رادرفورد و مدل هسته ای

رادرفورد و مدل هسته ای

آزمایش ورقه طلا رادرفورد

پس از مدل های اتمی دالتون و تامسون که با هم یک قرن فاصله داشتند تنها ۸ سال پس از مدل اتمی تامسون، ارنست رادرفورد مدلی ارائه داد ک با یافته های پییشین دانشمندان کاملا در تضاد بود. وی با آزمایشی ثابت کرد که در مرکز اتم چگالی وجود دارد در حالیکه ک بیشتر فضای اتم خالی بود

شرح آزمایش

در سال ۱۹۰۹ آزمایشی زیر نظر رادرفورد توسط هانس گایگر و ارنست مارزدن آزمایشی صورت گرفت که در این آزمایش نتایجی بدست آمد ک هیچ کس توقع آن را نداشت. این آزمایش مدل اتمی تامسون را به کلی رد کرد و مدل اتمی جدیدی را جایگزین آن کرد. ­

در آزمایش رادرفورد ذرات آلفا با بار مثبت به ورقهٔ بسیار نازکی از طلا شلیک می شوند. اگر مدل کیک کشمشی تامسون درست می بود، ذرات بزرگ آلفا باید با اندکی انحراف از ورقهٔ طلا عبور می کردند، چرا که ذرات آلفا سنگین هستند و بار در مدل تامسون بطور یکنواخت پراکنده است.

اما چیزی که در آزمایش مشاهده شد این بود که اگرچه بسیاری از ذرات آلفا طبق پیشبینی با اندکی انحراف مشاهده شدند، تعدادی دیگری با زوایای بزرگتر منحرف شدند و تعداد بسیار اندکی (۱ از ۲۰۰۰۰) با زاویه ۱۸۰ درجه برگشتند، یعنی به سمت منبع ذرات آلفا پس زده شدند.

رادرفورد این نتیجه را به وجود هسته ای مرکزی که عمدهٔ جرم اتم را در خود دارد تعبیر کرد.(تامسون معتقد بود که جرم زیاد اتم از وجود تعداد بسیار زیادی الکترون ناشی می شود.)

انحراف بزرگ یا حتی انعکاس ذرات آلفا نشان می داد که اتم دارای هسته ای ست که عمده جرم اتم در آن متمرکز شده است. اینکه تعداد بیشتر از ذرات با انحراف کم از ورقه طلا عبور می کردند نشان می داد که هستهٔ با بار مثبت نسبت به ابعاد اتم کوچک است و در حقیقت عمده فضای اتم خالی ست.

نتایج بدست آمده از این آزمایش
  • بیشترین بخش از اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد چرا که اکثرِ ذراتِ آلفا بدون تغییر مسیر، از اتم‌های طلا عبور کرده‌اند.
  • بخش مثبتِ تشکیل دهنده اتم، به شکلی یکنواخت توزیع نشده و تعداد کمِ ذرات منحرف شده، نشان می‌دهند که این بخش در فضایی بسیار کوچک متمرکز شده‌ است.
  • تعداد بسیار اندکی از ذرات با زاویه‌ ۱۸۰ درجه و یا با زوایای بالا منحرف شده‌اند؛ بنابراین بخش باردار اتم نسبت به فضای خالی اتم، حجم بسیار کمتری را اشغال کرده است.
فرضیات رادرفورد
  • یک اتم، ترکیبی از بار‌های مثبت است. بخش بسیاری از جرمِ اتم در فضایی بسیار اندک متمرکز شده. این بخش از اتم، هسته نامیده می‌شود. بعدها معلوم شد که بخش چگال اتم یا همان هسته از پروتون‌ها و نوترون‌ها تشکیل شده‌‌اند.
  • هسته مثبت اتم‌ها، توسط بار‌هایی منفی احاطه شده‌اند که آن‌ها را الکترون می‌نامند. الکترون‌ها در مسیر‌های دایره‌ای و ثابت در اطراف هسته، با سرعت زیاد در حال چرخش هستند. این مسیر‌های ثابت را مدار می‌نامند.
  • یک اتم دارای بار خالص مثبت یا منفی نیست و مجموع بار منفی الکترون‌ها برابر با بارِ‌ مثبت هسته است. نیروی الکترواستاتیکی قوی، الکترون‌ها و هسته را در کنار یکدیگر نگه داشته.
  • حجم هسته یک اتم در مقابل کل فضای اتم بسیار اندک است.
موانع و مشکلات

اگرچه نظریه رادرفورد طبق آزمایش هایی ک انجام داده بود کاملا صحیح بود ولی محدودیت هایی نیز داشت که به چند مورد از آنها میپردازیم

  • مدل اتمی رادرفورد نمی‌تواند توجیهی برای پایداریِ اتم ارائه دهد. طبق فرضیات رادرفورد، الکترون‌ها در مسیر‌هایی ثابت، با سرعتی بسیار بالا در اطراف هسته اتم دوران می‌کنند. این در حالی است که ماکسول نشان داد که ذرات باردار شتاب‌گرفته، موج الکترومغناطیسی از خود ساطع می‌کنند. از این رو الکترون‌ها نیز باید میدان الکترومغناطیسی از خودشان ساطع کنند.
  • تابش الکترومغناطیسی منجر به از دست رفتن انرژی الکترون‌ها می‌شود، در نتیجه پس از گذشت مدت زمانی، انرژی الکترون‌ها به کلی از دست رفته و آن‌ها روی هسته اتم می افتند. طبق معادلات ماکسول، هر اتم تنها ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه می‌تواند پایدار باشد.
  • نظریه رادرفورد از این منظر کامل نیست چون هیچ توصیفی از شکل مدار‌های الکترون و نحوه حرکت آن‌ها را ارائه نمی‌دهد.

همانند آنچه که در ابتدای متن نیز ذکر شد، هرچند مدل اتمی رادرفورد دارای محدودیت‌هایی است، اما این مدل، زمینه شناخت بهتر اتم در سال‌های بعد و ایجاد مکانیک کوانتومی را فرآهم کرد.

خلاصه ای از زندگی رادرفورد

در زندگی نامه ارنست رادرفورد اینگونه آمده است که: ارنست رادرفورد در تاریخ سی‌ ام ماه اوت سال ۱۸۷۱ در حومه برایت واتر شهر نلسون، واقع در ساحل شمالی جزیره جنوبی زلاندنو به دنیا آمد.

رادرفورد ، نخستین بورس از بورس های تحصیلی متعدد زندگی خود را در سال ۱۸۸۷ که ۱۶ ساله بود، بدست آورد. بورس تحصیلی دوم، وی را قادر به ثبت‌ نام در کالج کنتر بوری شهر کریست‌ چرچ کرد که مؤسسه ای بود که در سال پیش از تولد خود او بوجود آمده بود. وی رشته‌ های تحصیلی اصلی خود را، فیزیک و ریاضیات انتخاب کرد که از بخت مساعد، در هر دوی آنها معلمان خوبی هم داشت.

ارنست رادرفورد، در پایان دوره آموزشی سه ساله خود، درجه کارشناسی ریاضی و فیزیک علوم فیزیکی به پایان رسانید. رادرفورد در پی انتشار دو مقاله مهم درباره فعالیت تشعشعی مواد در سال ۱۸۹۵، بر خلاف دوم شدن در گزینش جایزه مهمی به شکل یک بورس تحصیلی دریافت کرد.

ارنست رادرفورد در سال ۱۹۱۱

رادرفورد در سال ۱۹۳۷ در اثر یک فتق محتقن (گونه‌ای تورم ناشی از انسداد اعضای درونی) که به خاطر سقوط وی از درخت در هنگام هرس کردن آن اتفاق افتاد، در گذشت. او در آن هنگام ۶۶ ساله و هنوز سرزنده و قوی بود.

سهم ارنست رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است. او آشکارا، از بزرگترین فیزیکدانان است و تا آن زمان، آزمایشگری به بزرگی او نیامده بود. ده ها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری دادند. او را پدر انرژی هسته‌ ای نامیده‌ اند

صهبا شهسواری

مطالب مرتبط

دیدگاهها

نظر:

2 × سه =