Processing math: 100%

21-7 Rutherfordov model atómu

21-1 Kladné a záporné ióny; 21-2 Faradayove zákony; 21-3 Vedenie elektrického prúdu v plynoch; 21-4 Vzťah medzi hmotnosťou a nábojom elektrónu; 21-5 Elektrický náboj a hmotnosť elektrónu; 21-6 Thomsonov model atómu ; 21-7 Rutherfordov model atómu; 21-8 Elektrická vodivosť v pevných látkach; 21-9 Polovodiče; 21-10 Termická emisia; 21-11 Kryštalické usmerňovače prúdu; 21-12 Tranzistory; 21-1 Solárne panely a rádioaktívne zdroje prúdu;

Úlohy

21-7 Rutherfordov model atómu

Presné údaje o rozložení kladného a záporného náboja v atóme zistil svojimi experimentmi Ernest Rutherford13 Mladý Rutherford sa začal zaoberať s fyzikou vo veľmi významnej etape vývoja modernej fyziky: len nedávno objavili jav prirodzenej rádioaktivity, a Rutherford bol ten, kto ako prvý chápal rádioaktívnu premenu (transmutáciu) prvkov, ako spontánny rozpad nestabilných jadier ťažkých atómov.

Rádioaktívne látky vyžarovali tri druhy častíc: vysoko energetické častice elektromagnetického žiarenia (γ lúče), rýchlo sa pohybujúce elektróny (β lúče), a α lúče, o ktorých práve Rutherford preukázal, že pozostávajú z rýchlo letiacich jadier atómu hélia. Rutherford pochopil, že môže získať informácie o štruktúre atómov, ak bude skúmať zrážku rýchlo letiacich častíc α a skúmaných (tzv. terčíkových) jadier. Tento poznatok odštartoval sériu „bombardovacích“ experimentov, pomocou ktorých odhalil skutočnú štruktúru atómov. Základná myšlienka zariadenia, ktorý Rutherford pri týchto experimentoch používal, je veľmi jednoduchá (obr. 21.6): v mieste A je kúsok rádioaktívnej látky, ktorá je α žiaričom, B predstavuje diafragmu (štrbinu), ktorá prepúšťa len úzky lúč častíc α, v  bode C je umiestnená skúmaná látka v podobe veľmi tenkej fólie, a D predstavuje fluorescenčnú plochu, na ktorej dopadajúce častice α vyvolajú záblesky svetla, ktoré je možné pozorovať pod lupou, či pod mikroskopom.

Rutherfordov   experiment

Obr. 21.6:Schematické usporiadanie Rutherfordovho experimentu; v tomto experimente „bombardoval“ atómy a objavil ich jadrá.

Otázka znela nasledovne. Do akej mieri, podľa Thomsonovho modelu atómu, vychýli atóm časticu α, ktorú na ňu vystrelíme? O časticiach α už Rutherford vedel, že je jadrom atómu hélia a nesie dvojnásobný kladný elementárny náboj. Ukázali sa byť veľmi účinnými časticami pre bombardovanie látok, boli schopné preletieť fóliou hrúbky niekoľko sto atómov skúmanej látky. Výpočty ukazovali, že strela, akú predstavuje častica α, po prelete cez niekoľko sto thomsonovských kladne nabitých gúľ sa vychýli v dôsledku elektrostatických síl, ale táto odchýlka od pôvodného smeru nemôže byť viac ako niekoľko stupňov.14

Otázke sa venovali dvaja Rutherfordovi študenti Hans Geiger15 a Ernest Marsden (19.02.1889-15.12.1970) fyzik narodený tiež na Novom Zélande. Hovorí sa, že keď Rutherford mal vymyslieť náplň práce pre Marsdena, tak navrhol, aby v rozptylovom experimente, ktorý práve popisujeme, skúmal aj to, či od fólie skúmanej látky sa náhodou neodrazia častice α úplne späť, čo by bolo v príkrom rozpore s Thomsonovim modelom atómu. Dodajme, že samotné pozorovanie sa vykonávalo v komore za úplnej tmy. Najprv sa muselo vyčkať, než si oko zvykne na tmu, čo trvá cca. 90 minút. Až po tom bolo možné veľmi slabé individuálne záblesky častíc α pozorovať. Až keď sa vžijeme do tejto situácie dokážeme dostatočne oceniť prínos Geigerovho-Müllerovho detektoru, ktorý urobil pozorovania výrazne jednoduchšími. Marsden bol ten, ktorý pribehol za Rutherfordom a referoval, že vidí záblesky úplne odrazených častíc α. Vykonaním experimentov dospeli úplne odlišným výsledkom. Pravda, väčšina častíc α prechádzala tenkou fóliou tak, že sa skoro neodchýlili od pôvodného smeru. Významná časť sa však odchýlila o výrazne väčší uhol, než predpovedal Thomsonov model atómu, ba dokonca niekoľko častíc α sa akoby úplne odrazila od fólie. Ich uhol rozptylu bol skoro 180°, čo sa nijako nedalo zlúčiť s Thomsonovim modelom jadra.

rozptyl

Obr. 21.7:Častice α vychýli z ich pôvodného smeru malé, husté, kladne nabité jadro.

K takejto veľkej zmene smeru letu rýchlo sa pohybujúcich častíc α je nutná veľká sila. Sila, ktorá môže vzniknúť len vtedy, ak častica α sa dostala do blízkosti sústredeného elektrického náboja spolu s hmotou významnej hmotnosti (výrazne väčšej, než má častica α – inak by sa α častica neodrazila späť). To je možné len vtedy, uvažoval Rutherford, ak kladný náboj atómu, spolu s drvivou časťou hmotnosti atómu, sa sústredí na veľmi malú oblasť atómu, ktorú Rutherford nazval jadro atómu. Pri zjednodušenom popise by sme mohli o zrážke pojednávať, ako o zrážke jednej častice α a jediného atómu, medzi ktorými vystupuje odpudivá sila popísaná Coulombovim zákonom – veľkosť odpudivej sily je úmerná prevrátenej hodnote kvadrátu vzdialenosti. Pomedzi časticami α máme také, ktoré atóm „trafia“ len na kraji, vo väčšej vzdialenosti od jadra (obr. 21.7), tieto sa odchýlia od pôvodného smeru letu len málo. Čím bližšie sa však častica α dostane k jadru, tým bude odpudzujúca sila väčšia, a bude aj uhol vychýlenia (uhol rozptylu) väčší. Rutherford poznal kinetickú energiu častíc alfa a vypočítal, že pokiaľ častica α sa odrazí späť (uhol rozptylu je 180°) potom sa musel dostať do vzdialenosti 1014 m od jadra. Preto polomer jadra nemôže byť väčší, než je táto veľmi malá vzdialenosť (spomeňme si na rozmery molekúl a atómov, ktoré sú rádovo 1091010 m). Z matematického rozboru rozptylu častíc α z  experimentu Geiger a Marsden obdržali tiež tento výsledok o rozmeru atómového jadra.

Nakoľko polomer atómu je rádovo 1010 m, je vidieť, že najväčšiu časť objemu atómu majú k dispozícii elektróny, ktoré sa nachádzajú okolo jadra atómu. Príťažlivá Coulombova sila by ich však mala strhnúť do jadra – pokiaľ tomu niečo nezabráni –, potom by atóm zmizol. Znova sa objavila teda myšlienka16, že elektróny by mohli obiehať okolo jadra veľkou rýchlosťou, a potrebnú dostredivú silu dodáva elektrostatická príťažlivá sila jadra. Rutherford jedným smelým krokom nahradil pudingový model J.J. Thomsona dynamickým „planetárnym modelom“, v ktorom úlohu Slnka hralo jadro atómu, kým jednotlivé planéty predstavovali elektróny atómu.

Hmotnosť elektrónu je len približne 1/7000-na hmotnosti častice α, preto v Rutherfordovom rozptylovom experimente vplyv elektrónov na rozptyl častíc α je zanedbateľne malý.

13Ernst Rutherford [ernest raderford] (30.08.1871-19.10.1937), narodený na Novom Zélande, získal Nobelovu cenu za chémiu v roku 1908 (Rutherforda to prekvapilo a údajne prehlásil – cez noc som sa stal chemikom) „za výskum rozkladu prvkov a za chémiu rádioaktívnych látok“. V roku 1907, spolu s Thomasom Roydsom dokázali, že záhadná častica α, ktorá sa objavila v rádioaktívnom žiarení, je jadrom atómu hélia. Svoju prevratnú prácu o štruktúre atómu predložil po obdržaní Nobelovej ceny za chémiu. V roku 1931 získal šľachtický titul za svoje zásluhy vo vede ako Baron Rutherford of Nelson.

14V podstate sa jedná o nasledujúce. O kladnej hmote Thomsonovho modelu sa predpokladalo, že nekladie odpor pohybu (elektróny sa mohli pohybovať aj kmitať voľne). Atóm je navonok elektricky neutrálny, keď sa však častica α pohybuje vo vnútri atómu, na jeho pohyb pôsobí homogénny kladný náboj atómu (aj elektróny).

15Hans Geiger [hans gaiger] (30.09.1882-24.09.1945) nemecký fyzik, vyvinul Geiger-Müllerov detektor pre detegovanie a počítanie častíc v rádioaktívnom žiarení. Vďaka tomuto detektoru odpadla úmorná práca počítania zábleskov na fluorescenčnom tienidle.

16pôvodne navrhnutá Hantaom Nagaokom;

© 2020-2023 Paradise on Phys4U. Všetky práva vyhradené.
Vytvorené službou Webnode
Vytvorte si webové stránky zdarma! Táto stránka bola vytvorená pomocou služby Webnode. Vytvorte si vlastný web zdarma ešte dnes! Vytvoriť stránky