Πείραμα Geiger–Marsden
αγγλικά : Geiger–Marsden experiment
γαλλικά :
γερμανικά :
Τα πειράματα Geiger – Marsden (ονομάζονται επίσης πείραμα χρυσού φύλλου Rutherford) ήταν μια σειρά ορόσημων πειραμάτων με τα οποία οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι κάθε άτομο έχει έναν πυρήνα όπου συγκεντρώνεται όλο το θετικό του φορτίο και το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του. Αυτό το συνήγαγαν μετά τη μέτρηση του τρόπου διάδοσης μιας δέσμης σωματιδίων άλφα όταν χτυπά ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν μεταξύ 1908 και 1913 από τους Hans Geiger και Ernest Marsden υπό τη διεύθυνση του Ernest Rutherford στα Φυσικά Εργαστήρια του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ.
Η δημοφιλής θεωρία της ατομικής δομής τη στιγμή του πειράματος του Rutherford ήταν το "μοντέλο πουτίγκα δαμάσκηνου". Αυτό το μοντέλο επινοήθηκε από τον Λόρδο Kelvin και αναπτύχθηκε περαιτέρω από τον J. J. Thomson. Ο Τόμσον ήταν ο επιστήμονας που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο και ότι ήταν ένα συστατικό κάθε ατόμου. Ο Τόμσον πίστευε ότι το άτομο ήταν μια σφαίρα θετικής φόρτισης στην οποία διανέμονταν τα ηλεκτρόνια, σαν σταφίδες σε μια χριστουγεννιάτικη πουτίγκα. Η ύπαρξη πρωτονίων και νετρονίων ήταν άγνωστη αυτή τη στιγμή. Ήξεραν ότι τα άτομα ήταν πολύ μικροσκοπικά (ο Rutherford υποθέτει ότι ήταν της τάξης των 10-8 m σε ακτίνα [1]). Αυτό το μοντέλο βασίστηκε εξ ολοκλήρου στην κλασική (Νεύτωνα) φυσική. το τρέχον αποδεκτό μοντέλο χρησιμοποιεί κβαντική μηχανική.
Το μοντέλο του Thomson δεν έγινε αποδεκτό παγκοσμίως πριν από τα πειράματα του Rutherford. Ο ίδιος ο Τόμσον δεν μπόρεσε ποτέ να αναπτύξει ένα ολοκληρωμένο και σταθερό μοντέλο της ιδέας του. Ο Ιάπωνας επιστήμονας Hantaro Nagaoka απέρριψε το μοντέλο του Thomson με το επιχείρημα ότι τα αντιτιθέμενες φορτία δεν μπορούν να διεισδύσουν μεταξύ τους. [2] Αντίθετα, πρότεινε τα ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω από το θετικό φορτίο, όπως οι δακτύλιοι γύρω από τον Κρόνο. [3]
Αριστερά: Αν το μοντέλο του Thomson ήταν σωστό, όλα τα σωματίδια άλφα θα έπρεπε να είχαν περάσει από το φύλλο με ελάχιστη σκέδαση.
Δεξιά: Αυτό που παρατήρησαν οι Geiger και Marsden ήταν ότι ένα μικρό κλάσμα των σωματιδίων άλφα παρουσίασε ισχυρή εκτροπή.
Με εντολή του Rutherford, οι Geiger και Marsden πραγματοποίησαν μια σειρά πειραμάτων όπου χρησιμοποίησαν μια δέσμη σωματιδίων άλφα που πέφτει σε ένα λεπτό φύλλο μετάλλου και μέτρησαν το μοτίβο σκέδασης χρησιμοποιώντας μια οθόνη φθορισμού. Εντοπίστηκαν σωματίδια άλφα που αναπηδούν από το μεταλλικό φύλλο προς όλες τις κατευθύνσεις, μερικά πίσω στην πηγή. Αυτό θα έπρεπε να ήταν αδύνατο σύμφωνα με το μοντέλο του Thomson. Τα σωματίδια άλφα θα έπρεπε να είχαν περάσει κατευθείαν. Προφανώς, αυτά τα σωματίδια είχαν αντιμετωπίσει μια ηλεκτροστατική δύναμη πολύ μεγαλύτερη από ό, τι πρότεινε το μοντέλο του Thomson. Επιπλέον, μόνο ένα μικρό κλάσμα των σωματιδίων άλφα εκτρέπεται περισσότερο από 90 °. Οι περισσότεροι πέταξαν κατευθείαν στο φύλλο με αμελητέα εκτροπή. [8]
Για να εξηγήσει αυτό το παράξενο αποτέλεσμα, ο Rutherford φαντάστηκε ότι το θετικό φορτίο του ατόμου συγκεντρώθηκε σε έναν μικρό πυρήνα στο κέντρο του, το οποίο με τη σειρά του σήμαινε ότι το μεγαλύτερο μέρος του όγκου του ατόμου ήταν κενό.
Σε ένα έγγραφο του 1913, οι νόμοι της εκτροπής των σωματιδίων μέσω των μεγάλων γωνιών, [17] Οι Geiger και Marsden περιγράφουν μια σειρά πειραμάτων με τα οποία προσπάθησαν να επαληθεύσουν πειραματικά την εξίσωση που ανέπτυξε ο Rutherford. Η εξίσωση του Rutherford προέβλεπε ότι ο αριθμός των σπινθηρισμών ανά λεπτό s που θα παρατηρηθούν σε μια δεδομένη γωνία Φ πρέπει να είναι ανάλογος με:
csc4(Φ/2)
πάχος φύλλου t
μέγεθος του τετραγώνου της κεντρικής φόρτισης Qn
1/(mv2)2
Το έγγραφο του 1913 περιγράφει τέσσερα πειράματα με τα οποία απέδειξαν καθεμία από αυτές τις τέσσερις σχέσεις.
Αυτή η συσκευή περιγράφηκε σε ένα έγγραφο του 1913 από τους Geiger και Marsden. Σχεδιάστηκε για να μετρήσει με ακρίβεια το μοτίβο σκέδασης των σωματιδίων άλφα που παράγονται από το μεταλλικό φύλλο (F). Το μικροσκόπιο (M) και η οθόνη (S) στερεώθηκαν σε έναν περιστρεφόμενο κύλινδρο και μπορούσαν να μετακινηθούν ένας πλήρης κύκλος γύρω από το φύλλο έτσι ώστε να μπορούν να μετρήσουν τους σπινθηρισμούς από κάθε γωνία. [17]
Για να ελέγξετε πώς η σκέδαση διέφερε ανάλογα με τη γωνία εκτροπής (δηλ. Αν s ∝ csc4 (Φ / 2)) Ο Geiger και ο Marsden δημιούργησαν μια συσκευή που αποτελείται από έναν κοίλο μεταλλικό κύλινδρο τοποθετημένο σε περιστρεφόμενη πλάκα. Μέσα στον κύλινδρο βρισκόταν ένα μεταλλικό φύλλο (F) και μια πηγή ακτινοβολίας που περιείχε ραδόνιο (R), τοποθετημένα σε μια αποσπασμένη στήλη (Τ) που επέτρεπε στον κύλινδρο να περιστρέφεται ανεξάρτητα. Η στήλη ήταν επίσης ένας σωλήνας με τον οποίο αντλήθηκε αέρας από τον κύλινδρο. Ένα μικροσκόπιο (M) με τον αντικειμενικό φακό του καλυμμένο από μια οθόνη θειούχου ψευδαργύρου φθορισμού (S) διείσδυσε στο τοίχωμα του κυλίνδρου και έδειξε το μεταλλικό φύλλο. Γυρίζοντας το τραπέζι, το μικροσκόπιο θα μπορούσε να μετακινηθεί σε πλήρη κύκλο γύρω από το φύλλο, επιτρέποντας στον Geiger να παρατηρήσει και να μετρήσει τα σωματίδια άλφα που εκτρέπονται έως και 150 °. Διόρθωση για πειραματικό σφάλμα, οι Geiger και Marsden διαπίστωσαν ότι ο αριθμός των σωματιδίων άλφα που εκτρέπονται από μια δεδομένη γωνία Φ είναι πράγματι ανάλογος με το csc4 (Φ / 2). [17]
Όταν ο Geiger ανέφερε στον Rutherford ότι είχε εντοπίσει τα σωματίδια άλφα να αντανακλώνται έντονα, ο Rutherford εκπλάγηκε. Σε μια διάλεξη που έδωσε ο Rutherford στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, είπε:
Ήταν το πιο απίστευτο γεγονός που μου συνέβη ποτέ στη ζωή μου. Ήταν σχεδόν τόσο απίστευτο σαν να πυροβολάς με ένα βλήμα 15 ιντσών ένα κομμάτι χαρτιού και αυτο επιστρέφει και σε χτυπά. Κατά την εκτίμησή μου, συνειδητοποίησα ότι αυτή η σκέδαση προς τα πίσω πρέπει να είναι αποτέλεσμα μιας σύγκρουσης και όταν έκανα υπολογισμούς είδα ότι ήταν αδύνατο να πάρω τίποτα τέτοιας τάξης μεγέθους εκτός αν πάρουμε ένα σύστημα στο οποίο το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του ατόμου είναι συγκεντρωμένο σε ένα μικρο πυρήνα. Τότε ήταν που είχα την ιδέα ενός ατόμου ενός μαζικού μικρού κέντρου με ένα φορτίο.
- Έρνεστ Ρόδερφορντ [20]
Hellenica World - Scientific Library
Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License
