1908 년에서 1913 년 사이에 수행 된 실험 Rutherford 는 알파 입자로 두께가 .0004mm 인 얇은 금 막을 폭파하고 형광 스크린에 남아있는 입자의 분산 패턴을 분석했습니다.
실제로 Rutherford는 수많은 실험을 수행하여 세부 사항을 점점 더 다듬 었습니다. 결과를주의 깊게 분석 한 후 두 가지 매우 중요한 결론이 나왔습니다.
-원자의 양전하는 핵이라고 불리는 영역에 집중되어 있습니다.
-이 원자핵은 원자의 크기에 비해 엄청나게 작습니다.
그림 1. 러더 포드의 실험. 출처 : Wikimedia Commons. Kurzon
Ernest Rutherford (1871-1937)는 뉴질랜드 태생의 물리학 자였으며 관심 분야는 방사능과 물질의 본질이었습니다. 방사능은 러더퍼드가 실험을 시작했을 때 최근의 현상으로 1896 년 Henri Becquerel에 의해 발견되었습니다.
1907 년 Rutherford는 원자의 구조를 연구하기 위해 영국 맨체스터 대학으로갔습니다.이 알파 입자를 프로브로 사용하여 작은 구조 내부를 들여다 보았습니다. 물리학 자 Hans Geiger와 Ernest Marsden이 그와 함께 작업을 수행했습니다.
그들은 이중으로 이온화 된 헬륨 원자 인 알파 입자가 단일 금 원자와 어떻게 상호 작용 하는지를보고, 어떤 편차가 오로지 전기력 때문인지 확인하기를 희망했습니다.
그러나 대부분의 알파 입자는 약간의 편차만으로 금박을 통과했습니다.
이 사실은 Thomson의 원자 모델과 완전히 일치했지만 연구원들은 놀랍게도 알파 입자의 작은 비율이 다소 현저한 편차를 경험했습니다.
그리고 훨씬 더 적은 비율의 입자가 다시 돌아와 완전히 되돌아옵니다. 이러한 예상치 못한 결과는 무엇 때문입니까?
실험에 대한 설명 및 결론
사실 러더 포드가 탐침으로 사용한 알파 입자는 헬륨 핵이며, 당시에는이 입자들이 양전하를 띠고 있다는 것만 알려졌습니다. 오늘날 알파 입자는 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 구성되어있는 것으로 알려져 있습니다.
알파 입자와 베타 입자는 Rutherford에 의해 우라늄의 두 가지 다른 종류의 방사선으로 확인되었습니다. 전자보다 훨씬 무거운 알파 입자는 양전하를 띠는 반면 베타 입자는 전자 또는 양전자 일 수 있습니다.
그림 2. Rutherford, Geiger 및 Marsden 실험의 세부 계획. 출처 : R. Knight. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근. 피어슨.
실험의 단순화 된 계획은 그림 2에 나와 있습니다. 알파 입자 빔은 방사성 소스에서 나옵니다. Geiger와 Marsden은 방사체로 라돈 가스를 사용했습니다.
납 블록은 방사선을 금박으로 향하고 형광 스크린으로 직접 들어가는 것을 방지하는 데 사용되었습니다. 납은 방사선을 흡수하는 물질입니다.
그 후, 이렇게 지시 된 빔은 얇은 금박에 충돌하도록 만들어졌고 대부분의 입자는 형광 아연 황산염 스크린으로 계속 이동하여 작은 빛의 흔적을 남겼습니다. Geiger는 나중에 그것을 수행하는 장치를 설계했지만 하나씩 세는 것을 담당했습니다.
일부 입자가 작은 편향을 겪었다는 사실은 Rutherford, Geiger 및 Marsden을 놀라게하지 않았습니다. 결국, 알파 입자에 힘을 가하는 원자에는 양전하와 음전하가 있지만 원자는 이미 알고있는 중성이므로 편차가 작아야합니다.
실험의 놀라운 점은 몇 개의 양의 입자가 거의 직접 반사되었다는 것입니다.
결론
8000 개의 알파 입자 중 약 1 개는 90º보다 큰 각도에서 편향을 경험했습니다. 거의 없지만 몇 가지 질문에 충분합니다.
유행하는 원자 모델은 Rutherford의 전 Cavendish Laboratory 교수 인 Thomson의 건포도 푸딩 모델이지만 Rutherford는 핵이없고 건포도로 내장 된 전자가있는 원자의 아이디어가 올바른지 궁금해했습니다.
알파 입자의 이러한 큰 편향과 소수가 돌아올 수 있다는 사실은 원자에 작고 무겁고 양의 핵이있을 때만 설명 할 수 있기 때문입니다. Rutherford는 Coulomb의 법칙에 명시된 바와 같이 전기적 인력 및 반발력 만이 편차에 책임이 있다고 가정했습니다.
일부 알파 입자가이 핵을 향해 직접 접근 할 때 전기력이 거리의 역 제곱에 따라 달라지기 때문에 광각 산란 또는 후방 편향을 유발하는 반발을 느낍니다.
확실히 Geiger와 Marsden은 금뿐만 아니라 다른 금속 시트를 폭격하는 실험을했습니다. 비록이 금속이 매우 얇은 시트를 만들기 위해 가단성에 가장 적합했지만.
비슷한 결과를 얻음으로써 Rutherford는 Thomson이 자신의 모델에서 가정 한 것처럼 원자의 양전하가 핵에 위치해야하며 부피 전체에 분산되어 있지 않아야한다고 확신했습니다.
반면에 대부분의 알파 입자는 편차없이 통과하기 때문에 핵은 원자 크기에 비해 매우 작아야했습니다. 그러나이 핵은 원자 질량의 대부분을 집중시켜야했습니다.
원자 모델에 미치는 영향
그 결과 러더 포드는 캠브리지에서 열린 회의에서 다음과 같이 선언했습니다. "… 그것은 마치 티슈 페이퍼에 15 인치 대포를 쏘고 발사체가 당신을 향해 직접 튕겨서 당신을 때리는 것과 같습니다."
이러한 결과는 Thomson의 원자 모델로는 설명 할 수 없었기 때문에 Rutherford는 원자가 매우 작고 매우 거대하며 양전하를 띤 핵으로 구성되어 있다고 제안했습니다. 전자는 소형 태양계처럼 그의 주위를 도는 궤도에 남아있었습니다.
그림 3. 왼쪽에있는 Rutherford의 원자 모델과 오른쪽에있는 Thomson의 건포도 푸딩 모델. 출처 : Wikimedia Commons. 왼쪽 이미지 : Jcymc90
이것이 왼쪽의 그림 3에 표시된 원자의 핵 모델에 관한 것입니다. 전자도 매우 아주 작기 때문에 원자는 거의 모든 것입니다. 빈! 따라서 대부분의 알파 입자는 거의 편향되지 않은 시트를 통과합니다.
그리고 소형 태양계와의 비유는 매우 정확합니다. 원자핵은 거의 모든 질량과 양전하를 포함하는 태양의 역할을합니다. 전자는 행성처럼 주위를 돌며 음전하를 띠고 있습니다. 어셈블리는 전기적으로 중립적입니다.
원자의 전자 분포에 대해 Rutherford의 실험은 아무것도 보여주지 않았습니다. 알파 입자가 그들과 약간의 상호 작용을 할 것이라고 생각할 수 있지만 전자의 질량이 너무 작아 입자를 크게 굴절시킬 수 없습니다.
Rutherford 모델의 단점
이 원자 모델의 한 가지 문제는 정확히 전자의 행동이었습니다.
이것이 정적이 아니고 전기적 인력에 의해 구동되는 원형 또는 타원형 궤도에서 원자핵을 공전한다면 핵을 향해 돌진하게 될 것입니다.
이것은 가속 된 전자가 에너지를 잃기 때문입니다. 그리고 그럴 경우 원자와 물질이 붕괴 될 것입니다.
다행히 이것은 일어나는 일이 아닙니다. 붕괴를 방지하는 일종의 동적 안정성이 있습니다. Rutherford의 다음 원자 모델은 원자 붕괴가 발생하지 않는 이유에 대한 몇 가지 답변을 제공 한 Bohr의 모델입니다.
양성자와 중성자
Rutherford는 산란 실험을 계속했습니다. 1917 년과 1918 년 사이에 그와 그의 조수인 William Kay는 비스무트 -214에서 나온 고 에너지 알파 입자로 기체 질소 원자를 폭격하기로 결정했습니다.
그는 수소 핵을 발견했을 때 다시 놀랐습니다. 이것은 반응의 방정식이며, 최초의 인공 핵 변환이 달성되었습니다.
대답은 같은 질소에서 나온 것입니다. 러더퍼드는 수소에 원자 번호 1을 할당했습니다. 왜냐하면 그것은 가장 단순한 원소이기 때문입니다 : 양핵과 음 전자.
러더 포드는 처음으로 그리스어에서 유래 된 이름 인 양성자 (proton)라고 명명 한 기본 입자를 발견했습니다. 이런 식으로 양성자는 모든 원자핵의 필수 구성 요소입니다.
1920 년경 Rutherford는 양성자와 매우 유사한 질량을 가진 중성 입자가 있어야한다고 제안했습니다. 그는이 입자를 중성자라고 불렀고 거의 모든 알려진 원자의 일부입니다. 물리학 자 제임스 채드윅은 마침내 1932 년에 그것을 확인했습니다.
수소 원자의 축척 모델은 어떻게 생겼습니까?
우리가 말했듯이 수소 원자는 가장 단순한 것입니다. 그러나이 원자에 대한 모델을 개발하는 것은 쉽지 않았습니다.
연속적인 발견은 양자 물리학과 원자 규모의 현상을 설명하는 전체 이론을 낳았습니다. 이 과정에서 원자 모델도 진화했습니다. 하지만 크기 문제를 살펴 보겠습니다.
수소 원자는 하나의 양성자 (양성)로 구성된 핵을 가지고 있으며 단일 전자 (음성)를 가지고 있습니다.
수소 원자 반경이 2.1 × 106로 추정되었다 -10 양성자의 0.85 × 10 동안, m -15 m 0.85 femtometers. 이 작은 단위의 이름은 Enrico Fermi에 기인하며이 규모로 작업 할 때 많이 사용됩니다.
글쎄요, 원자의 반지름과 핵의 반지름 사이의 몫은 약 10 5 m입니다. 즉, 원자는 핵보다 100,000 배 더 큽니다!
그러나 양자 역학을 기반으로 한 현대 모델에서 전자는 궤도 (궤도는 궤도가 아님)라고하는 일종의 구름으로 핵을 둘러싸고 원자 규모의 전자는 그렇지 않다는 점을 명심해야합니다. 시간 엄수.
만약 수소 원자가 상상적으로 축구장 크기로 확대 되었다면 양성 양성자로 구성된 핵은 필드 중앙에있는 개미의 크기가되고, 음극 전자는 일종의 유령과 같을 것입니다. 들판 전체에 흩어져 있고 포지티브 코어를 둘러싸고 있습니다.
오늘날의 원자 모델
이 "행성 유형"원자 모델은 매우 깊이 뿌리 박혀 있으며 시각화가 매우 쉽기 때문에 대부분의 사람들이 원자에 대해 갖는 이미지입니다. 그러나 오늘날 과학 분야에서 받아 들여지는 모델은 아닙니다.
현대 원자 모델은 양자 역학을 기반으로합니다. 그녀는 Rutherford가 구상 한 것처럼 원자의 전자가 정확한 궤도를 따라가는 음전하를 띤 점이 아니라고 지적합니다.
오히려 전자는 원자 궤도 (atomic orbital)라고하는 양핵 주변 영역에 흩어져 있습니다. 그로부터 우리는 한 주 또는 다른 주에있을 확률을 알 수 있습니다.
그럼에도 불구하고 Rutherford의 모델은 원자의 내부 구조에 대한 지식의 엄청난 발전을 나타냅니다. 그리고 더 많은 연구자들이 계속해서 그것을 개선 할 수있는 길을 열었습니다.
참고 문헌
- Andriessen, M. 2001. HSC 과정. 물리학 2. Jacaranda HSC 과학.
- Arfken, G. 1984. 대학 물리학. 학술 보도.
- Knight, R. 2017. 과학자 및 공학을위한 물리학 : 전략 접근. 피어슨.
- 물리학 OpenLab. Rutherford-Geiger-Marsden 실험. 출처 : physicsopenlab.org.
- Rex, A. 2011. 물리학의 기초. 피어슨.
- Tyson, T. 2013. 러더 포드 산란 실험. 출처 : 122.physics.ucdavis.edu.
- Xaktly. 러더 포드의 실험. 출처 : xaktly.com.
- Wikipedia. 러더 포드의 실험. 출처 : es.wikipedia.org.