ラザフォード実験とそのプロトタイプ



の ラザフォード実験 各原子が正電荷を帯びた核を持つことを科学者のグループが発見することを可能にした.

アーネスト・ラザフォードはニュージーランドの物理学者そして化学者でした。彼は放射性粒子の研究に焦点を当て、1908年にノーベル化学賞を受賞することを可能にするいくつかの調査を行いました.

ラザフォード、ハンスガイガー、アーネストマースデンの指示の下、彼らはマンチェスター大学の研究室で原子モデルの作成を手伝った。.

存在する最初の原子論の一つはトムソン、電子の発見者によって定式化されたものです。彼は原子が正電荷を持つ球であり、そして電子がその中に分布していると信じていた.

トムソンの理論によると、アルファ粒子が原子と衝突すると、この粒子は原子を通過することになります。このモデルによると、これは原子の電場の影響を受けます。.

現時点では、陽子と中性子は発見されていません。トムソンは彼の存在を証明することができず、彼のモデルは科学界に受け入れられませんでした.

トムソンの理論の存在を実証するために、Rutherford、Geiger、Marsdendは、ヘリウムガス核で作られたアルファ粒子を金属板に衝突させる実験を行った。.

Thomsonモデルがうまくいったならば、粒子は少しもずれることなく金属板を通り抜けるはずです。.

ラザフォード実験の開発

最初のプロトタイプ

1908年に行われた実験の最初の設計プロトタイプは、タイトルの付いた記事でガイガーによって説明されました。 物質による粒子の分散について.

彼らは長さ約2メートルのガラス管を作り、一方の端には電波源があり、もう一方の端には燐光スクリーンを置いた。チューブの中央には、アルファ粒子が通過するための一種の漏斗が配置されています。.

続くプロセスは、それが光ビームを燐光スクリーン上に投射するようにスリットを通してアルファ粒子を通過させることであった。.

チューブから全ての空気を送り出すことによって、得られた画像は鮮明であり、チューブ中央の開口部に対応していた。チューブ内の空気量が少なくなると、画像はより拡散した.

次に、Thomsonの理論が維持しているように、粒子が何かを撃った場合、またはそれを横切った場合の粒子の軌跡を確認するために、金箔がスロットに挿入されました。.

これは、空気および固体が粒子の分散を引き起こし、それがより拡散した画像を有する燐光スクリーンに反射されることを示した。.

この最初のプロトタイプの問題は、それが分散の結果を示すだけで、アルファ粒子がたどる軌跡を示さないことです。.

第二のプロトタイプ

ガイガーとマースデンは1909年に彼らがアルファ粒子の動きを実証するための実験を説明した記事を発表した。.

アルファ粒子の拡散反射 実験は粒子が90度以上の角度で動くことを発見することを目的としていると説明される.

彼らは実験のための2番目のプロトタイプを作成しました。そこで、円錐形のガラス容器が作成されました。彼らは鉛板を取り付け、アルファ粒子がそれと衝突するようにし、そしてその分散を見るために、蛍光板を後ろに置いた。.

この装置の構成に関する問題は、粒子が鉛板を避け、空気分子を跳ね返すことである。.

彼らは一枚の金属を置くことによってテストし、粒子のより多くの打撃があることを蛍光スクリーン上で見ました.

より高い原子量を有する金属はより多くの粒子を反射することが示されたが、ガイガーとマズデンは粒子の正確な数を知りたがっていた。しかし、ラジオや放射性物質を使った実験は正確ではありませんでした.

第三のプロトタイプ

記事 物質によるα粒子の分散 1910年はガイガーが設計した3番目の実験を説明しています。ここでは、粒子が接触する材料に応じて、粒子の分散角度を測定することにすでに焦点を当てています。.

今回は、管は水密であり、水銀はラドン222を蛍光スクリーンにポンピングした。顕微鏡の助けを借りて、蛍光スクリーン上に現れたフラッシュをカウントした。.

粒子をたどる角度を計算し、偏向角は材料の原子量が大きいほど大きくなり、それは物質の原子量にも比例するという結論に達しました。.

しかしながら、最も可能性のある偏向角は速度とともに減少し、それが90°を超えて偏向する可能性はごくわずかです。.

このプロトタイプで得られた結果を用いて、Rutherfordは分散パターンを数学的に計算しました.

原子がその中心に正電荷を有すると仮定して、数式が、シートがどのように粒子を分散させるべきかを計算した。後者は仮説としか考えられていなかったが.

開発された方程式はこのようなものでした：

ここで、ｓ ＝偏向角Φで単位面積上に落ちるアルファ粒子の数

  • ｒ ＝分散材料上のアルファ線の入射点の距離
  • X =分散材料上にある粒子の総数
  • n =材料の単位体積中の原子数
  • t =シートの厚さ
  • Qn =原子核の陽電荷
  • Qα=アルファ粒子の正電荷
  • m =アルファ粒子の質量
  • v =アルファ粒子の速度

最終プロトタイプ

ラザフォード方程式のモデルを用いて、仮定されているものと、原子が正電荷を持つ核を持つことを実証するための実験が試みられた。.

設計された方程式は、与えられた角度（Φ）で観察される１分あたりのフラッシュの数は以下に比例するべきであると予測した。

  • csc4Φ/ 2
  • シートの厚さt
  • 中央荷重の大きさQn
  • 1 /（mv2）2

これら4つの仮説を実証するために、4つの実験を作成します。 大角度によるα粒子の偏向の法則 1913年の.

cscに比例した効果をテストする4Φ/ 2、ターンテーブルの上、円柱の上にシリンダーを構築.

空気を送り込むカラムと蛍光スクリーンで覆われた顕微鏡により、最大150°ずれた粒子を観察することができ、それを使ってラザフォードの仮説が実証されました。.

シートの厚さの仮説を検証するために、さまざまな厚さのシートで覆われた6つの穴を持つディスクを取り付けました。閃光の数は厚さに比例することが観察された。.

彼らは、核の荷重が原子量に比例すると仮定して、分散パターンを測定するために前の実験の円盤を再利用し、分散が原子量の二乗に比例するかどうかを測定した。.

得られたフラッシュを空気の当量で割った後、原子量の平方根で割ったところ、比率は似ていることがわかりました。

そして最後に、実験の同じ円盤で、彼らは粒子を遅らせるためにより多くの雲母円盤を置いていました、そして許容できる誤差範囲で、彼らはシンチレーションの数が1 / vに比例することを示しました4, ラザフォードが彼のモデルで予測したように.

実験を通して、彼らはラザフォードのすべての仮説がラザフォード原子モデルを決定する方法で満たされたことを証明した。 1917年についに発表されたこのモデルでは、原子は正電荷を持つ中心核を持つと仮定されています。.

原子の中心核が正電荷を持つものであれば、原子の周りを周回する電子と共に原子の残りの部分は空になります。.

このモデルでは、原子は中性の電荷を持っていること、そして核の中にある正の電荷は周りを周回する同じ数の電子によって打ち消されることが示されました。.

原子から電子を取り除くと、それらは正電荷を帯びたままになります。遠心力は電気力に等しいので、原子は安定しています。

参考文献

  1. CUÉLLARFERNÁNDEZ、ルイジ。 GALLEGO BADILLO、ロムロ。ペレス・ミランダ、ロイマン。 E.ラザフォードの原子モデル.科学の教え, ２００８年、ｖｏｌ。 26.
  2. BOHR、ニールス。ラザフォード記念講演1958年原子力科学の創始者と彼の研究に基づくいくつかの発展の回想.物理学会論文集, 1961年.
  3. JUSTI、ロザリア。ギルバート、ジョン。モデルによる科学の歴史と哲学：「原子」の場合のいくつかの挑戦.国際科学教育ジャーナル, ２０００年、ｖｏｌ。 22.
  4. COHEN-TANNOUDJI、クロード、他.原子 - 光子相互作用：基本過程と応用. ニューヨーク：ワイリー、1992年.
  5. AGUILERA、Damarysら。 Thomson、Rutherford、Bohrの実験に基づく大学生の原子構造に関する概念モデル/ Thomson、Rutherford、Bohrの実験に基づく大学生の原子構造に関する概念モデル.科学教育ジャーナル, ２０００年、ｖｏｌ。 1、いいえ2.
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