تجربة راذرفورد ونماذجها

ال تجربة راذرفورد سمح لمجموعة من العلماء باكتشاف أن لكل ذرة نواة موجبة الشحنة.

كان إرنست رذرفورد ، عالم فيزيائي وكيميائي في نيوزيلندا. ركز على دراسة الجزيئات المشعة وأجرى العديد من التحقيقات التي سمحت له بالفوز بجائزة نوبل في الكيمياء في عام 1908.

تحت إشراف رذرفورد وهانس جيجر وإرنست مارسدين ، ساعدوا في إنشاء النموذج الذري ، في مختبرات جامعة مانشستر.

واحدة من أولى النظريات الذرية الموجودة هي تلك التي وضعها طومسون ، مكتشف الإلكترون. لقد اعتقد أن الذرات كانت عبارة عن كرات ذات شحنة موجبة ، وأنه تم توزيع الإلكترونات فيها.

تقول نظرية طومسون إنه إذا اصطدم جسيم ألفا بالذرة ، فإن هذا الجسيم يمر عبر الذرة. سوف يتأثر هذا الحقل الكهربائي للذرة وفقًا لهذا النموذج.

في هذا الوقت ، لم يتم اكتشاف البروتونات والنيوترونات. لم يستطع طومسون إثبات وجوده ولم يقبل المجتمع العلمي نموذجه.

لإثبات وجود نظرية طومسون ، قام كل من رذرفورد و جيجر ومارسند بتجربة قصفوا فيها جزيئات ألفا ، المصنوعة من نوى غاز الهيليوم ، ضد صفائح معدنية.

إذا نجح نموذج طومسون ، يجب أن تمر الجزيئات عبر الصفائح المعدنية دون أي انحراف.

تطوير تجربة راذرفورد

النموذج الأول

أوضح جيجر في مقال بعنوان "النموذج الأولي للتصميم للتجربة" ، الذي تم تنفيذه في عام 1908 حول تشتت الجسيمات بواسطة المادة.

لقد بنوا أنبوبًا زجاجيًا يبلغ طوله حوالي مترين ، وفي أحد النهايات كان هناك مصدر راديو ، وفي الطرف المقابل ، وضعت شاشة فسفورية. في منتصف الأنبوب ، تم وضع نوع من القمع لتمرير جسيمات ألفا من خلالها.

كانت العملية المتبعة لتمرير جسيمات ألفا عبر الفتحة بحيث تسقط شعاع الضوء على شاشة الفسفورية.

عن طريق ضخ كل الهواء من الأنبوب ، كانت الصورة التي تم الحصول عليها واضحة ومتوافقة مع الفتحة الموجودة في منتصف الأنبوب. عندما تم خفض كمية الهواء في الأنبوب ، أصبحت الصورة أكثر انتشارًا.

ثم ، لمعرفة المسار الذي تتبعه الجسيمات إذا اصطدمت بشيء أو اجتازته ، كما أكدت نظرية طومسون ، تم إدخال ورقة ذهبية في الفتحة.

هذا يدل على أن الهواء والمواد الصلبة تسببت في تشتت الجزيئات التي انعكست في شاشة الفسفورية مع المزيد من الصور المنتشرة.

المشكلة في هذا النموذج الأولي هي أنها أظهرت فقط نتيجة التشتت ، ولكن ليس المسار الذي اتبعته جسيمات ألفا.

النموذج الثاني

نشر جيجر ومارسدن مقالا في عام 1909 شرحا فيه تجربة لإظهار حركة جسيمات ألفا.

في انعكاس منتشر لجسيمات ألفا تم توضيح أن التجربة تهدف إلى معرفة أن الجزيئات تتحرك في زوايا تزيد عن 90 درجة.

قاموا بإنشاء نموذج أولي للتجربة ، حيث تم إنشاء حاوية زجاجية ذات شكل مخروطي. قاموا بتركيب صفيحة رصاص ، بحيث تصطدم بها جزيئات ألفا ، ولترى تشتت ، وضعت لوحة الفلورسنت وراء.

المشكلة في تكوين هذا الجهاز هي أن الجزيئات تتجنب لوحة الرصاص ، كذبة جزيئات الهواء.

اختبروا من خلال وضع ورقة من المعدن ورأى على الشاشة الفلورسنت أن هناك المزيد من الضربات للجزيئات.

وقد تبين أن المعادن التي تحتوي على كتلة ذرية أعلى تعكس عددًا أكبر من الجسيمات ، لكن جيجر وماسدن أرادا معرفة العدد الدقيق للجزيئات. لكن تجربة الحصول على الراديو والمواد المشعة لا يمكن أن تكون دقيقة.

النموذج الثالث

المقال تشتت جسيمات ألفا بالمادة عام 1910 يشرح التجربة الثالثة التي صممها جيجر. هنا تم التركيز بالفعل على قياس زاوية تشتت الجسيمات ، اعتمادًا على المادة التي تتلامس فيها.

هذه المرة ، كان الأنبوب مائيًا ، وقام الزئبق بضخ غاز الرادون -222 إلى شاشة الفلورسنت. بمساعدة المجهر ، تم حساب الهبات التي ظهرت على شاشة الفلورسنت.

تم حساب الزوايا التي تلت الجسيمات وتوصلت إلى استنتاجات مفادها أن زوايا الانحراف تزداد بزيادة الكتلة الذرية للمادة ، وأنها تتناسب أيضًا مع الكتلة الذرية للمادة.

ومع ذلك ، فإن زاوية الانحراف الأكثر احتمالا تتناقص مع السرعة واحتمال أن ينحرف أكثر من 90º لا يكاد يذكر.

مع النتائج التي تم الحصول عليها في هذا النموذج الأولي ، قام راذرفورد بحساب نمط التشتت حسابيًا.

من خلال معادلة رياضية ، تم حساب الكيفية التي ينبغي بها للوحة تفريق الجزيئات ، بافتراض أن للذرة شحنة كهربائية موجبة في مركزها. على الرغم من أن الأخير كان يعتبر مجرد فرضية.

المعادلة المتقدمة مثل هذا:

حيث ، s = عدد جسيمات ألفا التي تقع على مساحة الوحدة بزاوية الانحراف Φ

• r = مسافة نقطة حدوث أشعة ألفا على مادة التشتت
• X = إجمالي عدد الجزيئات التي تسقط على مادة التشتت
• ن = عدد الذرات في وحدة حجم المادة
• ر = سمك الورقة
• Qn = الشحنة الموجبة للنواة الذرية
• Qα = الشحنة الموجبة لجزيئات ألفا
• م = كتلة جسيم ألفا
• ت = سرعة جسيم ألفا

النموذج النهائي

باستخدام نموذج معادلات رذرفورد ، جرت تجربة لإظهار ما كان مفترضًا ، وأن الذرات لديها نواة ذات شحنة موجبة.

تنبأت المعادلة المصممة بأن عدد الهبات في الدقيقة (الدقائق) الواجب مراعاتها في زاوية معينة (Φ) يجب أن يتناسب مع:

• ديوان الخدمة المدنية⁴Φ / 2
• سمك ورقة ر
• حجم الحمل المركزي Qn
• 1 / (ام²)²

من أجل توضيح هذه الفرضيات الأربعة ، يتم إنشاء أربع تجارب ، والتي يتم شرحها بواسطة المقال قوانين انحراف جسيمات ألفا بواسطة زوايا كبيرة من 1913.

لاختبار تأثير يتناسب مع CSC⁴Φ / 2 ، بنيت اسطوانة على أعلى القرص الدوار ، على عمود.

يُسمح للعمود الذي يضخ الهواء والمجهر المغطى بشاشة الفلورسنت بمراقبة الجسيمات التي انحرفت حتى 150 درجة ، والتي تم توضيح فرضية راذرفورد.

لاختبار فرضية سمك الورقة ، قم بتركيب قرص به 6 ثقوب مغطاة بصفائح مختلفة السماكة. وقد لوحظ أن عدد الهبات يتناسب مع السماكة.

لقد استخدموا قرص التجربة السابقة لقياس نمط التشتت ، بافتراض أن حمل النواة يتناسب مع الوزن الذري ، وقاسوا إذا كان التشتت يتناسب مع الوزن الذري التربيعي.

مع الهبات التي تم الحصول عليها ، مقسومة على ما يعادل الهواء ، ثم مقسوما على الجذر التربيعي للوزن الذري ، وجدوا أن النسب متشابهة

وأخيراً ، مع نفس قرص التجربة ، كانوا يضعون المزيد من أقراص الميكا لتثبيط الجسيمات ، ومع وجود نطاق خطأ مقبول ، أظهروا أن عدد التلألؤ يتناسب مع 1 / v⁴, كما توقع رذرفورد في نموذجه.

من خلال التجارب ، أثبتوا أن جميع فرضيات راذرفورد قد تحققت بطريقة تحدد نموذج راذرفورد الذري. في هذا النموذج ، الذي نُشر أخيرًا في عام 1917 ، افترض أن الذرات لها نواة مركزية ذات شحنة موجبة.

إذا كانت النواة المركزية للذرة هي التي لها شحنة موجبة ، فإن بقية الذرة ستكون فارغة مع الإلكترونات التي تدور حولها.

مع هذا النموذج تبين أن الذرات لها شحنة محايدة وأن الشحنة الموجبة الموجودة في النواة تتصدى بنفس عدد الإلكترونات التي تدور حولها..

إذا أزلنا الإلكترونات من الذرة ، فسيتم تركها بشحنة موجبة. الذرات مستقرة ، لأن قوة الطرد المركزي تساوي القوة الكهربائية ، مما يحافظ على الإلكترونات في مكانها

مراجع

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ ، لويجي ؛ غاليغو باديو ، رومولو ؛ بيريز ميراندا ، رويمان. النموذج الذري ل E. راذرفورد.تدريس العلوم, 2008 ، المجلد. 26.
2. بور ، نيلز. محاضرة رذرفورد التذكارية لعام 1958 ذكريات مؤسس العلوم النووية وبعض التطورات المستندة إلى عمله.وقائع المجتمع الفيزيائي, 1961.
3. جوستي ، روزاريا ؛ جيلبرت ، جون. تاريخ وفلسفة العلوم من خلال النماذج: بعض التحديات في حالة الذرة ".المجلة الدولية لتعليم العلوم, 2000 ، المجلد. 22.
4. كوهين تانودجي ، كلود ، وآخرون.تفاعلات الذرة-الفوتون: العمليات والتطبيقات الأساسية. نيويورك: وايلي ، 1992.
5. أغيليرا ، Damariess ، وآخرون. نماذج مفاهيمية لطلاب الجامعة حول التركيب الذري بناءً على تجارب طومسون وروثرفورد وبوهر / نماذج مفاهيمية لطلاب الجامعة حول التركيب الذري بناءً على تجارب طومسون ورذرفورد وبور.مجلة تعليم العلوم, 2000 ، المجلد. 1 ، رقم 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA ، ماريا دولوريس.كيمياء غير عضوية. Editorial Progreso، 2001.
7. توريس ، أماليا ويليارت. التجربة التاريخية: اكتشاف النواة الذرية: تجربة راذرفورد.100 cias UNED, 2003 ، رقم 6 ، ص. 107-111.