Rutherford's Structure of Atom

Τα άτομα αποτελούν τα πάντα γύρω μας. Είναι η μικρότερη μονάδα ύλης. Τα άτομα έχουν δύο κύρια μέρη - τον κεντρικό πυρήνα που περιέχει πρωτόνια (τα θετικά φορτισμένα σωματίδια) και νετρόνια (χωρίς σωματίδια φορτίου) και τα κελύφη ηλεκτρονίων (εξώτατη περιοχή) που περιέχουν ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτισμένα σωματίδια).

Έννοια της Δομής του Ατόμου του Ράδερφορντ

Ο φυσικός Ernest Rutherford ανέπτυξε αυτή τη συγκεκριμένη δομή ατόμων. Περιέγραψε ένα άτομο ως έναν πυκνό, μικρό, θετικά φορτισμένο πυρήνα γνωστό ως πυρήνας. Μελέτησε ότι όλη η μάζα ήταν επικεντρωμένη γύρω από τον πυρήνα. Τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια γνωστά ως ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα όπως οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο.

Το ατομικό μοντέλο Rutherford είχε προηγηθεί το ατομικό μοντέλο «plum pudding» του φυσικού Sir J.J. Τόμσον. Στο μοντέλο, τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια ήταν κολλημένα με ένα θετικά φορτισμένο άτομο, ακριβώς όπως τα δαμάσκηνα σε μια πουτίγκα.

Πείραμα σκέδασης ακτίνων άλφα/πείραμα φύλλου χρυσού

• Για να εξηγήσει την ατομική δομή των στοιχείων και να ορίσει ένα ακριβές μοντέλο ατόμου, ο Ράδερφορντ διεξήγαγε το πείραμα σκέδασης ακτίνων άλφα, γνωστό και ως πείραμα με φύλλο χρυσού.
• Στο πείραμα, ανατίναξε τα σωματίδια άλφα σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού φύλλου. Στη συνέχεια, παρατήρησε την αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων άλφα και του φύλλου χρυσού και τη διαδρομή που ακολουθούσαν τα σωματίδια.
• Ο Ράδερφορντ χρησιμοποίησε πολύ υψηλές ακτίνες σωματιδίων άλφα στο πείραμα. Μια ραδιενεργή πηγή, γνωστή ως σωματίδιο άλφα, τα παρήγαγε.
• Τα σωματίδια άλφα ανατινάχτηκαν σε ένα λεπτό φύλλο χρυσού σε πάχος 100 mm. Για να μελετήσει την απόκλιση που δημιουργείται από τα σωματίδια άλφα, τοποθέτησε μια οθόνη από φθορίζοντα θειούχο ψευδάργυρο γύρω από το φύλλο χρυσού.
• Το φύλλο χρυσού επιλέχθηκε επειδή ήθελε όσο το δυνατόν πιο λεπτό στρώμα.
• Τα διπλά φορτισμένα ιόντα ηλίου είναι γνωστά ως σωματίδια άλφα. Τα σωματίδια έχουν μάζα 4 u, κινούνται γρήγορα και έχουν σημαντική ενέργεια.
• Οι παρατηρήσεις του Rutherford αντιτάχθηκαν στο ατομικό μοντέλο του Thomson.

Παρατηρήσεις του πειράματος σκέδασης ακτίνων Άλφα 

• Η πρώτη και κύρια παρατήρηση του Ράδερφορντ ήταν ότι τα περισσότερα από τα σωματίδια άλφα πέρασαν μέσα από το φύλλο χρυσού χωρίς καμία αλλαγή στη διαδρομή, δείχνοντας ότι το μεγαλύτερο μέρος του χώρου ήταν άδειο.
• Η δεύτερη παρατήρηση ήταν ότι το φύλλο χρυσού παρέσυρε ορισμένα σωματίδια σε ελάχιστες γωνίες. Αυτό έδειξε ότι τα θετικά φορτισμένα σωματίδια ήταν άνισα κατανεμημένα σε ένα άτομο και ότι το θετικό φορτίο συγκεντρώθηκε σε έναν σημαντικά μικρότερο όγκο ατόμου.
• Περίπου 1-2% των σωματιδίων άλφα εκτρέπονται προς τα πίσω στην έκταση των 180 μοιρών. Αυτό σήμαινε ότι ο όγκος των θετικά φορτισμένων σωματιδίων ήταν πολύ μικρότερος από τον συνολικό όγκο.

Δομή ατόμου του Ράδερφορντ

Σύμφωνα με τη δομή των ατόμων του Rutherford, τα θετικά φορτισμένα σωματίδια ήταν άνισα κατανεμημένα σε ένα άτομο και το θετικό φορτίο συγκεντρώθηκε σε έναν σημαντικά μικρότερο όγκο ατόμου. Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας ήταν επίσης σε αυτόν τον όγκο. Ονόμασε αυτό το τμήμα πυρήνα.

• Ο Ράδερφορντ πρότεινε ένα αρνητικό φορτίο γύρω από τον πυρήνα με τη μορφή ηλεκτρονίων. Πρότεινε επίσης ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται με πολύ υψηλή ταχύτητα γύρω από τον πυρήνα. Ονόμασε αυτά τα μονοπάτια τροχιές.
• Ο θετικά φορτισμένος πυρήνας και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγκρατούνται μεταξύ τους από μια δύναμη έλξης γνωστή ως ηλεκτροστατική δύναμη έλξης.

Περιορισμοί του πειράματος σκέδασης ακτίνων Άλφα 

• Σύμφωνα με τον Maxwell, ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από τον πυρήνα θα πρέπει να απελευθερώνει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ωστόσο, η δομή των ατόμων του Rutherford λέει ότι τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε σταθερές διαδρομές γνωστές ως τροχιές. Η ακτινοβολία θα μεταφέρει ενέργεια από την κίνηση, οδηγώντας σε συρρίκνωση της περιστροφής και τελικά, τα ηλεκτρόνια θα κατέρρεαν μέσα στον πυρήνα.
• Υπήρχαν σημαντικές διαφορές μεταξύ της δομής του ατόμου του Maxwell και του Rutherford και αργότερα, ο Rutherford δεν μπορούσε να εξηγήσει τη σταθερότητα του ατόμου.
• Ο Ράδερφορντ δεν ήταν επίσης σε θέση να περιγράψει τις θέσεις των ηλεκτρονίων στο μοντέλο του.

Συμπέρασμα  

Από το πείραμα σκέδασης ακτίνων άλφα του Rutherford, μπορούμε να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα σχετικά με τη δομή του ατόμου του Rutherford:

• Το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου αποτελείται από κενά διαστήματα.
• Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας που υπήρχε μέσα στο άτομο ήταν συγκεντρωμένο σε μια μικρή περιοχή στο κέντρο, γνωστή ως πυρήνας.
• Οι διαδρομές που ακολουθούν τα ηλεκτρόνια ενώ περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα είναι γνωστές ως τροχιές.
• Το άτομο είναι σταθερό λόγω της ισχυρής ηλεκτροστατικής δύναμης έλξης μεταξύ των θετικά και αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων.