L'expérience Rutherford et ses prototypes

Le Expérience de Rutherford Cela a permis à un groupe de scientifiques de découvrir que chaque atome possède un noyau chargé positivement.

Ernest Rutherford était un physicien et chimiste néo-zélandais. Il s'est concentré sur l'étude des particules radioactives et a mené plusieurs enquêtes qui lui ont permis de remporter le prix Nobel de chimie en 1908.

Sous la direction de Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden, ils ont contribué à la création du modèle atomique dans les laboratoires de l’Université de Manchester.

L'une des premières théories atomiques existantes est celle formulée par Thomson, le découvreur de l'électron. Il croyait que les atomes étaient des sphères à charge positive et que des électrons y étaient distribués.

La théorie de Thomson dit que si une particule alpha entrait en collision avec un atome, cette particule traverserait l'atome. Cela serait affecté par le champ électrique de l'atome selon ce modèle.

A cette époque, les protons et les neutrons n'avaient pas été découverts. Thomson n'a pas pu prouver son existence et son modèle n'a pas été accepté par la communauté scientifique.

Pour démontrer l'existence de la théorie de Thomson, Rutherford, Geiger et Marsdend une expérience dans laquelle ils ont bombardé des particules alpha, constituées de noyaux de gaz d'hélium, contre une feuille de métal.

Si le modèle Thomson fonctionnait, les particules devraient traverser la feuille de métal sans aucune déviation.

Développement de l'expérience Rutherford

Premier prototype

Le premier prototype de conception de l’expérience, réalisé en 1908, a été expliqué par Geiger dans un article intituléÀ propos de la dispersion des particules par la matière.

Ils ont construit un tube de verre de près de deux mètres de long, à une extrémité il y avait une source radio, et à l'autre extrémité un écran phosphorescent a été placé. Au milieu du tube, une sorte d'entonnoir était placé pour que les particules alpha puissent le traverser.

Le processus suivi consistait à faire passer les particules alpha à travers la fente afin de projeter le faisceau de lumière sur l'écran phosphorescent.

En pompant tout l'air du tube, l'image obtenue était claire et correspondait à l'ouverture au milieu du tube. Lorsque la quantité d'air dans le tube a diminué, l'image est devenue plus diffuse.

Par la suite, pour voir quelle trajectoire les particules suivaient si elles frappaient quelque chose ou la traversaient, comme le soutenait la théorie de Thomson, une feuille d'or était insérée dans la fente.

Cela montre que l'air et les solides provoquent une dispersion des particules qui se reflète dans l'écran phosphorescent avec des images plus diffuses.

Le problème avec ce premier prototype est qu'il n'a montré que le résultat de la dispersion, mais pas la trajectoire suivie par les particules alpha.

Deuxième prototype

Geiger et Marsden publient un article en 1909 dans lequel ils expliquent une expérience visant à démontrer le mouvement des particules alpha.

Dans une réflexion diffuse des particules alpha Il est expliqué que l'expérience vise à découvrir que les particules se déplacent à des angles supérieurs à 90 degrés.

Ils ont créé un deuxième prototype pour l'expérience, où un contenant en verre de forme conique a été créé. Ils ont monté une plaque de plomb, de sorte que les particules alpha sont entrées en collision avec elle, et pour voir sa dispersion, une plaque fluorescente a été placée derrière elle.

Le problème avec la configuration de ce dispositif est que les particules ont évité la plaque de plomb, faisant rebondir les molécules d'air.

Ils ont testé en plaçant une feuille de métal et ont vu sur l'écran fluorescent qu'il y avait plus de coups provenant des particules.

Il a été montré que les métaux ayant une masse atomique plus élevée reflétaient plus de particules, mais Geiger et Masden voulaient connaître le nombre exact de particules. Mais l’expérience de la radio et des matières radioactives n’était pas exacte.

Troisième prototype

L'article La dispersion de particules α par matière de 1910 explique la troisième expérience conçue par Geiger. Ici, il était déjà concentré sur la mesure de l'angle de dispersion des particules, en fonction du matériau dans lequel elles entrent en contact.

Cette fois, le tube était étanche et le mercure pompait le radon 222 vers l'écran fluorescent. A l'aide du microscope, les flashs apparus sur l'écran fluorescent ont été comptés.

Les angles suivis par les particules ont été calculés et les conclusions ont été atteintes que les angles de déviation augmentent avec la plus grande masse atomique du matériau, et qu'il est également proportionnel à la masse atomique de la substance.

Cependant, l'angle de déviation le plus probable diminue avec la vitesse et la probabilité qu'il dévie de plus de 90 degrés est négligeable.

Avec les résultats obtenus dans ce prototype, Rutherford a calculé le modèle de dispersion mathématiquement.

À l'aide d'une équation mathématique, on a calculé comment la feuille devait disperser les particules, en supposant que l'atome possède la charge électrique positive en son centre. Bien que ce dernier était seulement considéré comme une hypothèse.

L'équation développée était comme ceci:

Où, s = le nombre de particules alpha qui tombent sur la surface de l'unité avec un angle de déviation Φ

• r = la distance du point d'incidence des rayons alpha sur le matériau de dispersion
• X = le nombre total de particules tombant sur le matériau de dispersion
• n = le nombre d'atomes dans un volume unitaire du matériau
• t = l'épaisseur de la feuille
• Qn = la charge positive du noyau atomique
• Qα = la charge positive des particules alpha
• m = la masse d'une particule alpha
• v = la vitesse de la particule alpha

Prototype final

Avec le modèle des équations de Rutherford, une expérience a été tentée pour démontrer ce qui était postulé, et que les atomes avaient un noyau avec une charge positive.

L'équation conçue prédit que le nombre de scintillations par minute (s) à observer à un angle donné (Φ) doit être proportionnel à:

• csc⁴Φ/2
• Épaisseur de la feuille
• magnitude de la charge centrale Qn
• 1 / (mv²)²

Afin de démontrer ces quatre hypothèses, quatre expériences sont créées, expliquées par l'article Les lois de la déflexion des particules α par grands angles de 1913.

Pour tester l'effet proportionnel à csc⁴2/2, construit un cylindre sur un plateau tournant, sur une colonne.

La colonne de pompage de l'air et le microscope recouvert d'un écran fluorescent ont permis d'observer les particules qui ont dévié jusqu'à 150º, avec ce que l'hypothèse de Rutherford a été démontrée.

Pour tester l'hypothèse de l'épaisseur de la feuille, montez un disque à 6 trous recouvert de feuilles d'épaisseur variable. On a observé que le nombre de flashs était proportionnel à l'épaisseur.

Ils ont réutilisé le disque de l'expérience précédente pour mesurer le schéma de dispersion, en supposant que la charge du noyau était proportionnelle à la masse atomique, ils ont mesuré si la dispersion était proportionnelle à la masse atomique au carré.

Avec les flashs obtenus, divisés par l’équivalent de l’air, puis divisés par la racine carrée du poids atomique, ils ont constaté que les proportions étaient similaires

Et enfin, avec le même disque de l'expérience, ils plaçaient plus de disques de mica pour retarder les particules, et avec une plage d'erreur acceptable, ils montraient que le nombre de scintillations était proportionnel à 1 / v.⁴, comme l'avait prédit Rutherford dans son modèle.

À travers les expériences, ils ont prouvé que toutes les hypothèses de Rutherford avaient été satisfaites de manière à déterminer le modèle atomique de Rutherford. Dans ce modèle, finalement publié en 1917, il est postulé que les atomes ont un noyau central avec une charge positive.

Si le noyau central de l'atome est celui avec la charge positive, le reste de l'atome sera vide avec les électrons gravitant autour de lui.

Avec ce modèle, il a été montré que les atomes ont une charge neutre et que la charge positive trouvée dans le noyau est neutralisée par le même nombre d'électrons gravitant autour d'elle.

Si nous retirons les électrons de l'atome, ils auront alors une charge positive. Les atomes sont stables, car la force centrifuge est égale à la force électrique, maintenant les électrons en place

Références

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. Le modèle atomique de E. Rutherford.Enseignement des sciences, 2008, vol. 26
2. BOHR, Niels. La conférence commémorative de Rutherford en 1958 Reminiscences du fondateur de la science nucléaire et de certains développements basés sur ses travaux.Actes de la société physique, 1961.
3. JUSTI, Rosaria; GILBERT, John. Histoire et philosophie de la science à travers des modèles: quelques défis dans le cas de l'atome.Journal international de l'enseignement des sciences, 2000, vol. 22
4. COHEN-TANNOUDJI, Claude et al.Interactions atome-photon: processus et applications de base. New York: Wiley, 1992
5. AGUILERA, Damarys et al. Modèles conceptuels d'étudiants universitaires sur la structure atomique à partir des expériences de Thomson, Rutherford et Bohr / Modèles conceptuels d'étudiants universitaires sur la structure atomique à partir d'expériences de Thomson, Rutherford et Bohr.Journal of Science Education, 2000, vol. 1, pas 2.
6. DE LA LLATA LOYOLA, María Dolores.Chimie inorganique. Editorial Progreso, 2001.
7. TORRES, Amalia Williart. Expérience historique: découverte du noyau atomique: l'expérience de Rutherford.100cias UNED, 2003, no 6, p. 107-111.