Atoma modelo de Rutherford

La atoma modelo de Rutherford^[1] estas modelo de la interna strukturo de atomo proponita de la brit-nov-zelanda apotekisto kaj fizikisto Ernest Rutherford^[2] en 1911, por klarigi la rezultojn de sia "eksperimento pri orfolio". Rutherford konkludis, ke la maso de atomo estis koncentrita en malgranda regiono de pozitivaj ŝargoj kiuj malhelpis la trairejon de pozitivaj alfa-partikloj. Li poste proponis novan modelon, kiu havis nukleon aŭ centron kie la atommodelo de Thomson ne povis klarigi kiel la ŝargo sur la elektronoj povas esti konservita ene de la atomo. Li ankaŭ ne povis klarigi la stabilecon de atomo. Lia teorio menciis nenion pri la kerno de la atomo ; la maso kaj pozitiva ŝargo estas koncentritaj en ĝi, kaj la negative ŝargitaj elektronoj troviĝas en la eksternuklea zono.

Atoma modelo de Rutherford.

Animacio 3D de unu atomo laŭ modelo de Ernest Rutherford.

Historio

Antaŭ ol Rutherford proponis sian atoman modelon, fizikistoj akceptis ke la elektraj ŝargoj en la atomo havas pli-malpli unuforman distribuon. Rutherford provis vidi kiel alfa-partikloj estis disigitaj de la atomoj de tre maldika orfolio. La anguloj rezultiĝantaj el la devio de la partikloj supozeble disponigus informojn pri la ŝargdistribuo en la atomoj. Estis atendite, ke se la ŝargoj estus unuforme distribuitaj laŭ la Thomson-atommodelo, la plej multaj el la partikloj trairus la maldikan filmon kun nur etaj devioj, sekvante proksimume rektan vojon. Kvankam tio estis vera por la plej multaj alfa-partikloj, signifa nombro da ili suferspertis deviojn de proksimume 180°, tio estas, ili preskaŭ resaltis en la kontraŭa direkto pri tiaj kazoj. Rutherford opiniis, ke la nesufiĉa frakcio de partikloj resaltantaj en la kontraŭa direkto povus esti klarigita supozante la ekziston de fortaj koncentriĝoj de pozitiva ŝargo en la atomo^[3]. Neŭtona mekaniko lige kun Leĝo de Coulomb antaŭdiras, ke la angulo de deklino de relative malpeza alfa partiklo de pli peza ora atomo dependas de la "efikparametro" aŭ distanco inter la trajektorio de la partiklo kaj la nukleo:

${\displaystyle \chi =2\pi -2\cos ^{-1}\left({\frac {2K/(E_{0}b)}{\sqrt {1+2K/(E_{0}b)^{2}}}}\right)}$,

kie

${\displaystyle K=(q_{N}/4\pi \varepsilon _{0})\,}$, kun ${\displaystyle \varepsilon _{0}}$ la permitiveco de vakuo kaj ${\displaystyle q_{N}\,}$, la elektra ŝargo de la disvastigcentro ;

${\displaystyle E_{0}\,}$, estas la origina kineta energio de la incida alfa-partiklo ;

${\displaystyle b\,}$, estas la parametro de la kolizioefiko.

Ĉar Rutherford observis konsiderindan frakcion de "resaltitaj" partikloj por kiuj la devioangulo estas proksime χ ≈ π, la inversa rilato al :

${\displaystyle b={\frac {2K}{E_{0}}}\cot {\frac {\chi }{2}}}$ , sekvas ke la efikparametro devas esti konsiderinde pli malgranda ol la atomradiuso. Fakte, la efikparametro necesa por akiri konsiderindan frakcion de "resaltitaj" partikloj estis uzata por taksi la grandecon de la atomkerno, kiu montriĝas ĉirkaŭ cent mil fojojn pli malgranda ol la atomdiametro. Ĉi tiu fakto tamen rezultis supozita unuforma pozitiva ŝargo de la neŭtronoj.

La graveco de la modelo kaj limoj

La graveco de la Rutherford-modelo konsistis proponi unuafoje la ekziston de centra kerno en la "atomo" (termino elpensita de Rutherford mem en 1912). Kion Rutherford konsideris esenca por klarigi la eksperimentajn rezultojn estis "koncentriĝo de ŝargo" en la centro de la atomo, ĉar sen ĝi ne povus esti klarigite ke kelkaj partikloj estis resaltitaj en direkto preskaŭ kontraŭa al la incida. Tio estis turnpunkta paŝo en la kompreno de materio, ĉar ĝi implicis la ekziston de atomkerno, kie la tuta pozitiva ŝargo kaj pli ol 99.9% de la maso estis koncentritaj. Studoj de la nukleo rivelis, ke la atomo mem estis plejparte malplena.

Rutherford proponis, ke elektronoj orbitas en tiu malplena spaco ĉirkaŭ eta atomkerno, situanta ĉe la centro de la atomo. Krome, pluraj novaj problemoj ekestis, kiuj kondukus al la eltrovo de novaj faktoj kaj teorioj en provado klarigi ilin:

Unuflanke, ekestis la problemo, kiel aro da pozitivaj ŝargoj povus resti kunigita en tiom malgranda volumeno, fakto kiu poste kondukis al la neprigado kaj malkovro de la forta nuklea forto, kiu estas unu el la kvar fundamentaj interagoj.

Aliflanke, ekzistis alia malfacilaĵo ekestiĝanta de klasika elektrodinamiko, kiu antaŭdiras ke ŝargita kaj akcelita partiklo, kiel ekzemple elektronoj orbitantaj la nukleon, produktus elektromagnetan radiadon, perdante energion kaj finfine falante sur la nukleon. La leĝoj de Neŭtono, kune kun la ekvacioj de elektromagnetismo de Maxwell aplikitaj al la atomo de Rutherford kondukas al la fakto, ke en tempo de la ordo de 10 ^{− 10} sekundo, la tuta energio de la atomo estintus radiata. kun la sekva falo de la elektronoj sur la nukleon.^[4]Temas do pri fizike malstabila modelo, el la vidpunkto de la klasika fiziko.

Laŭ Rutherford, la orbitoj de elektronoj ne estas tre bone difinitaj.