Sebuah atom terdiri dari inti yang kompak dan masif bermuatan positif dan elektron cahaya bermuatan negatif di sekitarnya.
Ernest Rutherford adalah seorang ilmuwan yang unik dalam arti bahwa ia telah membuat penemuan utamanya setelah menerima Hadiah Nobel. Pada tahun 1911, ia berhasil dalam eksperimen yang tidak hanya memungkinkan para ilmuwan untuk melihat jauh ke dalam atom dan mendapatkan gambaran tentang strukturnya, tetapi juga menjadi model keanggunan dan kedalaman desain.
Menggunakan sumber radiasi radioaktif alami, Rutherford membuat meriam yang memberikan aliran partikel yang terarah dan terfokus. Pistol itu adalah kotak timah dengan celah sempit, di dalamnya ditempatkan bahan radioaktif. Karena ini, partikel (dalam hal ini, partikel alfa yang terdiri dari dua proton dan dua neutron), yang dipancarkan oleh zat radioaktif ke segala arah kecuali satu, diserap oleh layar timah, dan hanya seberkas partikel alfa yang diarahkan keluar. melalui celah. Lebih jauh di sepanjang jalur balok, ada beberapa layar timah lagi dengan celah sempit, yang memotong partikel yang menyimpang dari arah yang telah ditentukan secara ketat. Akibatnya, sinar partikel alfa yang terfokus sempurna terbang ke target, dan target itu sendiri adalah lembaran kertas emas yang sangat tipis. Itu adalah sinar alfa yang mengenainya. Setelah bertabrakan dengan atom foil, partikel alfa melanjutkan perjalanan mereka dan menabrak layar luminescent yang dipasang di belakang target, di mana kilatan direkam ketika partikel alfa menabraknya. Dari mereka, peneliti dapat menilai berapa banyak dan seberapa banyak partikel alfa menyimpang dari arah gerak bujursangkar akibat tumbukan dengan atom foil.
Eksperimen semacam ini telah dilakukan sebelumnya. Ide utama mereka adalah untuk mengumpulkan informasi yang cukup dari sudut defleksi partikel, dari mana seseorang dapat mengatakan sesuatu yang pasti tentang struktur atom. Pada awal abad ke-20, para ilmuwan sudah mengetahui bahwa atom mengandung elektron bermuatan negatif. Namun, anggapan yang berlaku adalah bahwa atom adalah sesuatu seperti kotak halus bermuatan positif yang diisi dengan elektron kismis bermuatan negatif—model ini disebut “model kotak kismis.” Berdasarkan hasil percobaan tersebut, para ilmuwan berhasil menemukan beberapa sifat atom - khususnya, untuk memperkirakan urutan dimensi geometrisnya.
Rutherford, bagaimanapun, memperhatikan bahwa tidak ada pendahulunya yang mencoba menguji secara eksperimental apakah beberapa partikel alfa dibelokkan pada sudut yang sangat besar. Model kisi kismis sama sekali tidak mengizinkan keberadaan elemen struktur yang padat dan berat dalam atom sehingga mereka dapat membelokkan partikel alfa cepat pada sudut yang signifikan, jadi tidak ada yang mau menguji kemungkinan ini. Rutherford meminta salah satu muridnya untuk melengkapi pengaturan sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk mengamati hamburan partikel alfa pada sudut defleksi yang besar - hanya untuk membersihkan hati nuraninya, untuk sepenuhnya menghilangkan kemungkinan ini. Detektornya adalah layar yang dilapisi dengan natrium sulfida, bahan yang mengeluarkan kilatan fluoresen ketika partikel alfa mengenainya. Apa yang mengejutkan bukan hanya siswa yang langsung melakukan percobaan, tetapi juga Rutherford sendiri, ketika ternyata beberapa partikel menyimpang melalui sudut hingga 180 °!
Dalam kerangka model atom yang sudah mapan, hasilnya tidak dapat ditafsirkan: tidak ada apa pun dalam kisi-kisi dengan kismis yang dapat mencerminkan partikel alfa yang kuat, cepat, dan berat. Rutherford terpaksa menyimpulkan bahwa di dalam atom, sebagian besar massa terkonsentrasi dalam zat yang sangat padat yang terletak di pusat atom. Dan bagian atom lainnya ternyata banyak orde besarnya kurang padat daripada yang terlihat sebelumnya. Itu juga mengikuti dari perilaku partikel alfa yang tersebar di pusat atom yang superpadat ini, yang disebut Rutherford inti, seluruh muatan listrik positif atom juga terkonsentrasi, karena hanya gaya tolak-menolak listrik yang dapat menyebabkan hamburan partikel pada sudut yang lebih besar dari 90 °.
Bertahun-tahun kemudian, Rutherford suka menggunakan analogi ini untuk penemuannya. Di salah satu negara Afrika Selatan, bea cukai diperingatkan bahwa pengiriman besar senjata untuk pemberontak akan diselundupkan ke negara itu, dan senjata itu akan disembunyikan di bungkusan kapas. Dan sekarang, setelah menurunkan barang, seorang petugas bea cukai menemukan dirinya di depan seluruh gudang yang penuh dengan bal kapas. Bagaimana dia bisa tahu bal mana yang berisi senapan? Petugas bea cukai memecahkan masalah dengan sederhana: dia mulai menembaki bal, dan jika peluru memantul dari bal mana pun, dia akan mengidentifikasi bal dengan senjata selundupan atas dasar ini. Jadi Rutherford, melihat bagaimana partikel alfa memantul dari kertas emas, menyadari bahwa struktur yang jauh lebih padat tersembunyi di dalam atom daripada yang diperkirakan.
Gambar atom yang digambar oleh Rutherford berdasarkan hasil eksperimennya sudah sangat kita kenal sekarang. Sebuah atom terdiri dari inti padat superpadat yang membawa muatan positif, dan elektron cahaya bermuatan negatif di sekitarnya. Kemudian, para ilmuwan menyimpulkan gambaran ini berdasarkan teori yang dapat diandalkan ( cm. atom Bohr), tetapi semuanya dimulai dengan eksperimen sederhana dengan sampel kecil bahan radioaktif dan selembar kertas emas.
Lihat juga:
Ernest Rutherford, Baron Rutherford Pertama dari Nelson, 1871-1937
Fisikawan Selandia Baru. Lahir di Nelson, putra seorang petani pengrajin. Memenangkan beasiswa untuk belajar di University of Cambridge di Inggris. Setelah lulus, ia diangkat ke Universitas Kanada McGill (Universitas McGill), di mana, bersama dengan Frederick Soddy (Frederick Soddy, 1877-1966), ia menetapkan hukum dasar fenomena radioaktivitas, yang pada tahun 1908 ia dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia. Segera, ilmuwan pindah ke Universitas Manchester, di mana, di bawah kepemimpinannya, Hans Geiger (Hans Geiger, 1882-1945) menemukan penghitung Geigernya yang terkenal, mempelajari struktur atom, dan pada tahun 1911 menemukan keberadaan inti atom. . Selama Perang Dunia Pertama, ia terlibat dalam pengembangan sonar (radar akustik) untuk mendeteksi kapal selam musuh. Pada tahun 1919 ia diangkat sebagai profesor fisika dan direktur Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge, dan pada tahun yang sama menemukan peluruhan nukleus sebagai akibat dari pemboman partikel berat berenergi tinggi. Rutherford tetap di pos ini sampai akhir hidupnya, pada saat yang sama menjadi presiden Royal Scientific Society selama bertahun-tahun. Ia dimakamkan di Westminster Abbey di sebelah Newton, Darwin dan Faraday.
Yang sering dengan tepat disebut sebagai salah satu raksasa fisika abad kita, karya beberapa generasi murid-muridnya memiliki dampak besar tidak hanya pada sains dan teknologi abad kita, tetapi juga pada kehidupan jutaan orang. Dia adalah seorang yang optimis, dia percaya pada manusia dan sains, yang dia dedikasikan sepanjang hidupnya.”
Ernest Rutherford lahir pada tanggal 30 Agustus 1871, di dekat kota Nelson (Selandia Baru), dalam keluarga James Rutherford, seorang migran dari Skotlandia. Ernest adalah anak keempat dalam keluarga, selain dia ada 6 putra dan 5 putri lagi. Ibunya, Martha Thompson, bekerja sebagai guru pedesaan. Ketika ayahnya mengorganisir perusahaan pertukangan, anak itu sering bekerja di bawah kepemimpinannya. Keterampilan yang diperoleh kemudian membantu Ernest dalam desain dan konstruksi peralatan ilmiah.
Setelah lulus dari sekolah di Havelock, tempat tinggal keluarganya saat itu, ia menerima beasiswa untuk melanjutkan pendidikannya di Nelson Province College, di mana ia masuk pada tahun 1887. Dua tahun kemudian, Ernest lulus ujian di Canterbury College, cabang Universitas Selandia Baru di Christchurch. Di perguruan tinggi, Rutherford sangat dipengaruhi oleh gurunya: yang mengajar fisika dan kimia, E.W. Bickerton dan matematikawan J.H.H. Memasak.
Ernest menemukan kemampuan yang brilian. Setelah menyelesaikan tahun keempatnya, ia menerima penghargaan untuk karya terbaik dalam matematika dan mengambil tempat pertama dalam ujian master, tidak hanya dalam matematika, tetapi juga dalam fisika. Setelah menjadi master seni pada tahun 1892, ia tidak meninggalkan perguruan tinggi. Rutherford terjun ke dalam karya ilmiah independen pertamanya. Itu disebut "Magnetisasi besi selama pelepasan frekuensi tinggi" dan berurusan dengan deteksi gelombang radio frekuensi tinggi. Untuk mempelajari fenomena ini, ia membangun penerima radio (beberapa tahun sebelum Marconi melakukannya) dan dengan itu menerima sinyal yang ditransmisikan oleh rekan-rekannya dari jarak setengah mil. Karya ilmuwan muda itu diterbitkan pada tahun 1894 di Proceedings of the Philosophical Institute of New Zealand.
Subjek luar negeri muda yang paling berbakat dari mahkota Inggris diberi beasiswa khusus setiap dua tahun sekali, yang memungkinkan untuk pergi ke Inggris untuk peningkatan ilmu pengetahuan. Pada tahun 1895, beasiswa untuk pendidikan ilmiah kosong. Kandidat pertama untuk beasiswa ini, ahli kimia Maclaurin, menolak karena alasan keluarga, kandidat kedua adalah Rutherford. Sesampainya di Inggris, Rutherford menerima undangan dari J.J. Thomson untuk bekerja di Cambridge di laboratorium Cavendish. Maka dimulailah jalur ilmiah Rutherford.
Thomson sangat terkesan dengan penelitian Rutherford tentang gelombang radio, dan pada tahun 1896 ia mengusulkan untuk bersama-sama mempelajari efek sinar-X pada pelepasan listrik dalam gas. Pada tahun yang sama, karya bersama Thomson dan Rutherford "Pada aliran listrik melalui gas yang dikenai aksi sinar-X" muncul. Tahun berikutnya melihat publikasi makalah terakhir Rutherford pada subjek, "Detektor Magnetik Gelombang Listrik dan Beberapa Aplikasinya." Setelah itu, ia sepenuhnya memusatkan usahanya pada studi tentang pelepasan gas. Pada tahun 1897, karya barunya "Tentang elektrifikasi gas yang terpapar sinar-X, dan tentang penyerapan sinar-X oleh gas dan uap" muncul.
Kolaborasi dengan Thomson dimahkotai dengan hasil yang signifikan, termasuk penemuan elektron terakhir - sebuah partikel yang membawa muatan listrik negatif. Berdasarkan penelitian mereka, Thomson dan Rutherford berhipotesis bahwa ketika sinar-X melewati gas, mereka menghancurkan atom-atom gas itu, melepaskan partikel bermuatan positif dan negatif dalam jumlah yang sama. Mereka menyebut partikel ini ion. Setelah pekerjaan ini, Rutherford mulai mempelajari struktur atom materi.
Pada musim gugur tahun 1898, Rutherford mengambil alih sebagai profesor di Universitas McGill di Montreal. Ajaran Rutherford pada mulanya tidak terlalu berhasil: para siswa tidak menyukai kuliah-kuliahnya, yang oleh kaum muda dan belum sepenuhnya belajar merasa bahwa profesor audiensi terlalu jenuh dengan detail-detail. Beberapa kesulitan muncul di awal dan dalam karya ilmiah karena fakta bahwa kedatangan persiapan radioaktif yang dipesan tertunda. Lagi pula, dengan segala usahanya, ia tidak menerima dana yang cukup untuk membangun instrumen yang diperlukan. Rutherford membuat banyak peralatan yang diperlukan untuk eksperimen dengan tangannya sendiri.
Namun demikian, ia bekerja di Montreal untuk waktu yang cukup lama - tujuh tahun. Pengecualian adalah tahun 1900, ketika Rutherford menikah selama kunjungan singkat di Selandia Baru. Orang pilihannya adalah Mary Georgine Newton, putri nyonya rumah kost di Christchurch tempat dia pernah tinggal. Pada 30 Maret 1901, satu-satunya putri pasangan Rutherford lahir. Pada waktunya, ini hampir bersamaan dengan lahirnya babak baru dalam ilmu fisika - fisika nuklir.
“Pada tahun 1899, Rutherford menemukan emanasi thorium, dan pada tahun 1902-03, bersama dengan F. Soddy, ia telah sampai pada hukum umum transformasi radioaktif,” tulis V.I. Grigoriev.- Perlu untuk mengatakan lebih banyak tentang acara ilmiah ini. Semua ahli kimia di dunia telah dengan tegas memahami bahwa transformasi beberapa unsur kimia menjadi unsur lain tidak mungkin, bahwa impian para alkemis untuk membuat emas dari timah harus dikubur selamanya. Dan sekarang sebuah karya muncul, yang penulisnya berpendapat bahwa transformasi unsur-unsur selama peluruhan radioaktif tidak hanya terjadi, tetapi bahkan tidak mungkin untuk menghentikan atau memperlambatnya. Selain itu, hukum transformasi semacam itu dirumuskan. Kita sekarang memahami bahwa posisi suatu unsur dalam sistem periodik Mendeleev, dan karenanya sifat-sifat kimianya, ditentukan oleh muatan nukleus. Selama peluruhan alfa, ketika muatan inti berkurang dua unit (muatan "dasar" diambil sebagai satu unit - modul muatan elektron), elemen "memindahkan" dua sel ke atas dalam tabel periodik, selama peluruhan beta elektronik - satu sel bawah, dengan positron - satu sel ke atas. Terlepas dari kesederhanaan yang tampak dan bahkan kejelasan hukum ini, penemuannya telah menjadi salah satu peristiwa ilmiah terpenting di awal abad kita.”
Dalam karya klasik mereka Radioaktivitas, Rutherford dan Soddy menyentuh pertanyaan mendasar tentang energi transformasi radioaktif. Menghitung energi partikel alfa yang dipancarkan oleh radium, mereka menyimpulkan bahwa "energi transformasi radioaktif setidaknya 20.000 kali, dan bahkan mungkin satu juta kali lebih besar daripada energi transformasi molekuler apa pun." Rutherford dan Soddy menyimpulkan bahwa "energi yang tersembunyi di dalam atom jauh lebih besar daripada energi yang dilepaskan dalam transformasi kimia biasa." Energi besar ini, menurut mereka, harus diperhitungkan "ketika menjelaskan fenomena fisika ruang angkasa." Secara khusus, keteguhan energi matahari dapat dijelaskan oleh fakta bahwa proses transformasi subatomik terjadi di Matahari.
Mustahil untuk tidak heran dengan pandangan ke depan para penulis, yang pada awal 1903 melihat peran kosmik energi nuklir. Tahun ini adalah tahun penemuan bentuk energi baru, yang dibicarakan oleh Rutherford dan Soddy dengan pasti, menyebutnya energi intra-atom.
Seorang ilmuwan terkenal di dunia, anggota Royal Society of London (1903) menerima undangan untuk mengambil kursi di Manchester. Pada 24 Mei 1907, Rutherford kembali ke Eropa. Di sini Rutherford meluncurkan kegiatan yang penuh semangat, menarik para ilmuwan muda dari seluruh dunia. Salah satu kolaborator aktifnya adalah fisikawan Jerman Hans Geiger, pencipta penghitung partikel dasar pertama. E. Marsden, K. Fajans, G. Moseley, G. Hevesy dan fisikawan serta ahli kimia lainnya bekerja dengan Rutherford di Manchester.
Pada tahun 1908, Rutherford dianugerahi Hadiah Nobel dalam Kimia "untuk penelitiannya tentang peluruhan unsur-unsur dalam kimia zat radioaktif." Dalam pidato pembukaannya atas nama Royal Swedish Academy of Sciences, K.B. Hasselberg menunjuk pada hubungan antara pekerjaan yang dilakukan oleh Rutherford dan pekerjaan Thomson, Henri Becquerel, Pierre dan Marie Curie. "Penemuan ini menghasilkan kesimpulan yang mengejutkan: unsur kimia ... mampu berubah menjadi unsur lain," kata Hasselberg. Dalam kuliah Nobelnya, Rutherford mencatat: “Ada banyak alasan untuk percaya bahwa partikel alfa, yang dipancarkan secara bebas dari sebagian besar zat radioaktif, identik dalam massa dan komposisi dan harus terdiri dari inti atom helium. Oleh karena itu, kami tidak dapat tidak menyimpulkan bahwa atom-atom unsur radioaktif dasar, seperti uranium dan thorium, harus dibangun setidaknya sebagian dari atom helium.
Setelah menerima Hadiah Nobel, Rutherford melakukan eksperimen membombardir sepiring kertas emas tipis dengan partikel alfa. Data yang diperoleh membawanya pada tahun 1911 ke model atom baru. Menurut teorinya, yang telah diterima secara umum, partikel bermuatan positif terkonsentrasi di pusat berat atom, dan partikel bermuatan negatif (elektron) berada di orbit nukleus, pada jarak yang cukup jauh darinya. Model ini seperti model kecil tata surya. Ini menyiratkan bahwa atom terutama terdiri dari ruang kosong.
Pengakuan luas teori Rutherford dimulai ketika fisikawan Denmark Niels Bohr bergabung dengan pekerjaan ilmuwan di Universitas Manchester. Bohr menunjukkan bahwa, dalam istilah Rutherford, struktur dapat dijelaskan oleh sifat fisik atom hidrogen yang terkenal, serta atom dari beberapa unsur yang lebih berat.
Pekerjaan yang bermanfaat dari kelompok Rutherford di Manchester terganggu oleh Perang Dunia Pertama. Pemerintah Inggris menunjuk Rutherford sebagai anggota "Staf Penemuan dan Penelitian Laksamana" - sebuah organisasi yang diciptakan untuk menemukan cara memerangi kapal selam musuh. Sehubungan dengan ini, laboratorium Rutherford memulai penelitian tentang perambatan suara di bawah air. Hanya pada akhir perang ilmuwan dapat memulihkan penelitiannya tentang atom.
Setelah perang, ia kembali ke laboratorium Manchester dan pada tahun 1919 membuat penemuan mendasar lainnya. Rutherford berhasil melakukan reaksi pertama transformasi atom secara artifisial. Dengan membombardir atom nitrogen dengan partikel alfa, Rutherford memperoleh atom oksigen. Sebagai hasil penelitian yang dilakukan oleh Rutherford, minat para ahli fisika atom pada sifat inti atom meningkat tajam.
Juga pada tahun 1919, Rutherford pindah ke Universitas Cambridge, menggantikan Thomson sebagai profesor fisika eksperimental dan direktur Laboratorium Cavendish, dan pada tahun 1921 mengambil posisi profesor ilmu alam di Royal Institution di London. Pada tahun 1925, ilmuwan dianugerahi British Order of Merit. Pada tahun 1930, Rutherford diangkat sebagai ketua dewan penasihat pemerintah untuk Kantor Penelitian Ilmiah dan Industri. Pada tahun 1931, ia menerima gelar Lord dan menjadi anggota House of Lords dari Parlemen Inggris.
Siswa dan kolega mengingat ilmuwan itu sebagai orang yang baik dan baik hati. Mereka mengagumi cara berpikir kreatifnya yang luar biasa, mengingat bagaimana dia dengan gembira mengatakan sebelum memulai setiap pelajaran baru: "Saya harap ini adalah topik yang penting, karena masih banyak hal yang belum kita ketahui."
Prihatin dengan kebijakan yang diambil oleh pemerintah Nazi Adolf Hitler, Rutherford pada tahun 1933 menjadi presiden Dewan Bantuan Akademik, yang dibentuk untuk membantu mereka yang melarikan diri dari Jerman.
Hampir ke akhir hidupnya, ia dibedakan oleh kesehatan yang baik dan meninggal di Cambridge pada 20 Oktober 1937, setelah sakit singkat. Sebagai pengakuan atas pencapaian luar biasa dalam pengembangan sains, ilmuwan itu dimakamkan di Westminster Abbey.
Eksperimen Rutherford
Pada tahun 1913, fisikawan Inggris Rutherford melakukan eksperimen klasik tentang hamburan sebuah-partikel dalam lapisan tipis dari berbagai zat. sebuah-partikel yang dipancarkan oleh zat radioaktif adalah muatan uji yang cocok untuk mempelajari medan listrik intra-atom. Mereka adalah atom helium terionisasi penuh, memiliki muatan positif sama dengan dua kali muatan dasar (q = 3,2 10 -19 C), massa m = 6,67 10 -27 kg, memiliki energi tinggi (dan karenanya kecepatan) cukup untuk menembus atom dari materi.
Skema percobaan Rutherford dan murid-muridnya Geiger dan Marsden ditunjukkan pada Gambar. 1. Di dalam ruang tertutup, di mana vakum tinggi dibuat, ada wadah timah dengan elemen radioaktif yang dipancarkan sebuah- partikel. Seberkas partikel sempit jatuh tegak lurus ke permukaan foil logam (emas), setebal sekitar 1 m (10 -6 m). Partikel didaftarkan oleh kilatan cahaya (kilat) yang disebabkan oleh mereka pada layar yang dilapisi dengan fosfor. Layar dipasang di depan lensa pada badan mikroskop, dengan bantuan kilau yang diamati secara visual dan jumlahnya dihitung. Ini adalah bagaimana jumlah partikel yang bergerak ke arah tertentu setelah interaksinya dengan atom-atom zat ditentukan. Mikroskop, bersama dengan layar, dapat berputar di sekitar sumbu vertikal yang melewati bagian tengah ruangan untuk merekam partikel yang dihamburkan oleh atom foil.
Pada gambar: 1- atom emas, 2- sebuah-partikel
Skema yang lebih visual dari eksperimen Rutherford
Menurut hamburan partikel-α.
K - wadah timah dengan bahan radioaktif,
E - layar dilapisi dengan seng sulfida,
F - kertas emas,
M - mikroskop.
Hasil percobaan Rutherford:
1. Sebagian besar partikel melewati atom-atom materi. tidak menghilang (seperti melalui "kekosongan");
2. dengan peningkatan sudut hamburan, jumlah partikel yang menyimpang dari arah aslinya berkurang tajam;
3. ada partikel terpisah yang dilemparkan kembali oleh atom melawan gerakan awalnya (seperti bola dari dinding).
Rutherford datang dengan formula untuk menghitung jumlahnya sebuah- partikel tersebar pada sudut tertentu. Rumus ini mencakup parameter karakteristik "d", yang merupakan dimensi transversal dari formasi yang membelokkan partikel.
Agar perhitungan bertepatan dengan hasil eksperimen, parameter ini harus dalam orde 10 -13 cm Atom-atom memiliki diameter 10 -8 cm, mis. lima kali lipat lebih tinggi. Akibatnya, ada daerah dalam atom yang menempati bagian atom yang sangat kecil, yang membelokkan partikel pada sudut besar hingga 180 0 .
Rutherford Ernst (1871-1937), fisikawan Inggris, salah satu pencipta teori radioaktivitas dan struktur atom, pendiri sekolah ilmiah, anggota koresponden asing dari Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia (1922) dan anggota kehormatan Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet (1925). Direktur Laboratorium Cavendish (sejak 1919). Membuka (1899) sinar alfa dan beta dan menetapkan sifatnya. Dibuat (1903, bersama dengan F. Soddy) teori radioaktivitas. Dia mengusulkan (1911) model planet atom. Dilakukan (1919) reaksi nuklir buatan pertama. Diprediksi (1921) keberadaan neutron. Hadiah Nobel (1908).
Eksperimen Rutherford (1906) tentang hamburan partikel bermuatan cepat ketika melewati lapisan tipis materi memungkinkan untuk mempelajari struktur internal atom. Dalam percobaan ini, untuk penyelidikan atom, partikel digunakan - atom helium terionisasi penuh - yang timbul dari peluruhan radioaktif radium dan beberapa elemen lainnya. Rutherford membombardir atom logam berat dengan partikel-partikel ini.
Rutherford tahu bahwa atom terdiri dari partikel bermuatan negatif ringan - elektron dan partikel bermuatan positif berat. Tujuan utama dari percobaan ini adalah untuk mengetahui bagaimana muatan positif didistribusikan di dalam atom. Hamburan partikel (yaitu, perubahan arah gerakan) hanya dapat disebabkan oleh bagian atom yang bermuatan positif.
Eksperimen telah menunjukkan bahwa beberapa partikel tersebar pada sudut yang besar, mendekati 180˚, yaitu terlempar ke belakang. Ini hanya mungkin jika muatan positif atom terkonsentrasi di bagian tengah atom yang sangat kecil - inti atom. Hampir seluruh massa atom juga terkonsentrasi di inti.
Ternyata inti atom berbagai atom memiliki diameter orde 10 -14 - 10 -15 cm, sedangkan ukuran atom itu sendiri adalah 10 -8 cm, yaitu 10 4 - 10 5 kali ukuran nukleus.
Jadi, atom itu ternyata "kosong".
Atas dasar eksperimen tentang hamburan - partikel pada inti atom, Rutherford sampai pada model planet atom. Menurut model ini, atom terdiri dari inti kecil bermuatan positif dan elektron yang berputar di sekitarnya.
Dari sudut pandang fisika klasik, atom seperti itu pasti tidak stabil, karena elektron yang bergerak dalam orbit dengan percepatan harus terus menerus memancarkan energi elektromagnetik.
Pengembangan lebih lanjut gagasan tentang struktur atom dilakukan oleh N. Bohr (1913) berdasarkan konsep kuantum.
Pekerjaan laboratorium.
Eksperimen ini dapat dilakukan dengan menggunakan perangkat khusus, yang gambarnya ditunjukkan pada Gambar 1. Perangkat ini adalah kotak timah dengan ruang hampa penuh di dalamnya dan mikroskop.
Hamburan (mengubah arah gerakan) partikel hanya dapat disebabkan oleh bagian atom yang bermuatan positif. Jadi, menurut hamburan partikel-, adalah mungkin untuk menentukan sifat distribusi muatan positif dan massa di dalam atom. Skema percobaan Rutherford ditunjukkan pada Gambar 1. Berkas partikel yang dipancarkan oleh preparasi radioaktif dipisahkan oleh diafragma dan kemudian jatuh ke lapisan tipis bahan yang diteliti (dalam hal ini, emas). Setelah hamburan, partikel- menabrak layar yang dilapisi dengan seng sulfida. Tumbukan setiap partikel dengan layar disertai dengan kilatan cahaya (sintilasi), yang dapat diamati di bawah mikroskop.
Dengan vakum yang baik di dalam perangkat, tanpa adanya foil, seberkas cahaya muncul di layar, terdiri dari kilau yang disebabkan oleh seberkas tipis partikel . Tetapi ketika foil ditempatkan di jalur berkas, partikel didistribusikan ke area layar yang lebih besar karena hamburan.
Dalam percobaan kami, kami perlu menyelidiki partikel-α, yang diarahkan ke inti emas ketika membuat sudut 180° (Gbr. 2) dan mengikuti reaksi partikel-α, yaitu. pada jarak minimum berapa partikel akan mendekati inti emas (Gbr. 3).
Beras. 2
Gbr.3
V 0 \u003d 1,6 * 10 7 m / s - kecepatan awal
Berapa jarak minimum r min antara partikel dan inti yang dapat dicapai dalam percobaan ini? (Gbr. 4)
Gbr.4
Dalam percobaan kami, -partikel direpresentasikan sebagai atom
m netral kg
Z=2 - proton
N = Au - Z = 4 - 2 = 2 neutron
Z=79 - jumlah proton
N \u003d Au - Z \u003d 196 - 79 \u003d 117 (neutron)
Cl 2 / H m 2 - konstanta listrik
m 2 \u003d 6,6 10 -27 kg
Z He 2∙ - muatan inti (He) Z Au - muatan inti (Au)
Muatan partikel adalah 2 elementer.
Jawaban: r min \u003d 4,3 10 -14 m
Kesimpulan: Dalam percobaan ini, dimungkinkan untuk mengetahui bahwa partikel-a dapat mendekati inti atom pada jarak minimum, yaitu r min = 4,3 10 -14 m dan kembali ke lintasan yang sama saat ia mulai bergerak.
Ketika Rutherford melakukan percobaan yang sama untuk pertama kalinya, dengan susunan partikel-a ini terhadap sudut 180 °, dia berkata dengan terkejut: “Ini hampir sama menakjubkannya dengan jika Anda menembakkan proyektil 15 inci ke selembar kertas tipis, dan proyektil itu kembali kepada Anda dan menyerang Anda."
Dan sebenarnya, ini tidak mungkin, faktanya ketika melakukan percobaan ini pada sudut yang lebih kecil, maka partikel a - pasti akan memantul ke samping, seperti halnya kerikil beberapa puluh gram yang ditumbuk dengan mobil tidak mampu mengubah kecepatannya secara nyata (Gbr. 5). Karena massanya kira-kira 8000 kali lebih besar dari massa elektron, dan muatan positif sama dalam modulus dengan dua kali muatan elektron. Ini tidak lain adalah atom helium yang terionisasi penuh. Kecepatan partikel sangat tinggi: 1/15 kecepatan cahaya. Akibatnya, karena massanya yang kecil, elektron tidak dapat secara nyata mengubah lintasan partikel .
Beras. 5
Ada objek mikro netral (misalnya, foton, neutrino, neutron). Muatan listrik suatu objek mikro kompleks sama dengan jumlah aljabar muatan partikel penyusunnya. 4. Gagasan dualisme gelombang sel sebagai prinsip metodologis Fisika klasik memperkenalkan dua jenis gerak - sel dan gelombang. Yang pertama ditandai dengan lokalisasi suatu objek dalam ruang dan ...
Acara TV dari hati, dll. Efek penasaran dan solusi cerdas: radioaktivitas manusia, keju radioaktif, pemulihan gambar yang hilang dalam foto, tanda tangan orang yang tidak terlihat. Metode pencarian dan penelitian dalam pengajaran fisika Pengantar Dari mitos ke fakta sederhana. Kebutuhan untuk mengetahui dunia pada awalnya menyebabkan upaya untuk menjelaskan dunia sekaligus secara keseluruhan, untuk segera mendapatkan jawaban atas ...
Mengikuti Curie, ilmuwan Inggris Ernest Rutherford mulai mempelajari radioaktivitas. Dan pada tahun 1899 ia melakukan eksperimen untuk mempelajari komposisi radiasi radioaktif. Apa pengalaman E. Rutherford?
Garam uranium ditempatkan dalam silinder timah. Melalui lubang yang sangat sempit di silinder ini, sinar jatuh pada pelat fotografi yang terletak di atas silinder ini.
Pada awal percobaan, tidak ada medan magnet. Oleh karena itu, pelat fotografi, seperti dalam eksperimen pasangan Curie, seperti dalam eksperimen A. Becquerel, diterangi pada satu titik. Kemudian medan magnet dihidupkan, dan sedemikian rupa sehingga besarnya medan magnet ini dapat berubah. Akibatnya, pada nilai medan magnet yang rendah, balok dibagi menjadi dua komponen. Dan ketika medan magnet menjadi lebih kuat, titik gelap ketiga muncul. Bintik-bintik yang terbentuk pada pelat fotografi ini disebut sinar-a, b-, dan sinar-g.
Sifat sinar radioaktif
Bersama dengan Rutherford, seorang ahli kimia Inggris bernama Soddy mengerjakan masalah mempelajari radioaktivitas. Soddy, bersama dengan Rutherford, membuat percobaan untuk mempelajari sifat kimia dari radiasi ini. Menjadi jelas bahwa:
sebuah-rays - aliran inti atom helium yang cukup cepat,
b sinar sebenarnya adalah aliran elektron cepat,
g-rays - radiasi elektromagnetik frekuensi tinggi.
Struktur kompleks atom
Ternyata di dalam nukleus, di dalam atom, ada beberapa proses kompleks yang mengarah pada radiasi semacam itu. Ingatlah bahwa kata "atom" dalam bahasa Yunani berarti "tidak dapat dibagi". Dan sejak zaman Yunani Kuno, semua orang percaya bahwa atom adalah partikel terkecil dari suatu unsur kimia dengan segala sifatnya, dan tidak ada partikel yang lebih kecil di alam. Sebagai hasil dari penemuan radioaktivitas, radiasi spontan dari berbagai gelombang elektromagnetik dan partikel baru dari inti atom, kita dapat mengatakan bahwa atom juga dapat dibagi. Sebuah atom juga terdiri dari sesuatu dan memiliki struktur yang kompleks.
Kesimpulan
Daftar literatur tambahan
1. Bronstein M.P. Atom dan elektron. "Perpustakaan" Kuantum "". Isu. 1. M.: Nauka, 1980
2. Kikoin I.K., Kikoin A.K. Fisika: Sebuah buku teks untuk kelas 9 sekolah menengah. M.: "Pencerahan"
3. Kitaygorodsky A.I. Fisika untuk semua orang. Foton dan inti. Buku 4. M.: Sains
4. Curie P. Karya ilmiah terpilih. M.: Nauka
5. Myakishev G.Ya., Sinyakov A.Z. Fisika. fisika kuantum optik. Kelas 11: buku teks untuk studi fisika yang mendalam. M.: Bustard
6. Newton I. Prinsip matematika filsafat alam. Moskow: Nauka, 1989
7. Rutherford E. Karya Ilmiah Terpilih. Radioaktivitas. M.: Nauka
8. Rutherford E. Karya Ilmiah Terpilih. Struktur atom dan transformasi buatan elemen. M.: Nauka
9. Slobodyanyuk A.I. Fisika 10. Bagian 1. Mekanika. Listrik
10. Filatov E.N. Fisika 9. Bagian 1. Kinematika. VSMF "Avangard"
11. Einstein A., Infeld L. Evolusi fisika. Perkembangan ide dari konsep awal hingga teori relativitas dan kuantum. Moskow: Nauka, 1965
Topik: Struktur atom dan inti atom
Pelajaran 52 Pengalaman Rutherford
Yeryutkin Evgeny Sergeevich
Dalam pelajaran sebelumnya, kita telah membahas bahwa berbagai jenis radiasi dihasilkan sebagai hasil dari radioaktivitas: a-, b-, dan g-ray. Sebuah alat muncul yang memungkinkan untuk mempelajari struktur atom.
Model Thomson
Setelah menjadi jelas bahwa atom juga memiliki struktur yang kompleks, entah bagaimana diatur dengan cara khusus, perlu untuk menyelidiki struktur atom itu sendiri, untuk menjelaskan bagaimana ia diatur, terdiri dari apa. Maka para ilmuwan memulai penelitian ini.
Gagasan pertama tentang struktur kompleks diungkapkan oleh Thomson, yang menemukan elektron pada tahun 1897. Pada tahun 1903, Thomson pertama kali mengusulkan model atom. Menurut teori Thomson, sebuah atom adalah sebuah bola, yang seluruh volumenya "diolesi" dengan muatan positif. Dan di dalam, seperti elemen mengambang, ada elektron. Secara umum, menurut Thomson, atom bersifat netral secara elektris, yaitu muatan atom semacam itu sama dengan 0. Muatan negatif elektron mengimbangi muatan positif atom itu sendiri. Ukuran atom kira-kira 10 -10 m. Model Thomson disebut "puding kismis": "puding" itu sendiri adalah "tubuh" atom yang bermuatan positif, dan "kismis" adalah elektron.
Beras. 1. Model atom Thomson ("puding kismis")
Model Rutherford
Eksperimen pertama yang dapat diandalkan untuk menentukan struktur atom dilakukan oleh E. Rutherford. Hari ini kita tahu betul bahwa atom adalah struktur yang menyerupai tata surya planet. Di tengah adalah tubuh besar di mana planet-planet berputar. Model atom ini disebut model planet.
Pengalaman Rutherford
Mari kita beralih ke skema pengalaman Rutherford dan mendiskusikan hasil yang mengarah pada penciptaan model planet.
Beras. 2. Skema percobaan Rutherford
Radium ditempatkan di dalam silinder timah dengan bukaan sempit. Dengan bantuan diafragma, seberkas partikel-a yang sempit dibuat, yang, terbang melalui bukaan diafragma, jatuh pada layar yang dilapisi dengan komposisi khusus, dan suar mikro muncul ketika mereka mengenai. Cahaya seperti itu ketika partikel mengenai layar disebut "kilat kilau". Kilatan semacam itu diamati pada permukaan layar menggunakan mikroskop. Di masa depan, selama tidak ada pelat emas dalam skema, semua partikel yang terbang keluar dari silinder jatuh ke satu titik. Ketika sepiring emas yang sangat tipis ditempatkan di dalam layar di jalur partikel-a yang terbang, hal-hal yang sama sekali tidak dapat dipahami mulai diamati. Segera setelah lempengan emas ditempatkan, partikel-a mulai membelok. Partikel terlihat menyimpang dari gerakan bujursangkar aslinya dan sudah jatuh ke titik yang sama sekali berbeda di layar ini.
Seorang ilmuwan brilian yang membuat beberapa penemuan yang benar-benar hebat dalam kimia dan fisika. Prestasi apa yang mengubah fisika ke jalur perkembangan baru? Partikel apa yang ditemukan Rutherford? Rincian biografi dan kegiatan ilmiah peneliti dapat ditemukan kemudian di artikel.
Awal kehidupan
Biografi Rutherford dimulai dengan kota kecil Spring Grove di Selandia Baru. Di sana, pada tahun 1871, fisikawan dan ilmuwan masa depan lahir di keluarga imigran. Ayahnya, seorang Skotlandia asal, adalah seorang tukang kayu dan memiliki bisnis sendiri. Dari dia, Rutherford memperoleh keterampilan desain yang berguna untuk pekerjaan selanjutnya.
Keberhasilan pertama sudah terjadi di sekolah, di mana ia menerima beasiswa kuliah untuk studi yang sangat baik. Ernest Rutherford pertama kali belajar di Nelson College, lalu masuk Canterbury. Memiliki ingatan yang sangat baik dan pengetahuan yang cemerlang, dia sangat berbeda dari siswa lain.
Rutherford menerima penghargaan dalam matematika, menulis karya ilmiah pertama dalam fisika, "Magnetisasi besi selama pelepasan frekuensi tinggi." Sehubungan dengan pekerjaannya, ia menciptakan salah satu perangkat pertama untuk mengenali gelombang magnetik.
Pada tahun 1895, fisikawan Rutherford berdebat dengan ahli kimia Maclaurin untuk kepemilikan Beasiswa Adil Dunia. Secara kebetulan, lawan menolak penghargaan, dan Rutherford diberi kesempatan bagus untuk menaklukkan dunia ilmiah. Dia pergi ke Inggris ke Cavendish Laboratory dan menjadi doktor sains di bawah bimbingan Joseph Thomson.
Karya dan prestasi ilmiah
Sesampai di Inggris, mahasiswa tersebut nyaris tidak memiliki beasiswa yang cukup. Dia mulai bekerja sebagai tutor. Supervisor Rutherford segera menyadari potensi besarnya, dan tidak salah. Thomson mengundang fisikawan muda itu untuk mempelajari ionisasi gas dengan sinar-X. Bersama-sama, para ilmuwan menemukan bahwa ini menciptakan fenomena kejenuhan saat ini.
Setelah berhasil bekerja dengan Thomson, ia menyelidiki studi sinar Becquerel, yang kemudian ia sebut radioaktif. Pada saat ini, ia membuat penemuan penting pertamanya, mengungkapkan keberadaan partikel yang sebelumnya tidak diketahui, mempelajari sifat-sifat uranium dan thorium.
Dia kemudian menjadi profesor di Universitas Montreal. Bersama Frederick Soddy, ilmuwan mengemukakan gagasan transformasi unsur dalam proses peluruhan. Pada saat yang sama, Rutherford menulis karya ilmiah "Radioaktivitas" dan "Transformasi Radioaktif", yang membuatnya terkenal. Ia menjadi anggota Royal Society, dianugerahi gelar bangsawan.
Ernest Rutherford dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1908 untuk penelitiannya tentang peluruhan unsur radioaktif. Ilmuwan menemukan emanasi thorium, transmutasi buatan elemen dengan menyinari inti nitrogen, dan menulis tiga volume karya. Salah satu pencapaian terpentingnya adalah penciptaan model inti atom.
Partikel apa yang ditemukan Rutherford?
Dalam studi radiasi radioaktif, Rutherford bukanlah yang pertama. Sebelum dia, area ini secara aktif dieksplorasi oleh fisikawan Becquerel dan Curie. Fenomena radioaktivitas kemudian ditemukan baru-baru ini, dan energi dianggap sebagai sumber eksternal. Dengan hati-hati mempelajari garam uranium dan sifat-sifatnya, Rutherford memperhatikan bahwa sinar yang ditemukan oleh Becquerel tidak homogen.
Percobaan foil Rutherford menunjukkan bahwa sinar radioaktif dibagi menjadi beberapa aliran partikel. Aluminium foil dapat menyerap satu aliran, yang lain dapat melewatinya. Masing-masing dari mereka adalah satu set elemen kecil, yang disebut partikel alfa dan beta atau sinar oleh ilmuwan. Dua tahun kemudian, orang Prancis Villars menemukan jenis sinar ketiga, yang, mengikuti contoh Rutherford, disebut sinar gamma.
Jenis partikel apa yang ditemukan Rutherford memiliki dampak besar pada perkembangan fisika nuklir. Sebuah terobosan dibuat dan terbukti bahwa energi itu berasal dari atom-atom uranium. Partikel alfa didefinisikan sebagai atom helium bermuatan positif, partikel beta adalah elektron. Partikel gamma, ditemukan kemudian, adalah radiasi elektromagnetik.
peluruhan radioaktif
Penemuan Rutherford memberikan dorongan tidak hanya untuk ilmu fisika, tetapi juga untuk dirinya sendiri. Ia melanjutkan studi radioaktivitas di Universitas Montreal di Kanada. Bersama dengan ahli kimia Soddy, mereka melakukan serangkaian percobaan, dengan bantuan yang mereka catat bahwa atom berubah selama emisi partikelnya.
Seperti alkemis abad pertengahan, para ilmuwan mengubah uranium menjadi timbal, membuat terobosan ilmiah lainnya. Jadi Hukum ditemukan, yang sesuai dengan pembusukan terjadi, Rutherfor dan Soddy dijelaskan dalam karya-karya "Transformasi Radioaktif" dan "Studi Perbandingan Radioaktivitas Radium dan Thorium".
Peneliti menentukan ketergantungan intensitas peluruhan pada jumlah atom radioaktif dalam sampel, serta pada waktu yang telah berlalu. Telah dicatat bahwa aktivitas peluruhan menurun secara eksponensial dari waktu ke waktu. Setiap zat membutuhkan waktunya sendiri. Berdasarkan laju peluruhan, Rutherford mampu merumuskan prinsip waktu paruh.
Model planet atom
Pada awal abad ke-20, banyak percobaan telah dilakukan untuk mempelajari sifat atom dan radioaktivitas. Rutherford dan Villard menemukan sinar alfa, beta dan gamma, dan Joseph Thomson, pada gilirannya, mengukur rasio muatan terhadap massa elektron dan memastikan bahwa partikel tersebut adalah bagian dari atom.
Berdasarkan penemuannya, Thomson menciptakan model atom. Ilmuwan percaya bahwa yang terakhir memiliki bentuk bola, di seluruh permukaannya partikel bermuatan positif didistribusikan. Di dalam bola terdapat elektron bermuatan negatif.
Beberapa tahun kemudian, Rutherford membantah teori gurunya. Ia menyatakan bahwa atom memiliki inti yang bermuatan positif. Dan di sekitarnya, seperti planet yang mengelilingi matahari, elektron berputar di bawah pengaruh gaya Coulomb.
Skema pengalaman Rutherford
Rutherford adalah eksperimen yang luar biasa. Oleh karena itu, meragukan model Thomson, dia memutuskan untuk menyangkalnya secara empiris. Atom Thomsonian seharusnya terlihat seperti awan elektron yang berbentuk bola. Kemudian partikel alfa harus melewati kertas timah dengan bebas.
Untuk percobaan, Rutherford membuat perangkat dari kotak timah dengan lubang kecil di mana bahan radioaktif berada. Kotak itu menyerap partikel alfa ke segala arah kecuali di mana lubang itu berada. Ini menciptakan aliran partikel yang terarah. Di depan ada beberapa layar timah dengan slot untuk menyingkirkan partikel yang menyimpang dari jalur tertentu.
Sinar alfa terfokus tajam, melewati semua rintangan, diarahkan ke lembaran yang sangat tipis Di belakangnya ada layar neon. Setiap kontak partikel dengannya direkam sebagai kilatan. Jadi adalah mungkin untuk menilai deviasi partikel setelah melewati foil.
Yang mengejutkan Rutherford sendiri, banyak partikel dibelokkan pada sudut yang besar, beberapa bahkan 180 derajat. Ini memungkinkan ilmuwan untuk berasumsi bahwa sebagian besar atom adalah zat padat di dalamnya, yang kemudian disebut nukleus.
Skema pengalaman Rutherford:
Kritik terhadap model
Model nuklir Rutherford awalnya dikritik karena bertentangan dengan hukum elektrodinamika klasik. Berputar, elektron harus kehilangan energi dan memancarkan gelombang elektromagnetik, tetapi ini tidak terjadi, yang berarti mereka diam. Dalam hal ini, elektron harus jatuh pada nukleus, dan tidak berputar di sekitarnya.
Itu jatuh ke Niels Bohr untuk menangani fenomena ini. Dia menetapkan bahwa setiap elektron memiliki orbitnya sendiri. Ketika elektron berada di atasnya, ia tidak memancarkan energi, tetapi memiliki percepatan. Ilmuwan memperkenalkan konsep kuanta - bagian energi yang dilepaskan ketika elektron berpindah ke orbit lain.
Dengan demikian, Niels Bohr menjadi salah satu pendiri cabang ilmu baru - fisika kuantum. Kebenaran model Rutherford telah terbukti. Akibatnya, konsep materi dan geraknya telah berubah total. Dan modelnya kadang-kadang disebut atom Bohr-Rutherford.
Ernest Rutherford menerima Hadiah Nobel sebelum dia membuat pencapaian terpenting dalam hidupnya - dia menemukan inti atom dan menetapkan model planet atom.
Penemuan tengara Rutherford menyebabkan munculnya industri baru yang mempelajari struktur inti atom. Itu disebut fisika nuklir atau nuklir.
Fisikawan itu tidak hanya memiliki penelitian, tetapi juga bakat mengajar. Dua belas muridnya adalah pemenang Hadiah Nobel dalam bidang fisika dan kimia. Diantaranya adalah Frederick Soddy, Henry Moseley, Otto Hahn dan tokoh terkenal lainnya.
Ilmuwan sering dikreditkan dengan penemuan nitrogen, yang keliru. Bagaimanapun, Rutherford yang sama sekali berbeda menjadi terkenal karena ini. Gas ini ditemukan oleh ahli botani dan kimia Daniel Rutherford, yang hidup satu abad lebih awal dari fisikawan terkemuka.
Kesimpulan
Ilmuwan Inggris Ernest Rutherford menjadi terkenal di antara rekan-rekannya karena keinginannya untuk bereksperimen. Sepanjang hidupnya, ilmuwan melakukan banyak eksperimen, berkat itu ia berhasil menemukan partikel alfa dan beta, merumuskan hukum peluruhan dan waktu paruh, dan mengembangkan model planet atom. Sebelum dia, diyakini bahwa energi adalah sumber eksternal. Tetapi setelah dunia ilmiah mempelajari partikel apa yang ditemukan Rutherford, fisikawan berubah pikiran. Prestasi ilmuwan membantu membuat langkah besar dalam pengembangan fisika dan kimia, dan juga berkontribusi pada munculnya industri seperti fisika nuklir.
