تجارب رذرفورد في دراسة التشتت. تجربة تشتت جسيمات ألفا. اكتشافات أخرى تمت أثناء دراسة الذرة
39. تجربة تشتت جسيمات ألفا.
المحاولة الأولى لإنشاء نموذج للذرة بناءً على البيانات التجريبية المتراكمة (1903) تعود إلى ج. طومسون. كان يعتقد أن الذرة عبارة عن نظام كروي محايد كهربائيًا يبلغ نصف قطره حوالي 10-10 أمتار، ويتم توزيع الشحنة الموجبة للذرة بالتساوي على كامل حجم الكرة، وتوجد بداخلها إلكترونات سالبة الشحنة (الشكل 6.1). .1). لشرح أطياف الانبعاث الخطي للذرات، حاول طومسون تحديد موقع الإلكترونات في الذرة وحساب ترددات اهتزازاتها حول مواضع التوازن. إلا أن هذه المحاولات باءت بالفشل. بعد بضع سنوات، في تجارب الفيزيائي الإنجليزي العظيم E. Rutherford، ثبت أن نموذج طومسون كان غير صحيح.
الشكل 6.1.1.
نموذج جي طومسون للذرة
تم إجراء أولى التجارب المباشرة لدراسة البنية الداخلية للذرات بواسطة إي. رذرفورد ومعاونيه إي. مارسدن وإتش. جيجر في 1909-1911. اقترح رذرفورد استخدام المسبار الذري باستخدام جسيمات ألفا، التي تنشأ أثناء التحلل الإشعاعي للراديوم وبعض العناصر الأخرى. تبلغ كتلة جسيمات ألفا حوالي 7300 مرة كتلة الإلكترون، والشحنة الموجبة تساوي ضعف الشحنة الأولية. في تجاربه، استخدم رذرفورد جسيمات ألفا ذات طاقة حركية تبلغ حوالي 5 ميغا إلكترون فولت (سرعة هذه الجسيمات عالية جدًا - حوالي 107 م/ث، ولكنها لا تزال أقل بكثير من سرعة الضوء). جسيمات ألفا هي ذرات هيليوم متأينة بالكامل. اكتشفها رذرفورد عام 1899 أثناء دراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي. لقد قذف رذرفورد ذرات العناصر الثقيلة (الذهب، الفضة، النحاس، إلخ) بهذه الجزيئات. لا تستطيع الإلكترونات التي تتكون منها الذرات، بسبب كتلتها المنخفضة، تغيير مسار جسيم ألفا بشكل ملحوظ. التشتت، أي التغيير في اتجاه حركة جسيمات ألفا، لا يمكن أن يحدث إلا بسبب الجزء الثقيل المشحون إيجابيًا من الذرة. يظهر الرسم البياني لتجربة رذرفورد في الشكل. 6.1.2.
الشكل 6.1.2.
مخطط تجربة رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا. K – حاوية الرصاص مع مادة مشعة، E – شاشة مغلفة بكبريتيد الزنك، F – رقائق الذهب، M – المجهر)
ومن مصدر مشع محاط بحاوية رصاص، تم توجيه جسيمات ألفا إلى رقاقة معدنية رقيقة. وسقطت جزيئات متناثرة على شاشة مغطاة بطبقة من بلورات كبريتيد الزنك، القادرة على التوهج عند اصطدامها بجزيئات سريعة الشحن. وقد لوحظت الومضات (الومضات) على الشاشة بالعين باستخدام المجهر. يمكن إجراء ملاحظات على جسيمات ألفا المتناثرة في تجربة رذرفورد بزوايا مختلفة φ للاتجاه الأصلي للحزمة. وقد وجد أن معظم جسيمات ألفا تمر عبر طبقة رقيقة من المعدن مع انحراف قليل أو معدوم. ومع ذلك، فإن جزءًا صغيرًا من الجسيمات ينحرف بزوايا كبيرة تتجاوز 30 درجة. انحرفت جسيمات ألفا النادرة جدًا (حوالي واحد من كل عشرة آلاف) بزوايا قريبة من 180 درجة.
كانت هذه النتيجة غير متوقعة على الإطلاق حتى بالنسبة لرذرفورد. كانت أفكاره في تناقض حاد مع نموذج طومسون للذرة، والذي بموجبه يتم توزيع الشحنة الموجبة في كامل حجم الذرة. مع مثل هذا التوزيع، لا يمكن للشحنة الموجبة أن تخلق مجالًا كهربائيًا قويًا يمكنه إرجاع جسيمات ألفا إلى الخلف. يبلغ المجال الكهربائي لكرة مشحونة بشكل منتظم الحد الأقصى على سطحها، ويتناقص إلى الصفر عندما تقترب من مركز الكرة. إذا انخفض نصف قطر الكرة التي تتركز فيها كل الشحنات الموجبة للذرة بمقدار n مرات، فإن القوة التنافرية القصوى المؤثرة على جسيم ألفا ستزداد بمقدار n2 مرات وفقًا لقانون كولوم. ونتيجة لذلك، بالنسبة لقيمة كبيرة بما فيه الكفاية من n، يمكن أن تتعرض جسيمات ألفا للتشتت في زوايا كبيرة تصل إلى 180 درجة. قادت هذه الاعتبارات رذرفورد إلى استنتاج مفاده أن الذرة شبه فارغة، وأن كل شحنتها الموجبة تتركز في حجم صغير. وقد أطلق رذرفورد على هذا الجزء من الذرة اسم النواة الذرية. هكذا نشأ النموذج النووي للذرة. أرز. يوضح الشكل 6.1.3 تشتت جسيم ألفا في ذرة طومسون وفي ذرة رذرفورد.
يعد إرنست رذرفورد أحد مؤسسي العقيدة الأساسية للبنية الداخلية للذرة. ولد العالم في إنجلترا لعائلة من المهاجرين من اسكتلندا. كان رذرفورد هو الطفل الرابع في عائلته، وتبين أنه الأكثر موهبة. تمكن من تقديم مساهمة خاصة في نظرية التركيب الذري.
الأفكار الأولية حول بنية الذرة
وتجدر الإشارة إلى أنه قبل إجراء تجربة رذرفورد الشهيرة في تشتت جسيمات ألفا، كانت الفكرة السائدة في ذلك الوقت حول بنية الذرة هي نموذج طومسون. كان هذا العالم على يقين من أن الشحنة الموجبة تملأ حجم الذرة بالكامل بشكل موحد. يعتقد طومسون أن الإلكترونات سالبة الشحنة تبدو وكأنها تتخللها.
متطلبات الثورة العلمية
بعد التخرج من المدرسة، تلقى رذرفورد، باعتباره الطالب الأكثر موهبة، منحة قدرها 50 جنيها لمواصلة التعليم. وبفضل هذا، تمكن من الالتحاق بالجامعة في نيوزيلندا. بعد ذلك، يجتاز العالم الشاب الامتحانات في جامعة كانتربري ويبدأ في دراسة الفيزياء والكيمياء بجدية. في عام 1891، ألقى رذرفورد محاضرته الأولى حول "تطور العناصر". ولأول مرة في التاريخ، أوضح فكرة أن الذرات هي هياكل معقدة.
في ذلك الوقت، سيطرت فكرة دالتون بأن الذرات غير قابلة للتجزئة على الدوائر العلمية. بالنسبة لكل من حول رذرفورد، بدت فكرته مجنونة تمامًا. كان على العالم الشاب أن يعتذر باستمرار لزملائه عن "هراءه". ولكن بعد مرور 12 عامًا، تمكن رذرفورد من إثبات أنه كان على حق. أتيحت الفرصة لرذرفورد لمواصلة أبحاثه في مختبر كافنديش في إنجلترا، حيث بدأ بدراسة عمليات تأين الهواء. كان أول اكتشاف لرذرفورد هو أشعة ألفا وبيتا.
تجربة رذرفورد
يمكن وصف الاكتشاف بإيجاز على النحو التالي: في عام 1912، أجرى رذرفورد مع مساعديه تجربته الشهيرة - انبعثت جزيئات ألفا من مصدر الرصاص. انتقلت جميع الجزيئات، باستثناء تلك التي امتصها الرصاص، على طول القناة المثبتة. سقط مجرىهم الضيق على طبقة رقيقة من الرقائق. كان هذا الخط عموديًا على الورقة. أثبتت تجربة رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا أن تلك الجسيمات التي مرت عبر شريحة من الرقاقة تسببت في ما يسمى بالوميض على الشاشة.
وكانت هذه الشاشة مغطاة بمادة خاصة تبدأ بالتوهج عندما تصطدم بها جسيمات ألفا. تم ملء المساحة بين الطبقة والشاشة بالفراغ لمنع تناثر جسيمات ألفا في الهواء. سمح هذا الجهاز للباحثين بمراقبة تناثر الجسيمات بزاوية تبلغ حوالي 150 درجة.
إذا لم يتم استخدام الرقاقة كعائق أمام شعاع جسيمات ألفا، فستتشكل دائرة ضوئية من الومضات على الشاشة. ولكن بمجرد وضع حاجز من رقائق الذهب أمام شعاعهم، تغيرت الصورة بشكل كبير. ولم تظهر الومضات خارج هذه الدائرة فحسب، بل ظهرت أيضًا على الجانب الآخر من الرقاقة. أظهرت تجربة رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا أن معظم الجسيمات مرت عبر الرقاقة دون تغيرات ملحوظة في مسارها.
في هذه الحالة، انحرفت بعض الجزيئات بزاوية كبيرة إلى حد ما وتم إرجاعها إلى الخلف. لكل 10000 جسيم يمر بحرية عبر طبقة من رقائق الذهب، تم انحراف جسيم واحد فقط بزاوية تتجاوز 10 درجات - وكاستثناء، تم انحراف أحد الجسيمات بهذه الزاوية.
سبب انحراف جسيمات ألفا
إن ما فحصته وأثبتته تجربة رذرفورد بالتفصيل هو بنية الذرة. وهذا الوضع يدل على أن الذرة ليست في تكوين مستمر. مرت معظم الجسيمات بحرية عبر الرقاقة التي يبلغ سمكها ذرة واحدة. وبما أن كتلة جسيم ألفا أكبر بحوالي 8000 مرة من كتلة الإلكترون، فإن هذا الأخير لا يمكن أن يؤثر بشكل كبير على مسار جسيم ألفا. ولا يمكن القيام بذلك إلا عن طريق النواة الذرية - وهي جسم صغير الحجم، يمتلك تقريبًا كل الكتلة وكل الشحنة الكهربائية للذرة. في ذلك الوقت، أصبح هذا طفرة كبيرة للفيزيائي الإنجليزي. وتعتبر تجربة رذرفورد من أهم الخطوات في تطور علم التركيب الداخلي للذرة.
اكتشافات أخرى تمت أثناء دراسة الذرة
قدمت هذه الدراسات دليلا مباشرا على أن الشحنة الموجبة للذرة تقع داخل نواتها. وتشغل هذه المساحة مساحة صغيرة جدًا مقارنة بأبعادها الإجمالية. في مثل هذا الحجم الصغير، تبين أن تشتت جسيمات ألفا أمر غير مرجح للغاية. وشهدت تلك الجسيمات التي مرت بالقرب من منطقة النواة الذرية انحرافات حادة عن المسار، لأن قوى التنافر بين جسيم ألفا ونواة الذرة كانت قوية للغاية. أثبتت تجربة رذرفورد لتشتت جسيمات ألفا احتمالية اصطدام جسيمات ألفا مباشرة بالنواة. صحيح أن الاحتمال كان صغيرًا جدًا، لكنه ليس صفرًا.
ولم تكن هذه هي الحقيقة الوحيدة التي أثبتتها تجربة رذرفورد. تمت دراسة بنية الذرة لفترة وجيزة من قبل زملائه، الذين قاموا بعدد من الاكتشافات المهمة الأخرى. باستثناء التعليم بأن جسيمات ألفا هي نواة هيليوم سريعة الحركة.
تمكن العالم من وصف بنية الذرة التي تشغل فيها النواة جزءًا صغيرًا من الحجم الإجمالي. أثبتت تجاربه أن شحنة الذرة بأكملها تقريبًا تتركز داخل نواتها. وفي هذه الحالة تحدث حالتا انحراف جسيمات ألفا وحالات اصطدامها بالنواة.
تجارب رذرفورد: النموذج النووي للذرة
في عام 1911، اقترح رذرفورد، بعد دراسات عديدة، ما أسماه الكواكب. ووفقا لهذا النموذج، يوجد داخل الذرة نواة تحتوي تقريبا على كامل كتلة الجسيم. تتحرك الإلكترونات حول النواة بطريقة مشابهة لكيفية تحرك الكواكب حول الشمس. ومن مزيجهما يتم تشكيل ما يسمى بالسحابة الإلكترونية. الذرة لها شحنة متعادلة، كما أظهرت تجربة رذرفورد.
أصبح تركيب الذرة فيما بعد موضع اهتمام عالم يدعى نيلز بور. وكان هو الذي أنهى تعاليم رذرفورد، لأنه قبل بور، بدأ النموذج الكوكبي للذرة يواجه صعوبات في التفسير. وبما أن الإلكترون يتحرك حول النواة في مدار معين بتسارع، فلا بد أن يسقط عاجلاً أم آجلاً على نواة الذرة. ومع ذلك، تمكن نيلز بور من إثبات أن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية لم تعد قابلة للتطبيق داخل الذرة.
تجربة رذرفورد لتشتت جسيمات ألفا
كان أساس الأفكار الحديثة حول بنية الذرة هو تجارب رذرفورد حول تشتت الجسيمات. - تنشأ الجسيمات في عملية التحلل الإشعاعي وتكون شحنتها موجبة وتساوي ضعف شحنة الإلكترون. الطاقة الحركية وسرعة الجزيئات عالية:
في تجارب رذرفورد، سقط شعاع ضيق من الجزيئات المنبعثة من المادة المشعة P، المنبعثة من ثقب (الشكل 39)، على رقاقة معدنية رفيعة جدًا F. حدث تشتت الجزيئات على ذرات الرقاقة. تم وضع شاشة E مصنوعة من كبريتيد الزنك حول الرقاقة. عندما يصطدم جسيم بهذه الشاشة، فإنه يعطي وميضًا من الضوء - الوميض (وهذا هو سبب تسمية هذه الشاشات بشاشات التلألؤ)، والتي تم تسجيلها باستخدام تلسكوب M. ويمكن ضبط موضع الشاشة والتلسكوب في أي زاوية للشاشة. اتجاه انتشار الشعاع - الجسيمات. وهكذا، كان من الممكن حساب عدد الجزيئات التي تنتشر في زوايا مختلفة.
أرز. 39. تجربة رذرفورد
اتضح أن الجسيمات يمكن أن تمر عبر الرقاقة في خط مستقيم أو أن تنعكس عنها بالكامل. غالبية
- تنحرف الجزيئات عن المسار المستقيم بزوايا لا تزيد عن 1-2 درجة. لكن جزءًا صغيرًا من الجزيئات انحرف بزوايا أكبر بكثير - لذا، يعود جسيم واحد من بين 20000 جسيمًا ().
بناءً على النتائج التجريبية المدروسة، اقترح رذرفورد في عام 1911 نموذجه النووي (الكواكبي) للذرة. وفقًا لرذرفورد، يوجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة (+Ze) (نصف قطر النواة) ~ 10 -13 سم)، والتي تقع حولها إلكترونات Z. كتلة النواة أكبر بكثير من كتلة الإلكترونات.
النموذج النووي للذرة جعل من الممكن تفسير انحراف الجسيمات عن المسار المستقيم الذي لوحظ في تجربة رذرفورد: تنشأ قوى التنافر الكولومية بين الجسيمات موجبة الشحنة والنواة موجبة الشحنة .
ومع ذلك، فإن التأكيد التجريبي للنموذج النووي للذرة الذي اقترحه رذرفورد، لم يحل تناقضات هذا النموذج مع قوانين الميكانيكا الكلاسيكية والديناميكا الكهربائية.
التناقض الأول: بما أن نظام الشحنات الكهربائية الثابتة غير مستقر، فقد اقترح رذرفورد أن الإلكترونات ليست ثابتة، ولكنها تتحرك حول النواة؛ مما يعني أن لديهم تسارع الجاذبية. ولكن في الوقت نفسه، وفقًا لمفاهيم الفيزياء الكلاسيكية، يجب على الإلكترون، مثل أي شحنة متحركة متسارعة، أن ينبعث باستمرار من الموجات الكهرومغناطيسية. وفي الوقت نفسه، في الحالة الطبيعية، لا تنبعث الذرات.
التناقض 2: فقدان الطاقة في عملية انبعاث الموجات الكهرومغناطيسية، يجب أن يسقط الإلكترون في النهاية على النواة (وقت السقوط المقدر ~ 10 -8 ثانية). وبالتالي، فإن الذرة، وفقا لنموذج رذرفورد، نظام غير مستقر، وهو ما يتناقض مع الواقع.
التناقض الثالث: حسب رذرفورد، فإن الإلكترونات التي تتحرك حول النواة محجوزة بواسطة قوى كولوم:
أين الشحنة النووية م - كتلة الإلكترون، - سرعته، ص - نصف قطر المدار. منذ نصف القطر ص ولا توجد قيود مفروضة، فسرعة الإلكترون، وبالتالي طاقته الحركية، يمكن أن تكون أي شيء.
وهذا يعني أن طيف الانبعاث للذرة يجب أن يكون مستمرا. ومع ذلك، يتكون أطياف الانبعاث الذري الحقيقي من خطوط فردية (والتي تتحد لتشكل سلسلة من الخطوط).
أولئك. النموذج النووي للذرة لم يكن قادرا على تفسير استقرار الذرة أو طبيعة الطيف الذري. تم العثور على طريقة للخروج من هذا الوضع في عام 1913 من قبل بور، الذي اقترح نموذجا جديدا للذرة، مقدما افتراضات تتعارض مع الأفكار الكلاسيكية. لقد بنى نظريته على فرضيتين.
التركيب الذريمعقدة. وهذا ما تؤكده اكتشافات ظواهر مثل الإلكترون والأشعة السينية والنشاط الإشعاعي. ونتيجة للبحث النظري والتجارب العديدة، أ نظرية التركيب الذري. مساهمة مهمة بشكل خاص في إنشاء نظرية التركيب الذري قدمها الفيزيائي الإنجليزي إرنست رذرفورد(1871 - 1937) الذي أجرى تجارب لدراسة مرور جسيمات ألفا عبر صفائح معدنية رقيقة من الذهب والبلاتين.
اقترح رذرفورد في عام 1906 فحص ذرات العناصر الثقيلة باستخدام جسيمات ألفا ذات طاقة قدرها 4.05 ميغا إلكترون فولت، والتي تنبعث من نواة اليورانيوم أو الراديوم. وبالتالي، تم اقتراح دراسة تشتت (تغير اتجاه الحركة) لجسيمات ألفا في المادة.
تبلغ كتلة جسيم ألفا حوالي 8000 مرة كتلة الإلكترون. الشحنة الموجبة تساوي ضعف شحنة الإلكترون 2e. سرعة جسيم ألفا هي 1/15 سرعة الضوء أو 2 * 10 7 م/ث. جسيم ألفاهي ذرة هيليوم متأينة بالكامل.
يظهر الشكل 1 مخططًا مبسطًا لتجارب رذرفورد. 1.1. انبعثت جسيمات ألفا من مصدر مشع 1 موضوع داخل أسطوانة رصاص 2 ذات قناة ضيقة 3. سقط شعاع ضيق من جسيمات ألفا من القناة على الرقاقة 4 المصنوعة من المادة قيد الدراسة، بشكل عمودي على سطح الرقاقة. من أسطوانة الرصاص، مرت جسيمات ألفا عبر القناة فقط، والباقي يمتصه الرصاص. سقطت جزيئات ألفا التي تمر عبر الرقاقة وتنتشر بها على شاشة نصف شفافة 5، وهي مغلفة بمادة مضيئة (كبريتات الزنك). كانت هذه المادة قادرة على التوهج عندما اصطدم بها جسيم ألفا. وكان اصطدام كل جسيم بالشاشة مصحوبًا بوميض من الضوء. يسمى هذا الفلاش التلألؤ(من التلألؤ اللاتيني - وميض الضوء المتلألئ قصير المدى). خلف الشاشة كان هناك مجهر 6. ولمنع التشتت الإضافي لجزيئات ألفا في الهواء، تم وضع الجهاز بأكمله في وعاء به فراغ كافٍ.
أرز. 1.1. مخطط مبسط لتجارب رذرفورد.
في غياب الرقائق، ظهرت دائرة مشرقة على الشاشة، تتكون من ومضات ناجمة عن شعاع رقيق من جسيمات ألفا. ولكن عندما تم وضع رقاقة ذهبية رفيعة يبلغ سمكها حوالي 0.1 ميكرومتر (ميكرون) في مسار جسيمات ألفا، تغيرت الصورة التي لوحظت على الشاشة بشكل كبير: لم تظهر الومضات الفردية خارج الدائرة السابقة فحسب، بل من الممكن أيضًا أن تكون لوحظ من الجانب الآخر من رقائق الذهب.
ومن خلال حساب عدد الومضات لكل وحدة زمنية في أماكن مختلفة على الشاشة، من الممكن تحديد توزيع جسيمات ألفا المتناثرة في الفضاء. يتناقص عدد جسيمات ألفا بسرعة مع زيادة زاوية التشتت.
الصورة التي شوهدت على الشاشة أدت إلى استنتاج مفاده أن غالبية جسيمات ألفا تمر عبر رقائق الذهب دون تغيير ملحوظ في اتجاه حركتها. ومع ذلك، فإن بعض الجسيمات انحرفت بزوايا كبيرة عن الاتجاه الأصلي لجسيمات ألفا (حوالي 135 درجة ... 150 درجة) بل وتم إرجاعها للخلف. أظهرت الأبحاث أنه عندما تمر جسيمات ألفا عبر الرقاقة، من بين كل 10000 جسيم متساقط، ينحرف جسيم واحد فقط بزاوية تزيد عن 10 درجات عن الاتجاه الأصلي للحركة. وكاستثناء نادر فقط، ينحرف أحد العدد الهائل من جسيمات ألفا عن اتجاهه الأصلي.
حقيقة أن العديد من جسيمات ألفا مرت عبر الرقاقة دون الانحراف عن اتجاه حركتها تشير إلى أن الذرة ليست كيانًا صلبًا. نظرًا لأن كتلة جسيم ألفا أكبر بحوالي 8000 مرة من كتلة الإلكترون، فإن الإلكترونات التي تشكل جزءًا من ذرات الرقائق لا يمكنها تغيير مسار جسيمات ألفا بشكل ملحوظ. يمكن أن يحدث تشتت جسيمات ألفا بسبب جسيم ذرة موجب الشحنة - النواة الذرية.
النواة الذرية- هذا جسم صغير تتركز فيه كل كتلة الذرة تقريبًا وكل الشحنة الموجبة للذرة تقريبًا.
كلما اقترب جسيم ألفا من النواة، زادت قوة التفاعل الكهربائي وزادت زاوية انحراف الجسيم. على مسافات قصيرة من النواة، يتعرض جسيم ألفا موجب الشحنة لقوة تنافر كبيرة F من النواة، والتي يحددها قانون كولومب:
| و= |
حيث r هي المسافة من النواة إلى جسيم ألفا؛ ε 0 – الثابت الكهربائي في وحدات SI؛ ع – عدد البروتونات في النواة؛ e = 1.6*10-19 C – القيمة المطلقة للشحنة الكهربائية الأولية (شحنة الإلكترون)؛ 2e – شحنة جسيمات ألفا
ويبين الشكل 1.2 مسارات جسيمات ألفا التي تطير على مسافات مختلفة من النواة.
تمكن رذرفورد من تقديم صيغة تربط عدد جسيمات ألفا المنتشرة في زاوية معينة مع طاقة جسيمات ألفا والبروتونات p في نواة الذرة. أكد التحقق التجريبي من الصيغة صحتها وأظهر أن عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات داخل الذرة Z ويتم تحديده بواسطة العدد الذري للعنصر الكيميائي (أي العدد الذري للعنصر الكيميائي). عنصر في النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev):
ع = ض
أرز. 1.2. مسارات جسيمات ألفا.
ومن خلال حساب عدد جسيمات ألفا المنتشرة في زوايا مختلفة، تمكن رذرفورد من تقدير الأبعاد الخطية للنواة. لكي تتمكن نواة موجبة من إرجاع جسيم ألفا إلى الخلف، يجب أن تكون الطاقة الكامنة للتنافر الكهروستاتيكي (كولوم) عند حدود النواة الذرية مساوية للطاقة الحركية لجسيم ألفا:
| = |
اتضح أن النواة لها قطر:
د ط = 10 -13 ...10 -12 سم = 10 -15 ...10 -14 م
القطر الخطي للذرة نفسها:
د أ = 10 -8 سم = 10 -10 م
النموذج الكوكبي للذرة
بعد تحليل العديد من التجارب، اقترح رذرفورد في عام 1911 النموذج الذري الكوكبي(النموذج النووي للذرة).
ووفقا لهذا النموذج، يوجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة، تتركز فيها كتلة الذرة بأكملها تقريبا. تدور الإلكترونات سالبة الشحنة حول النواة. تتحرك الإلكترونات حول النواة لمسافات طويلة نسبيًا، مثلما تدور الكواكب حول الشمس. من جمع هذه الإلكترونات يتم تشكيلها قذيفة الإلكترونأو سحابة الإلكترون.
الذرة ككل محايدة، وبالتالي فإن القيمة المطلقة لمجموع الشحنة السالبة للإلكترونات تساوي الشحنة الموجبة للنواة: عدد Z*e من البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات في سحابة الإلكترون ويتزامن مع الرقم التسلسلي (الرقم الذري) Z لذرة عنصر كيميائي معين في النظام الدوري D. I. Mendeleev.
على سبيل المثال، ذرة الهيدروجين لها العدد الذري Z = 1، وبالتالي فإن ذرة الهيدروجين تتكون من نواة موجبة بشحنة تساوي القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون. يدور إلكترون واحد حول النواة. نواة ذرة الهيدروجين تسمى بروتون. تحتوي ذرة الليثيوم على العدد الذري Z = 3، وبالتالي فإن 3 إلكترونات تدور حول نواة ذرة الليثيوم.
يعد إرنست رذرفورد أحد مؤسسي العقيدة الأساسية للبنية الداخلية للذرة. ولد العالم في إنجلترا لعائلة من المهاجرين من اسكتلندا. كان رذرفورد هو الطفل الرابع في عائلته، وتبين أنه الأكثر موهبة. تمكن من تقديم مساهمة خاصة في نظرية التركيب الذري.
الأفكار الأولية حول بنية الذرة
وتجدر الإشارة إلى أنه قبل إجراء تجربة رذرفورد الشهيرة في تشتت جسيمات ألفا، كانت الفكرة السائدة في ذلك الوقت حول بنية الذرة هي نموذج طومسون. كان هذا العالم على يقين من أن الشحنة الموجبة تملأ حجم الذرة بالكامل بشكل موحد. يعتقد طومسون أن الإلكترونات سالبة الشحنة تبدو وكأنها تتخللها.
متطلبات الثورة العلمية
بعد التخرج من المدرسة، تلقى رذرفورد، باعتباره الطالب الأكثر موهبة، منحة قدرها 50 جنيها لمواصلة التعليم. وبفضل هذا، تمكن من الالتحاق بالجامعة في نيوزيلندا. بعد ذلك، يجتاز العالم الشاب الامتحانات في جامعة كانتربري ويبدأ في دراسة الفيزياء والكيمياء بجدية. في عام 1891، ألقى رذرفورد محاضرته الأولى حول "تطور العناصر". ولأول مرة في التاريخ، أوضح فكرة أن الذرات هي هياكل معقدة.
في ذلك الوقت، سيطرت فكرة دالتون بأن الذرات غير قابلة للتجزئة على الدوائر العلمية. بالنسبة لكل من حول رذرفورد، بدت فكرته مجنونة تمامًا. كان على العالم الشاب أن يعتذر باستمرار لزملائه عن "هراءه". ولكن بعد مرور 12 عامًا، تمكن رذرفورد من إثبات أنه كان على حق. أتيحت الفرصة لرذرفورد لمواصلة أبحاثه في مختبر كافنديش في إنجلترا، حيث بدأ بدراسة عمليات تأين الهواء. كان أول اكتشاف لرذرفورد هو أشعة ألفا وبيتا.
تجربة رذرفورد
يمكن وصف الاكتشاف بإيجاز على النحو التالي: في عام 1912، أجرى رذرفورد مع مساعديه تجربته الشهيرة - انبعثت جزيئات ألفا من مصدر الرصاص. انتقلت جميع الجزيئات، باستثناء تلك التي امتصها الرصاص، على طول القناة المثبتة. سقط مجرىهم الضيق على طبقة رقيقة من الرقائق. كان هذا الخط عموديًا على الورقة. أثبتت تجربة رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا أن تلك الجسيمات التي مرت عبر شريحة من الرقاقة تسببت في ما يسمى بالوميض على الشاشة.
وكانت هذه الشاشة مغطاة بمادة خاصة تبدأ بالتوهج عندما تصطدم بها جسيمات ألفا. تم ملء المساحة بين طبقة رقائق الذهب والشاشة بفراغ لمنع تناثر جسيمات ألفا في الهواء. سمح هذا الجهاز للباحثين بمراقبة تناثر الجسيمات بزاوية تبلغ حوالي 150 درجة.
إذا لم يتم استخدام الرقاقة كعائق أمام شعاع جسيمات ألفا، فستتشكل دائرة ضوئية من الومضات على الشاشة. ولكن بمجرد وضع حاجز من رقائق الذهب أمام شعاعهم، تغيرت الصورة بشكل كبير. ولم تظهر الومضات خارج هذه الدائرة فحسب، بل ظهرت أيضًا على الجانب الآخر من الرقاقة. أظهرت تجربة رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا أن معظم الجسيمات مرت عبر الرقاقة دون تغيرات ملحوظة في مسارها.
في هذه الحالة، انحرفت بعض الجزيئات بزاوية كبيرة إلى حد ما وتم إرجاعها إلى الخلف. لكل 10000 جسيم يمر بحرية عبر طبقة من رقائق الذهب، تم انحراف جسيم واحد فقط بزاوية تتجاوز 10 درجات - وكاستثناء، تم انحراف أحد الجسيمات بهذه الزاوية.
سبب انحراف جسيمات ألفا
إن ما فحصته وأثبتته تجربة رذرفورد بالتفصيل هو بنية الذرة. وهذا الوضع يدل على أن الذرة ليست في تكوين مستمر. مرت معظم الجسيمات بحرية عبر الرقاقة التي يبلغ سمكها ذرة واحدة. وبما أن كتلة جسيم ألفا أكبر بحوالي 8000 مرة من كتلة الإلكترون، فإن هذا الأخير لا يمكن أن يؤثر بشكل كبير على مسار جسيم ألفا. ولا يمكن القيام بذلك إلا عن طريق النواة الذرية - وهي جسم صغير الحجم، يمتلك تقريبًا كل الكتلة وكل الشحنة الكهربائية للذرة. في ذلك الوقت، أصبح هذا طفرة كبيرة للفيزيائي الإنجليزي. وتعتبر تجربة رذرفورد من أهم الخطوات في تطور علم التركيب الداخلي للذرة.
اكتشافات أخرى تمت أثناء دراسة الذرة
قدمت هذه الدراسات دليلا مباشرا على أن الشحنة الموجبة للذرة تقع داخل نواتها. وتشغل هذه المساحة مساحة صغيرة جدًا مقارنة بأبعادها الإجمالية. في مثل هذا الحجم الصغير، تبين أن تشتت جسيمات ألفا أمر غير مرجح للغاية. وشهدت تلك الجسيمات التي مرت بالقرب من منطقة النواة الذرية انحرافات حادة عن المسار، لأن قوى التنافر بين جسيم ألفا ونواة الذرة كانت قوية للغاية. أثبتت تجربة رذرفورد لتشتت جسيمات ألفا احتمالية اصطدام جسيمات ألفا مباشرة بالنواة. صحيح أن الاحتمال كان صغيرًا جدًا، لكنه ليس صفرًا.
ولم تكن هذه هي الحقيقة الوحيدة التي أثبتتها تجربة رذرفورد. تمت دراسة بنية الذرة لفترة وجيزة من قبل زملائه، الذين قاموا بعدد من الاكتشافات المهمة الأخرى. باستثناء التعليم بأن جسيمات ألفا هي نواة هيليوم سريعة الحركة.
تمكن العالم من وصف بنية الذرة التي تشغل فيها النواة جزءًا صغيرًا من الحجم الإجمالي. أثبتت تجاربه أن شحنة الذرة بأكملها تقريبًا تتركز داخل نواتها. وفي هذه الحالة تحدث حالتا انحراف جسيمات ألفا وحالات اصطدامها بالنواة.
تجارب رذرفورد: النموذج النووي للذرة
في عام 1911، اقترح رذرفورد، بعد دراسات عديدة، نموذجًا لبنية الذرة، والذي أطلق عليه اسم الكواكب. ووفقا لهذا النموذج، يوجد داخل الذرة نواة تحتوي تقريبا على كامل كتلة الجسيم. تتحرك الإلكترونات حول النواة بطريقة مشابهة لكيفية تحرك الكواكب حول الشمس. ومن مزيجهما يتم تشكيل ما يسمى بالسحابة الإلكترونية. الذرة لها شحنة متعادلة، كما أظهرت تجربة رذرفورد.
أصبح تركيب الذرة فيما بعد موضع اهتمام عالم يدعى نيلز بور. وكان هو الذي أنهى تعاليم رذرفورد، لأنه قبل بور، بدأ النموذج الكوكبي للذرة يواجه صعوبات في التفسير. وبما أن الإلكترون يتحرك حول النواة في مدار معين بتسارع، فلا بد أن يسقط عاجلاً أم آجلاً على نواة الذرة. ومع ذلك، تمكن نيلز بور من إثبات أن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية لم تعد قابلة للتطبيق داخل الذرة.