Περιορισμοί του ατομικού μοντέλου Rutherford

Ο Ernest Rutherford (και οι μαθητές του Hans Geiger και Ernest Marsden) πραγματοποίησαν ένα πείραμα ευρέως γνωστό ως πείραμα σκέδασης ακτίνων άλφα για τη μελέτη των ατόμων. Πριν από αυτόν, ένας επιστήμονας ονόματι Thomson είχε πειραματιστεί για να μελετήσει τα άτομα και τα χαρακτηριστικά τους, γνωστά ως μοντέλο Thomson. Κατέληξε σε πολλά συμπεράσματα σχετικά με τη δομή και τη θέση των ηλεκτρονίων, των νετρονίων και των πρωτονίων σε ένα άτομο. Ο Ράδερφορντ, ωστόσο, παραποίησε ορισμένα από τα συμπεράσματα του Τόμσον και έβγαλε νέα συμπεράσματα από το πείραμά του.

Ας ρίξουμε μια ματιά στο πείραμα του ατομικού μοντέλου του Rutherford, στα συμπεράσματα που προέκυψαν και στους περιορισμούς που εμπεριέχονται.

Πείραμα του Rutherford's Gold Foil

Ο Ράδερφορντ διεξήγαγε το διάσημο πείραμά του σκέδασης άλφα ανατινάζοντας ένα φύλλο χρυσού με σωματίδια άλφα και στη συνέχεια μελέτησε τη διαδρομή που έκαναν αυτά τα σωματίδια μετά το πρώτο σημείο επαφής τους με το φύλλο χρυσού. Τοποθέτησε μια φθορίζουσα οθόνη από θειούχο ψευδάργυρο γύρω από το φύλλο χρυσού για να παρατηρήσει την αλλαγή στις διαδρομές των σωματιδίων άλφα. Όταν τα σωματίδια άλφα ήρθαν σε επαφή με το φύλλο χρυσού, παρατηρήθηκε μια σπίθα σε αυτό το σημείο.

• Έχει υποτεθεί ότι η διασπορά μιας ακτίνας ακτίνων άλφα μέσω μιας λεπτής χρυσής πλάκας είναι η συνέπεια ενός μεγάλου αριθμού διασκορπισμών που γίνονται από τα μόρια των σωματιδίων άλφα.
• Μερικά από τα σωματίδια διήλθαν από απόκλιση μηδενικού βαθμού και άλλα κατά 90 μοίρες και μερικά κατά γωνία ακριβώς 180 μοιρών.
• Φαίνεται ότι είναι λογικό να υποθέσουμε ότι η απόκλιση σε ένα τεράστιο σημείο οφείλεται σε μια μοναχική πυρηνική εμπειρία.

Συμπεράσματα από το πείραμα

Το πείραμα σκέδασης άλφα του Rutherford καταλήγει στο συμπέρασμα ότι:

• Ένα τεράστιο κομμάτι των σωματιδίων άλφα που περνά από το φύλλο χρυσού περνά μέσα από αυτό χωρίς απόκλιση, και αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το μεγαλύτερο μέρος του πυρηνικού χώρου είναι άδειο.

• Στο πείραμα σκέδασης Rutherford, μερικά από τα σωματίδια άλφα φιλτράρονταν από το φύλλο χρυσού σε μικρά σημεία, που είναι ο πραγματικός λόγος για τον οποίο ένα θετικά φορτισμένο άτομο μπορεί να ξεκινήσει παρόμοια. Η μεγάλη πυρηνική φόρτιση επικεντρώνεται γύρω από μικροσκοπικούς χώρους. Δεν υπάρχουν πολλά σωματίδια άλφα, για παράδειγμα, μερικά σωματίδια με σημείο απόκλισης 1800. Μερικά σωματίδια παρέκκλιναν κατά μια μικρή γωνία και 1 το 2000 επέστρεψε.
• Τα σωματίδια που είναι φορτισμένα και η ατομική μάζα εστιάστηκαν σε έναν εντελώς μικρό όγκο. Ο οποίος στη συνέχεια ονομάζεται πυρήνας.
• Το μοντέλο του συνέστησε ότι τα ηλεκτρόνια ήταν αρνητικά φορτισμένα γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου.
• Το μοντέλο του Ράδερφορντ συνιστούσε ότι τα ηλεκτρόνια ήταν αρνητικά φορτισμένα γύρω από το κέντρο ενός ατόμου. Τα ηλεκτρόνια είναι αναποτελεσματικά φορτισμένα και το κέντρο είναι μια τεράστια μάζα με φορτισμένα σωματίδια που ονομάζονται ηλεκτρόνια που περιβάλλονται και διατηρούνται από ένα ισχυρό ελκυστικό πεδίο.

Αντιθέσεις με το ατομικό μοντέλο του Thomson

• Ένα μεγάλο μέρος του χώρου στο άτομο είναι απλήρωτο, καθώς η πλειονότητα των σωματιδίων άλφα πέρασαν από το φύλλο χωρίς κάμψη. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τη δήλωση του Thomson ότι μια μάζα κατανέμεται εξίσου γύρω από την έννοια του ατόμου.
•  Μερικά θετικά φορτισμένα σωματίδια άλφα παρέκκλιναν από τη διαδρομή του. Η ανακατεύθυνση θα πρέπει να οφείλεται στην τρομερή φρικτή δύναμη που δείχνει ότι το θετικό φορτίο του μορίου δεν εξαπλώνεται σε όλο το άτομο όπως είχε εκφράσει ο Thomson.
•  Το θετικό φορτίο πρέπει να μετακινηθεί σε έναν μικροσκοπικό όγκο που απωθεί και αποφεύγει τα φορτισμένα σωματίδια άλφα.
• Εκτιμήσεις του Ράδερφορντ έδειξαν ότι ο όγκος που καταλαμβάνει ο πυρήνας είναι πολύ μικρός σε σύγκριση με τον συνολικό όγκο του ατόμου.

Μειονεκτήματα του ατομικού μοντέλου Rutherford

Οι κύριοι περιορισμοί του ατομικού μοντέλου του Rutherford είναι:

• Ο Ράδερφορντ δήλωσε ότι τα ηλεκτρόνια κινούνται γύρω από το κέντρο του πυρήνα σε μονοπάτια που ονομάζονται τροχιές. Ο Μάξγουελ, ένας ερευνητής μετά τον Ράδερφορντ, είχε υιοθετήσει αυτήν την ιδέα και έκανε ένα τεστ χρησιμοποιώντας την ιδέα της ηλεκτρο-ελκυστικής ακτινοβολίας.
• Σύμφωνα με τον Maxwell, τα γρήγορα κινούμενα σωματίδια προκαλούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και για αυτό το σκοπό, τα ηλεκτρόνια γύρω από το κέντρο θα πρέπει να ρέουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.
• Αυτή η ακτινοβολία θα μεταφέρει ισχύ από την προώθηση ηλεκτρονίων ως μέθοδο για να έρθετε σε μειονεκτική θέση από την πτώση της ακτινοβολίας. Λίγα κομμάτια γνώσης έχουν δείξει ότι όπως αποδεικνύεται χρησιμοποιώντας το μοντέλο του Rutherford, το ηλεκτρόνιο θα πέσει στο κέντρο σε λιγότερο από 10-8 δευτερόλεπτα.
• Το μοντέλο του Rutherford άλλαξε τελικά σε μια μάχη με τη θεωρία του Maxwell και δεν μπόρεσε να διευθετήσει την ατομική ασφάλιση.
• Ένα από τα μειονεκτήματα του μοντέλου του Ράδερφορντ είναι ότι δεν αναφέρθηκε σε τίποτα σχετικά με τη διάταξη των ηλεκτρονίων σε ιώτα που έκανε την κριτική του ξεχωριστή.
• Ένα άλλο αρνητικό του μοντέλου του Ράδερφορντ είναι ότι δεν ανέφερε τίποτα σχετικά με το σχέδιο των ηλεκτρονίων στα άτομα που έκανε τη μελέτη του διχασμένη.
• Επίσης για να εξηγήσουμε περαιτέρω, το τροχιακό ηλεκτρονίων δεν αναμένεται να σταθεροποιηθεί. Η εκδοχή του Ράδερφορντ δεν μπορούσε να κάνει την εμπειρία της σταθερότητας του μορίου. Το μοντέλο του Ράδερφορντ δεν είχε νόημα από το σχέδιο των ηλεκτρονιακών υπολειμμάτων που έκανε την εικασία του ανεπαρκή. Όπως υποδεικνύεται από το μοντέλο του Rutherford, τα ηλεκτρόνια μπορεί να χάσουν ηλεκτρισμό καθώς φεύγουν από τον κύκλο τους. Αυτοί θεωρούνται ως οι κύριοι περιορισμοί του ατομικού μοντέλου Rutherford.
• Αν και τα πρώιμα ατομικά είδη ήταν λανθασμένα και απέτυχαν να εξηγήσουν ορισμένες πειραματικές συνέπειες, ήταν η ιδέα για τα χαρακτηριστικά του πεπρωμένου μέσα στον κόσμο της κβαντικής μηχανικής. Ομοίως, εξήχθησαν μερικά από τα συμπεράσματα του Rutherford.

Συμπέρασμα

Η συμβολή του Ράδερφορντ στη σύγχρονη επιστήμη είναι μεγάλη. Άνοιξε το δρόμο για την επόμενη γενιά επιστημόνων να φτάσει σε μεγαλύτερα ύψη στις επιστημονικές ανακαλύψεις. Αν και υπάρχουν πολλά μειονεκτήματα του πειράματός του, πολλές από τις παρατηρήσεις και τις δηλώσεις του έχουν μεγάλη αξία για τη σύγχρονη επιστήμη. Τα αποτελέσματα του πειράματός του βοήθησαν τον Maxwell να καταλήξει σε περαιτέρω συμπεράσματα. Ωστόσο, το κύριο μειονέκτημα του μοντέλου του είναι ότι δεν ήταν σε θέση να εξηγήσει τη σταθερότητα των ατόμων και απέτυχε να ρίξει φως στη διάταξη των ατόμων.