RUTHERFORDŮV EXPERIMENT: HISTORIE, POPIS A ZÁVĚRY - VĚDA - 2025

Experiment Rutherford, prováděné mezi lety 1908 a 1913 se skládal bombardují tenký zlatý film.0004 mm silné, s částicemi alfa a analyzovat rozptylování těchto částic vlevo na fluorescenčním stínítku.

Ve skutečnosti Rutherford provedl četné experimenty a stále více a podrobněji upravoval detaily. Po pečlivé analýze výsledků vyplynuly dva velmi důležité závěry:

- Pozitivní náboj atomu je soustředěn v oblasti zvané jádro.

- Toto atomové jádro je neuvěřitelně malé ve srovnání s velikostí atomu.

Obrázek 1. Rutherfordův experiment. Zdroj: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) byl fyzik z Nového Zélandu, jehož oborem zájmu byla radioaktivita a povaha hmoty. Radioaktivita byla nedávným jevem, když Rutherford začal experimentovat, objevil jej Henri Becquerel v roce 1896.

V roce 1907 šel Rutherford na univerzitu v Manchesteru v Anglii, aby studoval strukturu atomu, pomocí těchto částic alfa jako sond, aby se podíval dovnitř takové malé struktury. Fyzici Hans Geiger a Ernest Marsden ho při úkolu doprovázeli.

Doufali, že uvidí, jak alfa částice, což je dvojnásobně ionizovaný atom helia, bude interagovat s jediným atomem zlata, aby se ujistil, že jakákoli odchylka, kterou zažívá, je způsobena pouze elektrickou silou.

Většina částic alfa však prošla zlatou fólií pouze s malou odchylkou.

Tato skutečnost byla v naprostém souhlasu s Thomsonovým atomovým modelem, avšak k překvapení vědců došlo u malého procenta alfa částic k poměrně výrazné odchylce.

A ještě menší procento částic by se vrátilo a úplně se odrazilo. Jaké byly tyto neočekávané výsledky?

Popis a závěry experimentu

Ve skutečnosti jsou alfa částice, které Rutherford použil jako sonda, jádra helia a tehdy bylo známo, že tyto částice byly kladně nabity. Dnes je známo, že alfa částice jsou tvořeny dvěma protony a dvěma neutrony.

Alfa částice a beta částice byly identifikovány Rutherfordem jako dva různé druhy záření z uranu. Alfa částice, mnohem masivnější než elektron, mají kladný elektrický náboj, zatímco beta částice mohou být elektrony nebo pozitrony.

Obrázek 2. Detailní schéma experimentu Rutherford, Geiger a Marsden. Zdroj: R. Knight. Fyzika pro vědce a strojírenství: strategický přístup. Pearson.

Zjednodušené schéma experimentu je znázorněno na obrázku 2. Paprsek alfa částic pochází z radioaktivního zdroje. Geiger a Marsden použili jako emitor radonový plyn.

Olověné bloky byly použity k nasměrování záření k zlaté fólii a zabránění tomu, aby směřovala přímo na fluorescenční obrazovku. Olovo je materiál, který absorbuje záření.

Následně byl paprsek takto nasměrován, aby dopadl na tenkou zlatou fólii a většina částic pokračovala na cestě k fluorescenční síto síranu zinečnatého, kde zanechaly malou světelnou stopu. Geiger měl na starosti jejich počítání jeden po druhém, ačkoli později navrhli zařízení, které to udělalo.

Skutečnost, že některé částice prošly malým průhybem, Rutherforda, Geigera a Marsdena nepřekvapila. Koneckonců, na atomu jsou kladné a záporné náboje, které vyvíjejí síly na částice alfa, ale protože atom je neutrální, což již věděli, musely být odchylky malé.

Překvapením experimentu je, že několik pozitivních částic bylo odraženo téměř přímo zpět.

Závěry

Asi u 1 z 8 000 alfa částic došlo k průhybu v úhlech větších než 90 °. Málokdo, ale dost na to, abych zpochybnil některé věci.

Atomový model v módě byl modelem rozinkového pudinku Thomsona, Rutherfordova bývalého profesora v Cavendish Laboratory, ale Rutherford přemýšlel, zda je myšlenka atomu bez jádra a elektronů vložených do rozinek správná.

Protože se ukazuje, že tyto velké výchylky alfa částic a skutečnost, že několik z nich se dokáže vrátit, lze vysvětlit pouze tehdy, má-li atom malé, těžké, pozitivní jádro. Rutherford předpokládal, že za každou odchylku jsou odpovědné pouze elektrické přitažlivé a odpudivé síly, jak ukazuje Coulombův zákon.

Když se některé částice alfa přiblíží přímo k tomuto jádru a protože elektrická síla se mění s inverzním čtvercem vzdálenosti, cítí odpor, který jim způsobí rozptyl širokoúhlého úhlu nebo zpětné vychýlení.

Geiger a Marsden experimentovali s bombardováním plechů z různých kovů, nejen ze zlata, ačkoli tento kov byl pro svou tvárnost nejvhodnější, aby vytvořil velmi tenké plechy.

Dosažením podobných výsledků byl Rutherford přesvědčen, že kladný náboj atomu by měl být umístěn v jádru a neměl by být rozptýlen v celém objemu, jak Thomson předpokládal ve svém modelu.

Na druhou stranu, protože naprostá většina alfa částic prošla bez odchylek, jádro muselo být velmi, velmi malé ve srovnání s atomovou velikostí. Toto jádro však muselo soustředit většinu hmoty atomu.

Vlivy na model atomu

Výsledky velmi překvapily Rutherforda, který na konferenci v Cambridge prohlásil: „… je to jako když vystřelíte 15 palcovou kanón na list hedvábného papíru a projektil skáče přímo k vám a zasáhne vás“.

Protože tyto výsledky nemohly být vysvětleny Thomsonovým atomovým modelem, Rutherford navrhl, že atom je tvořen jádrem, velmi malým, velmi masivním a pozitivně nabitým. Elektrony zůstaly na oběžné dráze kolem něj jako miniaturní sluneční soustava.

Obrázek 3. Rutherfordův atomový model vlevo a Thomsonův rozinkový pudinkový model vpravo. Zdroj: Wikimedia Commons. Levý obrázek: Jcymc90

O tom je jaderný model atomu znázorněného na obrázku 3 vlevo. Protože jsou elektrony velmi, velmi malé, ukázalo se, že atom je téměř všechno…. prázdný! Proto většina alfa částic prochází skrz fólii sotva odkloněnou.

A analogie s miniaturní sluneční soustavou je velmi přesná. Atomové jádro hraje roli Slunce, obsahující téměř veškerou hmotu plus kladný náboj. Elektrony obíhají kolem nich jako planety a nesou záporný náboj. Sestava je elektricky neutrální.

Co se týče distribuce elektronů v atomu, Rutherfordův experiment neprokázal nic. Možná si myslíte, že alfa částice by s nimi měly nějakou interakci, ale hmotnost elektronů je příliš malá a nebyly schopny částice výrazně odklonit.

Nevýhody modelu Rutherford

Jedním z problémů tohoto atomového modelu bylo právě chování elektronů.

Kdyby to nebylo statické, ale obíhaly atomové jádro v kruhových nebo eliptických drahách, poháněné elektrickou přitažlivostí, skončily by spěchající k jádru.

Je to proto, že zrychlené elektrony ztrácejí energii, a pokud k tomu dojde, bude to kolaps atomu a hmoty.

Naštěstí to není to, co se děje. Existuje určitá dynamická stabilita, která zabraňuje kolapsu. Další atomový model, po Rutherfordově, byl Bohrův, který dal několik odpovědí, proč k atomovému kolapsu nedochází.

Proton a neutron

Rutherford pokračoval v experimentech s rozptylem. Mezi lety 1917 a 1918 se on a jeho asistent William Kay rozhodli bombardovat plynné atomy dusíku vysoce energetickými alfa částicemi z bismutu-214.

Byl znovu překvapen, když zjistil atom vodíku. Toto je rovnice reakce, první umělé jaderné transmutace, jaké kdy bylo dosaženo:

Odpověď byla: ze stejného dusíku. Rutherford přidělil atom vodíku atomovému číslu 1, protože je to nejjednodušší prvek ze všech: kladné jádro a záporný elektron.

Rutherford našel základní částici, kterou jmenoval nejprve protonem, jméno odvozené od řeckého slova jako první. Tímto způsobem je proton nezbytnou součástí každého atomového jádra.

Později, kolem roku 1920, Rutherford navrhl, že musí existovat neutrální částice s hmotou velmi podobnou hmotnosti protonu. Nazval tuto částici neutronem a je součástí téměř všech známých atomů. Fyzik James Chadwick to konečně identifikoval v roce 1932.

Jak vypadá zmenšený model atomu vodíku?

Atom vodíku je, jak jsme řekli, nejjednodušší ze všech. Nebylo však snadné vytvořit model pro tento atom.

Následné objevy vedly ke kvantové fyzice a celé teorii, která popisuje jevy na atomové stupnici. Během tohoto procesu se také vyvinul atomový model. Pojďme se ale podívat na otázku velikostí:

Vodíkový atom má jádro tvořené jedním protonem (pozitivní) a má jediný elektron (negativní).

Poloměr atomu vodíku byl odhadnut na 2,1 x 10 - ¹⁰ m, zatímco poloměr protonu je 0,85 x 10 - ¹⁵ m nebo 0,85 femtometrů. Název této malé jednotky je dán Enrico Fermi a je používán hodně při práci v tomto měřítku.

No, kvocient mezi poloměrem atomu, a že z jádra je v řádu 10 ⁵ m, která je, atom je 100.000 krát větší, než je jádro!

Je však třeba mít na paměti, že v současném modelu, založeném na kvantové mechanice, elektron obklopuje jádro v jakémsi oblaku zvaném orbitální (orbitální není orbita) a elektron v atomové stupnici není přesný.

Pokud by byl atom vodíku - imaginativně - na velikost fotbalového hřiště, pak by jádro složené z pozitivního protonu mělo velikost mravence ve středu pole, zatímco záporný elektron by byl jako druh ducha, rozptýlené po celém poli a obklopující pozitivní jádro.

Atomový model dnes

Tento atomový model „planetárního typu“ je velmi zakořeněný a je obrazem atomu, který většina lidí má, protože je velmi snadné si ho vizualizovat. Není to však dnes uznávaný model ve vědecké oblasti.

Současné atomové modely jsou založeny na kvantové mechanice. Poukazuje na to, že elektron v atomu není negativně nabitá tečka, která sleduje přesné oběžné dráhy, jak si Rutherford představoval.

Spíše je elektron rozptýlen v oblastech kolem pozitivního jádra, nazývaných atomové orbitaly. Od něj můžeme znát pravděpodobnost, že bude v jednom nebo druhém státě.

Navzdory tomu Rutherfordův model představoval obrovský pokrok ve znalosti vnitřní struktury atomu. A to dláždilo cestu pro další výzkumníky, aby jej dále zdokonalovali.

Reference

1. Andriessen, M. 2001. HSC Course. Fyzika 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
4. Fyzika OpenLab. Experiment Rutherford-Geiger-Marsden. Obnoveno z: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Citováno z: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherfordovy experimenty. Obnoveno z: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfordův experiment. Obnoveno z: es.wikipedia.org.