RUTHERFORD'UN DENEYI: TARIH, AÇIKLAMA VE SONUÇLAR - BILIM - 2025

Deney Rutherford , 1908 ve 1913 arasında gerçekleştirilen, alfa parçacıkları ile kalın 0,0004 mm ince bir altın filmi bomba bir floresan ekran üzerinde kalan bahsedilen parçacıkların dispersiyonu pattern analiz oluşuyordu.

Aslında, Rutherford, ayrıntıları giderek daha fazla rafine ederek çok sayıda deney yaptı. Sonuçları dikkatlice analiz ettikten sonra, iki çok önemli sonuç ortaya çıktı:

-Atomun pozitif yükü, çekirdek adı verilen bir bölgede yoğunlaşmıştır.

-Bu atom çekirdeği, atomun boyutuna kıyasla inanılmaz derecede küçük.

Şekil 1. Rutherford'un deneyi. Kaynak: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937), ilgi alanı radyoaktivite ve maddenin doğası olan Yeni Zelanda doğumlu bir fizikçiydi. Radyoaktivite, Rutherford deneylerine başladığında yeni bir fenomendi, 1896'da Henri Becquerel tarafından keşfedilmişti.

1907'de Rutherford, atomun yapısını incelemek için İngiltere'deki Manchester Üniversitesi'ne taşındı ve bu alfa parçacıklarını böylesine küçük bir yapının içine bakmak için problar olarak kullandı. Fizikçiler Hans Geiger ve Ernest Marsden bu görevde ona eşlik etti.

İki kat iyonize helyum atomu olan bir alfa parçacığının, tek bir altın atomuyla nasıl etkileşime gireceğini görmeyi umarak, yaşadığı herhangi bir sapmanın yalnızca elektrik kuvvetinden kaynaklandığından emin oldular.

Bununla birlikte, alfa parçacıklarının çoğu altın folyodan sadece hafif bir sapma ile geçti.

Bu gerçek, Thomson'ın atom modeliyle tam bir uyum içindeydi, ancak araştırmacıları şaşırtacak şekilde, alfa parçacıklarının küçük bir yüzdesi oldukça dikkat çekici bir sapma yaşadı.

Ve daha da küçük bir parçacık yüzdesi geri gelir ve tamamen geri sıçrar. Bu beklenmedik sonuçlar neye bağlıydı?

Deneyin tanımı ve sonuçları

Aslında, Rutherford'un sonda olarak kullandığı alfa parçacıkları helyum çekirdekleridir ve o zamanlar sadece bu parçacıkların pozitif yüklü olduğu biliniyordu. Günümüzde alfa parçacıklarının iki proton ve iki nötrondan oluştuğu bilinmektedir.

Alfa parçacıkları ve beta parçacıkları, Rutherford tarafından uranyumdan iki farklı radyasyon türü olarak tanımlanmıştı. Elektrondan çok daha büyük olan alfa parçacıkları, pozitif elektrik yüküne sahipken, beta parçacıkları elektron veya pozitron olabilir.

Şekil 2. Rutherford, Geiger ve Marsden deneyinin ayrıntılı şeması. Kaynak: R. Knight. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.

Deneyin basitleştirilmiş bir şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. Alfa parçacık ışını radyoaktif bir kaynaktan gelir. Geiger ve Marsden, yayıcı olarak radon gazı kullandı.

Kurşun bloklar, radyasyonu altın folyoya yönlendirmek ve doğrudan floresan ekrana gitmesini önlemek için kullanıldı. Kurşun, radyasyonu emen bir malzemedir.

Daha sonra, bu şekilde yönlendirilen ışın, ince bir altın folyoya çarpacak şekilde yapıldı ve parçacıkların çoğu, küçük bir ışık izi bıraktıkları floresan çinko sülfat ekrana doğru yoluna devam etti. Geiger onları tek tek saymakla görevliydi, ancak daha sonra bunu yapan bir cihaz tasarladılar.

Bazı parçacıkların küçük bir sapmaya uğraması Rutherford, Geiger ve Marsden'i şaşırtmadı. Sonuçta, atomda alfa parçacıklarına kuvvet uygulayan pozitif ve negatif yükler vardır, ancak atom nötr olduğundan, zaten bildikleri gibi, sapmaların küçük olması gerekiyordu.

Deneyin sürprizi, birkaç pozitif parçacığın neredeyse doğrudan geri sıçramasıdır.

Sonuçlar

8000 alfa parçacığından yaklaşık 1'i, 90º'den büyük açılarda sapma yaşadı. Az ama bazı şeyleri sorgulamak için yeterli.

Rutherford'un Cavendish Laboratuvarı'ndaki eski profesörü Thomson'ın kurumlu pudingi moda modeliydi, ancak Rutherford, çekirdeği olmayan ve elektronları kuru üzüm olarak gömülü bir atom fikrinin doğru olup olmadığını merak etti.

Çünkü, alfa parçacıklarının bu büyük sapmalarının ve birkaçının geri dönebilmesinin, ancak atomun küçük, ağır, pozitif bir çekirdeğe sahip olmasıyla açıklanabileceği ortaya çıktı. Rutherford, herhangi bir sapmadan yalnızca Coulomb yasasında belirtildiği gibi elektriksel çekici ve itici kuvvetlerin sorumlu olduğunu varsaydı.

Bazı alfa parçacıkları doğrudan bu çekirdeğe yaklaştığında ve elektrik kuvveti uzaklığın ters karesine göre değiştiğinden, geniş açılı saçılmaya veya geriye doğru sapmaya neden olan bir itme hissederler.

Elbette, Geiger ve Marsden, çok ince tabakalar oluşturmak için bu metal işlenebilirliği için en uygun olmasına rağmen, sadece altın değil, farklı metal tabakaları bombardıman etmeyi denediler.

Benzer sonuçlar elde ederek Rutherford, Thomson'ın modelinde öne sürdüğü gibi atom üzerindeki pozitif yükün çekirdekte yer alması ve hacmi boyunca dağılmaması gerektiğine ikna oldu.

Öte yandan, alfa parçacıklarının büyük çoğunluğu sapmadan geçtiği için çekirdeğin atom boyutuna göre çok çok küçük olması gerekiyordu. Bununla birlikte, bu çekirdek atomun kütlesinin çoğunu yoğunlaştırmak zorundaydı.

Atom modeli üzerindeki etkiler

Sonuçlar, Cambridge'deki bir konferansta şunları söyleyen Rutherford'u çok şaşırttı: “… bir kağıt mendil yaprağına 15 inçlik bir gülle attığınızda ve mermi doğrudan size doğru sıçrayıp size çarptığında” gibi.

Bu sonuçlar Thomson'ın atom modeliyle açıklanamadığından, Rutherford atomun çok küçük, çok büyük ve pozitif yüklü bir çekirdekten oluştuğunu öne sürdü. Elektronlar minyatür bir güneş sistemi gibi etrafındaki yörüngelerde kaldı.

Şekil 3. Soldaki Rutherford atom modeli ve sağdaki Thomson'ın kuru üzümlü puding modeli. Kaynak: Wikimedia Commons. Soldaki resim: Jcymc90

Soldaki Şekil 3'te gösterilen atomun nükleer modelinin tamamı budur. Elektronlar da çok çok küçük olduğundan, atomun neredeyse her şey olduğu ortaya çıkıyor…. boş! Bu nedenle, alfa parçacıklarının çoğu tabakadan neredeyse hiç sapmadan geçer.

Ve minyatür bir güneş sistemiyle benzerlik çok doğrudur. Atom çekirdeği, hemen hemen tüm kütle artı pozitif yükü içeren Güneş rolünü oynar. Elektronlar etraflarında gezegenler gibi yörüngede dolanır ve negatif yük taşır. Montaj elektriksel olarak nötrdür.

Atomdaki elektronların dağılımı hakkında Rutherford'un deneyi hiçbir şey göstermedi. Alfa parçacıklarının kendileriyle bir miktar etkileşime gireceğini düşünebilirsiniz, ancak elektronların kütlesi çok küçük ve parçacıkları önemli ölçüde saptıramadılar.

Rutherford modelinin dezavantajları

Bu atom modeliyle ilgili bir problem, tam da elektronların davranışıydı.

Bunlar statik olmasaydı, atom çekirdeğini elektriksel çekimle yönlendirilen dairesel veya eliptik yörüngelerde yörüngede dönüyor olsalardı, çekirdeğe doğru koşarlardı.

Bunun nedeni, hızlandırılmış elektronların enerji kaybetmesidir ve bu olursa, atomun ve maddenin çökmesi olur.

Neyse ki olan bu değil. Çökmeyi önleyen bir tür dinamik istikrar var. Rutherford'dan sonraki atom modeli Bohr'un atomik çöküşün neden meydana gelmediğine dair bazı cevaplar verdi.

Proton ve nötron

Rutherford saçılma deneyleri yapmaya devam etti. 1917 ile 1918 arasında, o ve asistanı William Kay, bizmut-214'ten gelen yüksek enerjili alfa parçacıklarıyla gaz halindeki nitrojen atomlarını bombardıman etmeyi seçtiler.

Hidrojen çekirdeği tespit ettiğinde yine şaşırdı. Bu, şimdiye kadar ulaşılan ilk yapay nükleer dönüşüm olan reaksiyonun denklemidir:

Cevap şuydu: aynı nitrojenden. Rutherford hidrojene atom numarası 1 olarak atamıştı, çünkü bu en basit elementtir: pozitif bir çekirdek ve bir negatif elektron.

Rutherford, Yunanca sözcükten türetilen bir isim olan proton adını verdiği temel bir parçacık bulmuştu. Bu şekilde proton, her atom çekirdeğinin temel bir bileşenidir.

Daha sonra, 1920 civarında, Rutherford, protonun kütlesine çok benzeyen nötr bir parçacık olması gerektiğini öne sürdü. Bu parçacığı bir nötron olarak adlandırdı ve neredeyse tüm bilinen atomların bir parçası. Fizikçi James Chadwick nihayet 1932'de onu tanımladı.

Hidrojen atomunun ölçekli modeli neye benziyor?

Hidrojen atomu, daha önce de söylediğimiz gibi, en basit olanıdır. Ancak bu atom için bir model geliştirmek kolay olmadı.

Ardışık keşifler, Kuantum Fiziği ve fenomeni atom ölçeğinde tanımlayan bütün bir teori ortaya çıkardı. Bu süreçte atom modeli de gelişti. Ama bedenler sorusuna bir göz atalım:

Hidrojen atomunun bir protondan (pozitif) oluşan bir çekirdeği ve tek bir elektronu (negatif) vardır.

Hidrojen atomunun yarıçapı 2,1 x ^10-10 m olarak tahmin edilirken, protonunki 0,85 x ^10-15 m veya 0,85 femtometredir. Bu küçük birimin adı Enrico Fermi'den kaynaklanmaktadır ve bu ölçekte çalışırken çok kullanılır.

De, çekirdeğin atomun yarıçapı ve bu bölüm 10 mertebesindedir ⁵ , m ise, atom çekirdeği 100.000 kat daha büyük!

Bununla birlikte, Kuantum Mekaniğine dayanan çağdaş modelde, elektronun çekirdeği yörünge adı verilen bir tür bulutla (bir yörünge bir yörünge değildir) ve elektronun atom ölçeğinde olmadığı akılda tutulmalıdır. dakik.

Hidrojen atomu - hayal gücüyle - bir futbol sahası büyüklüğünde büyütülmüş olsaydı, pozitif bir protondan oluşan çekirdek, alanın ortasındaki bir karıncanın boyutu olurken, negatif elektron bir tür hayalet gibi olurdu. alan boyunca dağılmış ve pozitif çekirdeği çevreliyor.

Atom modeli bugün

Bu "gezegen tipi" atom modeli çok kökleşmiş ve görselleştirmesi çok kolay olduğu için çoğu insanın atomun sahip olduğu görüntüdür. Ancak günümüzde bilimsel alanda kabul gören model değildir.

Çağdaş atom modelleri, Kuantum Mekaniğine dayanmaktadır. Rutherford'un öngördüğü gibi, atomdaki elektronun tam yörüngeleri takip eden negatif yüklü bir nokta olmadığına dikkat çekiyor.

Daha ziyade, elektron, atomik orbitaller adı verilen pozitif çekirdeğin etrafındaki alanlara dağılmıştır. Ondan bir eyalette olma olasılığını bilebiliriz.

Buna rağmen, Rutherford'un modeli, atomun iç yapısı bilgisinde muazzam bir ilerlemeyi temsil ediyordu. Ve daha fazla araştırmacının onu iyileştirmeye devam etmesine yol açtı.

Referanslar

1. Andriessen, M. 2001. HSC Kursu. Fizik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Üniversite Fiziği. Akademik Basın.
3. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.
4. Fizik OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden Deneyi. Physicsopenlab.org adresinden kurtarıldı.
5. Rex, A. 2011. Temel Fizik. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Rutherford Saçılma Deneyi. Erişim: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherford'un Deneyleri. Xaktly.com adresinden kurtarıldı.
8. Vikipedi. Rutherford'un deneyi. Es.wikipedia.org adresinden kurtarıldı.