedén át kellett volna hatolniuk, nem pattanhattak volna vissza

 

A kísérleti tapasztalat értelmezése:

Az, hogy egy alfa-részecske visszafordul, azt kell jelentse, hogy az alfa-részecske nem tudja megmászni a potenciáldombot, azaz a mozgási energiája kisebb, mint a potenciálgát magassága. Ebből átrendezve a pozitív töltésű gömb sugarára kapunk egy felső korlátot. Behelyettesítve a számadatokat azt kapjuk, hogy R<7,15× 10-14 m, azaz több, mint tízezerszer kisebb az aranyatomok sugaránál!

 

Rutherford a tapasztaltakból az alábbi következtetéseket vonta le:

- Az atom pozitív töltése az atom közepén kicsiny térfogatú "magban" helyezkedik el.
- Az atommagban koncentrálódik az atom csaknem teljes tömege.
 

 

TartalomjegyzékhezVilágképem <  Anyag-időszak     

----------------------

https://hu.wikipedia.org/wiki/Bohr-f%C3%A9le_atommodell 

https://hu.wikipedia.org/wiki/Rutherford-k%C3%ADs%C3%A9rlet 

https://hu.wikipedia.org/wiki/Thomson-f%C3%A9le_atommodell

http://esca.atomki.hu/~egri/atomok/htm/szoras.html