BackgroundEdit

Ernest Rutherford era Langworthy Professore di Fisica presso la Victoria University di Manchester (ora Università di Manchester). Aveva già ricevuto numerose onorificenze per i suoi studi sulle radiazioni. Aveva scoperto l’esistenza di raggi alfa, raggi beta e raggi gamma, e aveva dimostrato che questi erano la conseguenza della disintegrazione degli atomi. Nel 1906, ricevette la visita di un fisico tedesco di nome Hans Geiger, e fu così impressionato che chiese a Geiger di rimanere e aiutarlo con le sue ricerche., Ernest Marsden era uno studente universitario di fisica che studiava sotto Geiger.

Le particelle alfa sono minuscole particelle caricate positivamente che vengono emesse spontaneamente da alcune sostanze come l’uranio e il radio. Rutherford li aveva scoperti nel 1899. Nel 1908, stava cercando di misurare con precisione il loro rapporto carica-massa. Per fare questo, prima aveva bisogno di sapere quante particelle alfa il suo campione di radio stava emettendo (dopo di che avrebbe misurato la loro carica totale e diviso l’una per l’altra)., Le particelle alfa sono troppo piccole per essere viste al microscopio, ma Rutherford sapeva che le particelle alfa ionizzano le molecole d’aria, e se l’aria si trova all’interno di un campo elettrico, gli ioni produrranno una corrente elettrica. Su questo principio, Rutherford e Geiger progettato un semplice dispositivo di conteggio che consisteva di due elettrodi in un tubo di vetro. Ogni particella alfa che passava attraverso il tubo creerebbe un impulso di elettricità che potrebbe essere contato. Era una prima versione del contatore Geiger.,

Il contatore che Geiger e Rutherford costruirono si dimostrò inaffidabile perché le particelle alfa erano troppo fortemente deviate dalle loro collisioni con le molecole d’aria all’interno della camera di rilevamento. Le traiettorie altamente variabili delle particelle alfa hanno fatto sì che non generassero tutte lo stesso numero di ioni che passavano attraverso il gas, producendo così letture erratiche. Questo perplesso Rutherford perché aveva pensato che le particelle alfa erano semplicemente troppo pesanti per essere deviato così fortemente. Rutherford chiese a Geiger di indagare su quanta materia potesse disperdere i raggi alfa.,

Gli esperimenti che hanno progettato hanno coinvolto il bombardamento di una lamina metallica con particelle alfa per osservare come la lamina le ha disperse in relazione al loro spessore e materiale. Hanno usato uno schermo fluorescente per misurare le traiettorie delle particelle. Ogni impatto di una particella alfa sullo schermo ha prodotto un piccolo lampo di luce. Geiger ha lavorato in un laboratorio oscurato per ore e ore, contando queste minuscole scintillazioni usando un microscopio. Rutherford mancava la resistenza per questo lavoro (era alla fine degli anni ‘ 30), motivo per cui lo lasciò ai suoi colleghi più giovani., Per la lamina metallica, hanno testato una varietà di metalli, ma hanno preferito l’oro perché potevano rendere la lamina molto sottile, poiché l’oro è molto malleabile. Come fonte di particelle alfa, la sostanza scelta da Rutherford era il radon, una sostanza parecchie milioni di volte più radioattiva dell’uranio.

L’esperimento del 1908edit

Un articolo del 1908 di Geiger, Sulla dispersione delle particelle α per materia, descrive il seguente esperimento. Costruì un lungo tubo di vetro, lungo quasi due metri. Ad un’estremità del tubo c’era una quantità di “emanazione del radio” (R) che fungeva da fonte di particelle alfa. L’estremità opposta del tubo era coperta da uno schermo fosforescente (Z). Nel mezzo del tubo c’era una fessura larga 0,9 mm. Le particelle alfa di R passarono attraverso la fessura e crearono una chiazza luminosa di luce sullo schermo., Un microscopio (M) è stato utilizzato per contare le scintillazioni sullo schermo e misurare la loro diffusione. Geiger pompò tutta l’aria fuori dal tubo in modo che le particelle alfa non fossero ostruite e lasciarono un’immagine pulita e stretta sullo schermo che corrispondeva alla forma della fessura. Geiger poi ha permesso un po ‘ d’aria nel tubo, e la patch incandescente è diventato più diffusa. Geiger poi pompato fuori l “aria e posto un po” di lamina d ” oro sopra la fessura a AA. Anche questo ha causato la zona di luce sullo schermo per diventare più sparsi., Questo esperimento ha dimostrato che sia l’aria che la materia solida potrebbero marcatamente disperdere particelle alfa. L’apparecchio, tuttavia, poteva osservare solo piccoli angoli di deflessione. Rutherford voleva sapere se le particelle alfa venivano disperse da angoli ancora più grandi, forse più grandi di 90°.,

Il 1909 experimentEdit

In un articolo del 1909, Su una riflessione diffusa delle particelle α, Geiger e Marsden descrissero l’esperimento con cui dimostrarono che le particelle alfa possono effettivamente essere disperse di oltre 90°., Nel loro esperimento, hanno preparato un piccolo tubo di vetro conico (AB) contenente “emanazione del radio” (radon), “radio A” (radio reale) e “radio C” (bismuto-214); la sua estremità aperta sigillata con mica. Questo era il loro emettitore di particelle alfa. Hanno quindi istituito una piastra di piombo (P), dietro il quale hanno posto uno schermo fluorescente (S). Il tubo era tenuto sul lato opposto della piastra, in modo tale che le particelle alfa emesse non potessero colpire direttamente lo schermo. Hanno notato alcune scintillazioni sullo schermo, perché alcune particelle alfa hanno aggirato il piatto rimbalzando sulle molecole d’aria., Hanno quindi posizionato una lamina metallica (R) sul lato della piastra di piombo. Puntarono il tubo verso la lamina per vedere se le particelle alfa rimbalzassero su di esso e colpissero lo schermo dall’altra parte della piastra, e osservarono un aumento del numero di scintillazioni sullo schermo. Contando le scintillazioni, hanno osservato che i metalli con massa atomica più alta, come l’oro, riflettevano più particelle alfa di quelle più leggere come l’alluminio.

Geiger e Marsden volevano quindi stimare il numero totale di particelle alfa che venivano riflesse., La configurazione precedente non era adatta per farlo perché il tubo conteneva diverse sostanze radioattive (radio più i suoi prodotti di decadimento) e quindi le particelle alfa emesse avevano intervalli variabili, e perché era difficile per loro accertare a quale velocità il tubo emetteva particelle alfa. Questa volta, hanno posizionato una piccola quantità di radio C (bismuto-214) sulla piastra di piombo, che rimbalzava da un riflettore di platino (R) e sullo schermo. Hanno scoperto che solo una piccola frazione delle particelle alfa che colpivano il riflettore rimbalzava sullo schermo (in questo caso, 1 su 8.000).,

L’esperimento del 1910edit

Un articolo di Geiger del 1910, The Scattering of the α-Particles by Matter, descrive un esperimento con il quale cercò di misurare come l’angolo più probabile attraverso il quale una particella a viene deviata varia con il materiale che attraversa, lo spessore di detto materiale e la velocità delle particelle alfa. Ha costruito un tubo di vetro ermetico da cui l’aria è stata pompata fuori. Ad un’estremità c’era un bulbo (B) contenente “emanazione del radio” (radon-222). Per mezzo di mercurio, il radon in B è stato pompato sul tubo di vetro stretto la cui estremità in A è stata tappata con mica., All’altra estremità del tubo c’era uno schermo di solfuro di zinco fluorescente. Il microscopio che usava per contare le scintillazioni sullo schermo era apposto su una scala millimetrica verticale con un nonio, che permetteva a Geiger di misurare con precisione dove apparivano i lampi di luce sullo schermo e quindi calcolare gli angoli di deflessione delle particelle. Le particelle alfa emesse da A sono state ridotte a un raggio da un piccolo foro circolare a D. Geiger ha posizionato una lamina metallica nel percorso dei raggi a D ed E per osservare come la zona dei lampi è cambiata., Poteva anche variare la velocità delle particelle alfa posizionando fogli extra di mica o alluminio ad A.,e le particelle alfa

Rutherford matematicamente modelli di dispersione patternEdit

Considerando i risultati di esperimenti citati, Rutherford ha pubblicato un punto di riferimento della carta nel 1911 dal titolo “La Dispersione di α e β Particelle con la Materia e la Struttura dell’Atomo”, in cui ha proposto che l’atomo contiene al centro un volume di carica elettrica che è molto piccolo e intenso (infatti, Rutherford considera come un punto di carica nei suoi calcoli)., Ai fini dei suoi calcoli matematici ha assunto questa carica centrale è stato positivo, ma ha ammesso che non poteva dimostrare questo e che ha dovuto aspettare per altri esperimenti per sviluppare la sua teoria.

Rutherford sviluppò un’equazione matematica che modellava come la lamina dovrebbe disperdere le particelle alfa se tutta la carica positiva e la maggior parte della massa atomica fosse concentrata in un singolo punto al centro di un atomo.,r di atomi in una unità di volume del materiale t = spessore della lamina Qn = carica positiva del nucleo atomico Qa = carica positiva delle particelle alfa m = massa di una particella alfa v = velocità della particella alfa

Dalla dispersione dei dati, Rutherford stimato carica centrale Qn essere di circa +100 unità (vedi modello di Rutherford)

Il 1913 experimentEdit

In una 1913 carta, Le Leggi di Deflessione delle Particelle alfa di Grandi Angoli, Geiger e Marsden descrivere una serie di esperimenti che hanno cercato di verificare sperimentalmente l’equazione di cui sopra che Rutherford sviluppato., Rutherford equazione previsto che il numero di scintillations al minuto s che sarà osservato in un determinato angolo Φ dovrebbe essere proporzionale a:

1. csc4(Φ/2)
2. spessore della lamina t
3. grandezza del quadrato della carica centrale Qn
4. 1/(mv2)2

la Loro 1913 carta descrive i quattro esperimenti che hanno dimostrato di ciascuna di queste quattro relazioni.

Per testare come la dispersione variava con l’angolo di deflessione (cioè se s c csc4(Φ / 2)) Geiger e Marsden costruirono un apparecchio che consisteva in un cilindro metallico cavo montato su un giradischi., All’interno del cilindro c’era una lamina metallica (F) e una sorgente di radiazione contenente radon (R), montata su una colonna staccata (T) che permetteva al cilindro di ruotare indipendentemente. La colonna era anche un tubo attraverso il quale l’aria veniva pompata fuori dal cilindro. Un microscopio (M) con la sua lente obiettivo coperto da uno schermo fluorescente solfuro di zinco (S) penetrato la parete del cilindro e puntato verso la lamina metallica. Ruotando il tavolo, il microscopio potrebbe essere spostato un cerchio completo attorno al foglio, consentendo a Geiger di osservare e contare le particelle alfa deviate fino a 150°., Correggendo l’errore sperimentale, Geiger e Marsden hanno scoperto che il numero di particelle alfa che sono deviate da un dato angolo Φ è effettivamente proporzionale a csc4(Φ/2).

Geiger e Marsden hanno poi testato come la dispersione variava con lo spessore della lamina (cioè se s t t). Hanno costruito un disco (S) con sei fori praticati in esso. I fori sono stati coperti con lamina metallica (F) di spessore variabile, o nessuno per il controllo. Questo disco è stato poi sigillato in un anello di ottone (A) tra due lastre di vetro (B e C). Il disco può essere ruotato per mezzo di un’asta (P) per portare ogni finestra davanti alla sorgente di particelle alfa (R). Sul vetro posteriore c’era uno schermo di solfuro di zinco (Z)., Geiger e Marsden hanno scoperto che il numero di scintillazioni che apparivano sullo schermo di solfuro di zinco era effettivamente proporzionale allo spessore finché detto spessore era piccolo.

Geiger e Marsden riutilizzarono l’apparato di cui sopra per misurare come il modello di scattering variava con il quadrato della carica nucleare (cioè se s Q Qn2)., Geiger e Marsden non sapevano quale fosse la carica positiva del nucleo dei loro metalli (avevano appena scoperto che il nucleo esisteva), ma presumevano che fosse proporzionale al peso atomico, quindi verificarono se la dispersione fosse proporzionale al peso atomico al quadrato. Geiger e Marsden coprirono i fori del disco con fogli di oro, stagno, argento, rame e alluminio. Hanno misurato la potenza di arresto di ciascuna lamina equiparandola a uno spessore equivalente di aria. Hanno contato il numero di scintillazioni al minuto che ogni foglio ha prodotto sullo schermo., Hanno diviso il numero di scintillazioni al minuto per l’equivalente dell’aria del rispettivo foglio, quindi diviso di nuovo per la radice quadrata del peso atomico (Geiger e Marsden sapevano che per fogli di uguale potenza di arresto, il numero di atomi per unità di area è proporzionale alla radice quadrata del peso atomico). Pertanto, per ogni metallo, Geiger e Marsden hanno ottenuto il numero di scintillazioni prodotte da un numero fisso di atomi. Per ogni metallo, hanno poi diviso questo numero per il quadrato del peso atomico e hanno scoperto che i rapporti erano più o meno gli stessi. Così hanno dimostrato che s Q Qn2.,

Infine, Geiger e Marsden hanno testato come la dispersione variava con la velocità delle particelle alfa (cioè se s s 1 / v4). Usando di nuovo lo stesso apparecchio, hanno rallentato le particelle alfa posizionando fogli extra di mica davanti alla sorgente di particelle alfa. Hanno scoperto che, all’interno dell’intervallo di errore sperimentale, il numero di scinitillazioni era effettivamente proporzionale a 1/v4.,

Rutherford determina che il nucleo è caricato positivamentemodifica

Nel suo articolo del 1911 (vedi sopra), Rutherford presumeva che la carica centrale dell’atomo fosse positiva, ma una carica negativa avrebbe adattato altrettanto bene il suo modello di scattering. In un articolo del 1913, Rutherford dichiarò che il “nucleo” (come ora lo chiamava) era effettivamente caricato positivamente, basato sul risultato di esperimenti che esploravano la dispersione di particelle alfa in vari gas.,

Nel 1917, Rutherford e il suo assistente William Kay iniziarono ad esplorare il passaggio di particelle alfa attraverso gas come idrogeno e azoto. In un esperimento in cui hanno sparato un fascio di particelle alfa attraverso l’idrogeno, le particelle alfa hanno bussato i nuclei di idrogeno in avanti nella direzione del fascio, non all’indietro. In un esperimento in cui hanno sparato particelle alfa attraverso l’azoto, ha scoperto che le particelle alfa hanno eliminato i nuclei di idrogeno (cioè i protoni) dai nuclei di azoto.