experimentul lui rutherFord. modelul planetar al atomului După descoperirea electronului ca particulă de masă mult mai mică decât cea a atomului, fizicianul J.J. Thomson a admis că electronii intră în componenţa atomului și a propus un model al acestuia
(a. 1903). Electronul are sarcină electrică negativă, iar atomul este neutru. De aceea a considerat că atomul este o sferă având distribuită uniform în interiorul ei masa atomului, precum și sarcina electrică pozi tivă. În interiorul sferei se mai află un număr de electroni, consideraţi punctiformi, astfel încât atomul este neutru. Acest model, numit modelul lui Thomson, este cunoscut în istoria fizicii și sub numele de puding (sau chiflă) cu stafide. Încercările de a explica spec trele de linii pornind de la modelul lui Thomson nu s-au încununat de succes. Având în vedere cele menţionate, Rutherford a decis să verifice distribuţia sarcinilor electrice în atom pentru a confirma sau infirma modelul lui Thomson. În acest scop și-a propus să bombardeze foiţe subţiri de metal cu particule α emise de substanţe radioactive (radioactivitatea este explicată în capitolul 7). Aici vom indica doar parametrii ce caracterizează aceste particule: masa lor este de circa 7 300 de ori mai mare decât cea a electronului
(mα ≈ 7 300 me), iar sarcina electrică a lor este pozitivă și egală cu două sarcini electrice elementare
(qα = +2e). În expe rienţă au fost folosite particule α cu energii cine tice mari, deci cu viteze mari. Schema instalaţiei lui Rutherford este prezentată în figura 6.2. O sursă radioactivă (1) se află în interiorul unei incinte de plumb (2) având un canal îngust (3). Prin acesta iese un fascicul fin de particule α. Fasciculul cade pe o foiţă de aur (4), foarte subţire (circa 0,4 µm). Particulele împrăștiate de foiţă cad pe un ecran transparent (5), acoperit cu un strat de sulfură de zinc. În locul căderii particulei α pe sulfura de zinc se observă o scintilaţie – scânteiere de scurtă durată. Scintilaţia este observată prin microscop (6). Instalaţia permite semnalarea scintilaţiilor produse de parti cu lele care după interacţiunea cu foiţa de aur se mișcă în direcţii ce formează diferite unghiuri de împrăștiere θ cu direcţia vitezei particu lelor incidente pe foiţă.
În experiment a fost determinat numărul de parti cule α, ce au penetrat foiţa de aur, în funcţie de unghiul de împrăștiere θ. În urma observărilor minu ţioase s-au constatat următoarele: • majoritatea particulelor α ies din foiţa de aur în direcţii ce formează unghiuri destul de mici cu direcţia iniţială; • există însă şi particule pentru care unghiul de împrăștiere θ este mai mare de 90o, la unele din ele apropiindu-se de 180o. Numărul acestora este destul de mic faţă de numărul particulelor incidente pe foiţa de aur. Devierea considerabilă poate avea loc numai în urma unei interacţiuni cu o particulă de masă mult mai mare decât cea a particulei incidente, care este încărcată cu sarcină electrică pozitivă și ocupă un volum mult mai mic decât cel al atomului. De aceea Rutherford a pre su pus că masa și sarcina electrică pozitivă a atomului sunt concentrate într-o regiune foarte mică din centrul atomului, în nucleu. Raza nucleului a fost estimată ca distanţa minimă de la centrul atomului, la care se oprește particula α ce se mișcă direct spre nucleu fiind frânată de forţa de respingere din partea sarcinii electrice pozitive a nucle ului. Cunoscând energia cinetică a particulei α la distanţe mari de nucleu, Rutherford a stabilit că diametrul nucleului este de ordinul 10–15 m, adică este de câteva zeci de mii de ori mai mic decât diametrul atomului (ultimul este de circa
10–10 m). Astfel, nucleul ocupă o părticică infimă din volumul atomului. În jurul nucleului se află electronii încăr caţi cu sarcină electrică negativă. Numărul electro nilor este egal cu numărul de sarcini elementare pozi tive ale nucleului și astfel este asigurată neutra litatea atomului.
Fig. 6.2
94
Evident, electronii atomului nu se pot afla în repaus, deoarece sub acţiunea forţei de atracţie din partea nucleului ei ar cădea pe acesta. Electronii se rotesc în jurul nucleului, acceleraţia centripetă fiindu-le imprimată de forţa de atracţie electrică spre nucleu. Situaţia este analogică celei din Sistemul Solar – acce leraţia centripetă este imprimată pla netelor de forţa de atracţie gravitaţională ce acţio nează asupra lor din partea Soarelui. Datorită acestei analogii dintre mișcarea electronilor în jurul nucleu lui și cea a planetelor în jurul Soarelui, modelul respectiv al atomului a fost numit model planetar sau nuclear. El este cunoscut și ca modelul lui Rutherford. Să analizăm în baza acestui model împrăștierea particulelor α. Notăm cu b – parametrul de ciocnire – distanţa minimă la care ar trece particula α pe lângă nucleu dacă ea s-ar mișca rectiliniu (fig. 6.3, a). Majoritatea particulelor α se deplasează pe lângă nuclee la distanţe mult mai mari decât diametrul lor. Acţiunea forţelor electrice asupra acestor particule este nesemnificativă; ele, practic, nu deviază de la mișcarea rectilinie. Devierile de la mișcarea rectilinie sunt considerabile pentru un număr mic de parti cule care trec prin vecinătatea nemijlocită a nucleului (fig. 6.3, b). În baza modelului nuclear nu s-a reușit calcularea lungimilor de undă ce corespund liniilor observate în spectru. Problema explicării spectrelor de linii rămânea nesoluționată. Esenţială era însă o altă problemă. Existenţa mode lului planetar al atomului se afla în contradicţie cu legi tăţile fizicii clasice. În cadrul teoriei câmpului electro magnetic, elaborată de Maxwell,
se demon strează că particula încărcată electric, mișcându-se accelerat, emite unde electromagnetice, respectiv, și energie. Mișcarea electronului în jurul nucleului nu este rectilinie uniformă, deci el posedă acceleraţie. În consecinţă, electronul emite unde electromagnetice, pierde treptat din energia sa, se apropie tot mai mult de nucleu și, în final, cade pe el. Calculele au arătat că electronul, care se rotea în jurul nucleului, trebuia să cadă pe acesta în doar circa 10–8 s. În realitate însă atomii rămân stabili.
A pus bazele teoriei moderne a radioactivităţii, a fondat fizica nucleului atomic. În anul 1899 a scos în evidenţă două componente ale emisiei radioactive – particulele α şi β. A descoperit radioactivitatea toriului şi faptul că în rezultatul dezintegrării acestuia apare un element chimic nou, cu numărul de ordine 86 – radonul. În anul 1903, împreună cu Frederick Soddy (1877–1956), a pus ba zele teoriei transformărilor radioactive ale elementelor şi a stabilit legea dezintegrării radioactive. A stabilit că parti culele α posedă sarcină electrică pozitivă, iar apoi (a. 1909) că acestea sunt atomi de heliu dublu ionizaţi. În anul 1906 Rutherford a început cercetarea sistematică a îm prăştierii particulelor α la traversarea peliculelor subţiri din metale diferite. Ca rezultat, a descoperit nucleul atomic (a. 1911). Descoperind protonul (a. 1919), a demonstrat existenţa protonilor în componenţa nucleului. Rutherford a rea li zat prima reacţie nucleară artificială (a. 1919), transformând azotul în oxigen. A prezis existenţa neutronului (a. 1920), descoperit în anul 1932. În anul 1908, pentru cercetările asupra transformării elemen telor în domeniul chimiei substanţelor radioactive, i sa conferit Premiul Nobel.
ernest rutHerFord (1871–1937) fizician englez
Fig. 6.3
a)
b)
95
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Pot oare electronii să modifice traiectoriile rectilinii ale particulelor α? Argumentaţi răspunsul. 2. Ce prezintă modelul atomului propus în baza studierii împrăştierii particulelor α la interacţiunea cu foiţe metalice?
3. Care probleme nau putut fi rezolvate în baza modelului planet
(a. 1903). Electronul are sarcină electrică negativă, iar atomul este neutru. De aceea a considerat că atomul este o sferă având distribuită uniform în interiorul ei masa atomului, precum și sarcina electrică pozi tivă. În interiorul sferei se mai află un număr de electroni, consideraţi punctiformi, astfel încât atomul este neutru. Acest model, numit modelul lui Thomson, este cunoscut în istoria fizicii și sub numele de puding (sau chiflă) cu stafide. Încercările de a explica spec trele de linii pornind de la modelul lui Thomson nu s-au încununat de succes. Având în vedere cele menţionate, Rutherford a decis să verifice distribuţia sarcinilor electrice în atom pentru a confirma sau infirma modelul lui Thomson. În acest scop și-a propus să bombardeze foiţe subţiri de metal cu particule α emise de substanţe radioactive (radioactivitatea este explicată în capitolul 7). Aici vom indica doar parametrii ce caracterizează aceste particule: masa lor este de circa 7 300 de ori mai mare decât cea a electronului
(mα ≈ 7 300 me), iar sarcina electrică a lor este pozitivă și egală cu două sarcini electrice elementare
(qα = +2e). În expe rienţă au fost folosite particule α cu energii cine tice mari, deci cu viteze mari. Schema instalaţiei lui Rutherford este prezentată în figura 6.2. O sursă radioactivă (1) se află în interiorul unei incinte de plumb (2) având un canal îngust (3). Prin acesta iese un fascicul fin de particule α. Fasciculul cade pe o foiţă de aur (4), foarte subţire (circa 0,4 µm). Particulele împrăștiate de foiţă cad pe un ecran transparent (5), acoperit cu un strat de sulfură de zinc. În locul căderii particulei α pe sulfura de zinc se observă o scintilaţie – scânteiere de scurtă durată. Scintilaţia este observată prin microscop (6). Instalaţia permite semnalarea scintilaţiilor produse de parti cu lele care după interacţiunea cu foiţa de aur se mișcă în direcţii ce formează diferite unghiuri de împrăștiere θ cu direcţia vitezei particu lelor incidente pe foiţă.
În experiment a fost determinat numărul de parti cule α, ce au penetrat foiţa de aur, în funcţie de unghiul de împrăștiere θ. În urma observărilor minu ţioase s-au constatat următoarele: • majoritatea particulelor α ies din foiţa de aur în direcţii ce formează unghiuri destul de mici cu direcţia iniţială; • există însă şi particule pentru care unghiul de împrăștiere θ este mai mare de 90o, la unele din ele apropiindu-se de 180o. Numărul acestora este destul de mic faţă de numărul particulelor incidente pe foiţa de aur. Devierea considerabilă poate avea loc numai în urma unei interacţiuni cu o particulă de masă mult mai mare decât cea a particulei incidente, care este încărcată cu sarcină electrică pozitivă și ocupă un volum mult mai mic decât cel al atomului. De aceea Rutherford a pre su pus că masa și sarcina electrică pozitivă a atomului sunt concentrate într-o regiune foarte mică din centrul atomului, în nucleu. Raza nucleului a fost estimată ca distanţa minimă de la centrul atomului, la care se oprește particula α ce se mișcă direct spre nucleu fiind frânată de forţa de respingere din partea sarcinii electrice pozitive a nucle ului. Cunoscând energia cinetică a particulei α la distanţe mari de nucleu, Rutherford a stabilit că diametrul nucleului este de ordinul 10–15 m, adică este de câteva zeci de mii de ori mai mic decât diametrul atomului (ultimul este de circa
10–10 m). Astfel, nucleul ocupă o părticică infimă din volumul atomului. În jurul nucleului se află electronii încăr caţi cu sarcină electrică negativă. Numărul electro nilor este egal cu numărul de sarcini elementare pozi tive ale nucleului și astfel este asigurată neutra litatea atomului.
Fig. 6.2
94
Evident, electronii atomului nu se pot afla în repaus, deoarece sub acţiunea forţei de atracţie din partea nucleului ei ar cădea pe acesta. Electronii se rotesc în jurul nucleului, acceleraţia centripetă fiindu-le imprimată de forţa de atracţie electrică spre nucleu. Situaţia este analogică celei din Sistemul Solar – acce leraţia centripetă este imprimată pla netelor de forţa de atracţie gravitaţională ce acţio nează asupra lor din partea Soarelui. Datorită acestei analogii dintre mișcarea electronilor în jurul nucleu lui și cea a planetelor în jurul Soarelui, modelul respectiv al atomului a fost numit model planetar sau nuclear. El este cunoscut și ca modelul lui Rutherford. Să analizăm în baza acestui model împrăștierea particulelor α. Notăm cu b – parametrul de ciocnire – distanţa minimă la care ar trece particula α pe lângă nucleu dacă ea s-ar mișca rectiliniu (fig. 6.3, a). Majoritatea particulelor α se deplasează pe lângă nuclee la distanţe mult mai mari decât diametrul lor. Acţiunea forţelor electrice asupra acestor particule este nesemnificativă; ele, practic, nu deviază de la mișcarea rectilinie. Devierile de la mișcarea rectilinie sunt considerabile pentru un număr mic de parti cule care trec prin vecinătatea nemijlocită a nucleului (fig. 6.3, b). În baza modelului nuclear nu s-a reușit calcularea lungimilor de undă ce corespund liniilor observate în spectru. Problema explicării spectrelor de linii rămânea nesoluționată. Esenţială era însă o altă problemă. Existenţa mode lului planetar al atomului se afla în contradicţie cu legi tăţile fizicii clasice. În cadrul teoriei câmpului electro magnetic, elaborată de Maxwell,
se demon strează că particula încărcată electric, mișcându-se accelerat, emite unde electromagnetice, respectiv, și energie. Mișcarea electronului în jurul nucleului nu este rectilinie uniformă, deci el posedă acceleraţie. În consecinţă, electronul emite unde electromagnetice, pierde treptat din energia sa, se apropie tot mai mult de nucleu și, în final, cade pe el. Calculele au arătat că electronul, care se rotea în jurul nucleului, trebuia să cadă pe acesta în doar circa 10–8 s. În realitate însă atomii rămân stabili.
A pus bazele teoriei moderne a radioactivităţii, a fondat fizica nucleului atomic. În anul 1899 a scos în evidenţă două componente ale emisiei radioactive – particulele α şi β. A descoperit radioactivitatea toriului şi faptul că în rezultatul dezintegrării acestuia apare un element chimic nou, cu numărul de ordine 86 – radonul. În anul 1903, împreună cu Frederick Soddy (1877–1956), a pus ba zele teoriei transformărilor radioactive ale elementelor şi a stabilit legea dezintegrării radioactive. A stabilit că parti culele α posedă sarcină electrică pozitivă, iar apoi (a. 1909) că acestea sunt atomi de heliu dublu ionizaţi. În anul 1906 Rutherford a început cercetarea sistematică a îm prăştierii particulelor α la traversarea peliculelor subţiri din metale diferite. Ca rezultat, a descoperit nucleul atomic (a. 1911). Descoperind protonul (a. 1919), a demonstrat existenţa protonilor în componenţa nucleului. Rutherford a rea li zat prima reacţie nucleară artificială (a. 1919), transformând azotul în oxigen. A prezis existenţa neutronului (a. 1920), descoperit în anul 1932. În anul 1908, pentru cercetările asupra transformării elemen telor în domeniul chimiei substanţelor radioactive, i sa conferit Premiul Nobel.
ernest rutHerFord (1871–1937) fizician englez
Fig. 6.3
a)
b)
95
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Pot oare electronii să modifice traiectoriile rectilinii ale particulelor α? Argumentaţi răspunsul. 2. Ce prezintă modelul atomului propus în baza studierii împrăştierii particulelor α la interacţiunea cu foiţe metalice?
3. Care probleme nau putut fi rezolvate în baza modelului planet
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu