Das Rutherford-Experiment und seine Prototypen

Die Rutherford-Experiment Es ermöglichte einer Gruppe von Wissenschaftlern zu entdecken, dass jedes Atom einen positiv geladenen Kern hat.

Ernest Rutherford, war ein neuseeländischer Physiker und Chemiker. Er konzentrierte sich auf das Studium radioaktiver Teilchen und führte mehrere Untersuchungen durch, die es ihm ermöglichten, 1908 den Nobelpreis für Chemie zu erhalten.

Unter der Leitung von Rutherford, Hans Geiger und Ernest Marsden, halfen sie in den Laboratorien der Universität von Manchester, das atomare Modell zu schaffen.

Eine der ersten Atomtheorien, die es gibt, ist diejenige, die von Thomson, dem Entdecker des Elektrons, formuliert wurde. Er glaubte, dass Atome Kugeln mit einer positiven Ladung seien, und dass Elektronen darin verteilt seien.

Thomsons Theorie besagt, dass, wenn ein Alpha-Teilchen mit einem Atom kollidiert, dieses Teilchen durch das Atom hindurchgehen würde. Dies würde nach diesem Modell durch das elektrische Feld des Atoms beeinflusst werden.

Zu dieser Zeit waren Protonen und Neutronen noch nicht entdeckt worden. Thomson konnte seine Existenz nicht beweisen, und sein Modell wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht akzeptiert.

Um die Existenz von Thomsons Theorie zu demonstrieren, führten Rutherford, Geiger und Marsend ein Experiment durch, bei dem sie mit Heliumgaskernen gebildete Alphateilchen gegen eine Metallplatte bombardierten.

Wenn das Thomson-Modell funktioniert, müssten die Partikel ohne jede Abweichung durch das Blech laufen.

Entwicklung des Rutherford-Experiments

Erster Prototyp

Der erste Entwurfsprototyp des Experiments, 1908 durchgeführt, wurde von Geiger in einem Artikel mit dem Titel erklärtÜber die Dispersion von Teilchen durch Materie.

Sie bauten eine fast zwei Meter lange Glasröhre, an einem Ende befand sich eine Radioquelle, und am gegenüberliegenden Ende wurde ein phosphoreszierender Schirm angebracht. In der Mitte der Röhre wurde eine Art Trichter angeordnet, durch den die Alphateilchen gelangen konnten.

Der Prozess folgte, um die Alphateilchen durch den Schlitz zu leiten, so dass sie den Lichtstrahl auf den phosphoreszierenden Schirm projizieren würden.

Indem die gesamte Luft aus der Röhre gepumpt wurde, war das erhaltene Bild klar und entsprach der Öffnung in der Mitte der Röhre. Wenn die Luftmenge in der Röhre abgesenkt wurde, wurde das Bild diffuser.

Danach, um zu sehen, welcher Flugbahn die Teilchen folgten, wenn sie auf etwas stießen oder hindurchgingen, wie Thomsons Theorie behauptete, wurde ein Goldblatt in den Schlitz eingeführt.

Dies zeigte, dass die Luft und die Feststoffe eine Dispersion der Teilchen verursachten, die in dem phosphoreszierenden Schirm mit diffuseren Bildern reflektiert wurde.

Das Problem mit diesem ersten Prototyp ist, dass es nur das Ergebnis der Dispersion zeigte, aber nicht die Flugbahn, der die Alphateilchen folgten.

Zweiter Prototyp

Geiger und Marsden veröffentlichen 1909 einen Artikel, in dem sie ein Experiment zur Demonstration der Bewegung von Alphateilchen erklären.

In einer diffusen Reflexion von Alpha-Teilchen Es wird erklärt, dass das Experiment darauf abzielt herauszufinden, dass sich die Teilchen in Winkeln von mehr als 90 Grad bewegen.

Sie erstellten einen zweiten Prototyp für das Experiment, bei dem ein Glasbehälter mit einer konischen Form geschaffen wurde. Sie montierten eine Bleiplatte, so dass die Alphateilchen mit ihr kollidierten, und um ihre Dispersion zu sehen, wurde eine fluoreszierende Platte dahinter platziert.

Das Problem bei der Konfiguration dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Partikel die Bleiplatte vermeiden und von den Luftmolekülen abprallen.

Sie testeten, indem sie ein Metallblech auf den Leuchtschirm legten und sahen, dass die Partikel mehr Treffer hatten.

Es wurde gezeigt, dass Metalle, die eine höhere atomare Masse aufwiesen, mehr Teilchen reflektierten, aber Geiger und Masden wollten die genaue Anzahl der Teilchen wissen. Aber das Experiment mit Radio und radioaktiven Materialien konnte nicht exakt sein.

Dritter Prototyp

Der Artikel Die Dispersion von α-Teilchen durch Materie von 1910 erklärt das dritte Experiment, das Geiger entworfen hat. Hier war es bereits darauf fokussiert, den Streuwinkel der Partikel zu messen, abhängig vom Material, mit dem sie in Kontakt kommen.

Diesmal war die Röhre wasserdicht, und das Quecksilber pumpte Radon-222 zum Leuchtschirm. Mit Hilfe des Mikroskops wurden die auf dem Leuchtschirm erscheinenden Blitze gezählt.

Die Winkel, denen die Teilchen folgten, wurden berechnet, und es wurden die Schlußfolgerungen gezogen, daß die Ablenkwinkel mit der größeren Atommasse des Materials zunehmen und daß sie auch proportional zur Atommasse der Substanz ist.

Der wahrscheinlichste Ablenkwinkel nimmt jedoch mit der Geschwindigkeit ab und die Wahrscheinlichkeit, dass er um mehr als 90 Grad abweicht, ist vernachlässigbar.

Mit den in diesem Prototyp erhaltenen Ergebnissen berechnete Rutherford das Dispersionsmuster mathematisch.

Durch eine mathematische Gleichung wurde berechnet, wie die Folie die Teilchen dispergieren soll, unter der Annahme, dass das Atom in seinem Zentrum die positive elektrische Ladung aufweist. Letzteres wurde nur als Hypothese betrachtet.

Die entwickelte Gleichung war wie folgt:

Dabei ist s = die Anzahl der Alphateilchen, die mit einem Ablenkwinkel Φ auf die Einheitsfläche fallen

• r = der Abstand des Einfallspunkts der Alphastrahlen auf das Dispersionsmaterial
• X = die Gesamtzahl der Teilchen, die auf das Dispersionsmaterial fallen
• n = die Anzahl der Atome in einer Volumeneinheit des Materials
• t = die Dicke des Blattes
• Qn = die positive Ladung des Atomkerns
• Qα = die positive Ladung der Alphateilchen
• m = die Masse eines Alphateilchens
• v = die Geschwindigkeit des Alphateilchens

Endgültiger Prototyp

Mit dem Modell der Rutherford-Gleichungen wurde versucht, zu demonstrieren, was postuliert wurde und dass die Atome einen Kern mit positiver Ladung hatten.

Die entworfene Gleichung sagt voraus, dass die Anzahl der Szintillationen pro Minute (s), die bei einem gegebenen Winkel (Φ) beobachtet werden, proportional zu:

• CSC⁴Φ/2
• Dicke des Blattes
• Größe der zentralen Last Qn
• 1 / (mv²)²

Um diese vier Hypothesen zu demonstrieren, werden vier Experimente erstellt, die durch den Artikel erklärt werden Die Gesetze der Ablenkung von α-Teilchen um große Winkel von 1913.

Um den Effekt zu testen, der zu csc proportional ist⁴Φ / 2, baute einen Zylinder auf einem Drehtisch, auf einer Säule.

Die Säule, die die Luft pumpte, und das Mikroskop, das mit einem fluoreszierenden Schirm bedeckt war, erlaubten die Beobachtung der Teilchen, die bis 150º abgewichen waren, womit die Hypothese Rutherfords bewiesen wurde.

Um die Hypothese der Dicke des Blattes zu prüfen, montierte man eine Scheibe mit 6 Löchern, die mit Blättern unterschiedlicher Dicke bedeckt waren. Es wurde beobachtet, dass die Anzahl der Blitze proportional zur Dicke war.

Sie verwendeten die Scheibe des vorherigen Experiments erneut, um das Dispersionsmuster zu messen, unter der Annahme, dass die Belastung des Kerns proportional zum Atomgewicht war, und sie maßen, ob die Dispersion proportional zum Atomgewicht im Quadrat war.

Mit den erhaltenen Blitzen, dividiert durch das Äquivalent von Luft, und dann geteilt durch die Quadratwurzel des Atomgewichts, fanden sie, dass die Anteile ähnlich waren

Und schließlich, mit der gleichen Scheibe des Experiments, setzten sie mehr Glimmerscheiben, um die Teilchen zu verzögern, und mit einem akzeptablen Fehlerbereich zeigten sie, dass die Anzahl der Szintillationen proportional zu 1 / v war⁴, wie Rutherford in seinem Modell vorausgesagt hatte.

Durch die Experimente bewiesen sie, dass alle Rutherford-Hypothesen auf eine Weise erfüllt wurden, die das Rutherford-Atommodell bestimmte. In diesem Modell, das schließlich 1917 veröffentlicht wurde, wird postuliert, dass Atome einen zentralen Kern mit einer positiven Ladung haben.

Wenn der zentrale Kern des Atoms der mit der positiven Ladung ist, wird der Rest des Atoms leer sein mit den Elektronen, die ihn umkreisen.

Mit diesem Modell wurde gezeigt, dass Atome eine neutrale Ladung haben und dass die positive Ladung, die im Kern gefunden wird, durch die gleiche Anzahl von Elektronen umkreist wird.

Wenn wir Elektronen vom Atom entfernen, haben sie dann eine positive Ladung. Die Atome sind stabil, da die Zentrifugalkraft gleich der elektrischen Kraft ist und die Elektronen an Ort und Stelle hält

Referenzen

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