Conjunto completo de datos detallados sobre experimentos de dispersión de partículas alfa
Nombre chino: Experimento de dispersión de partículas alfa. MBTH: Experimento de Geiger-Marsden (S), también conocido como experimento de lámina de oro de Rutherford. Propósito: confirmar el modelo atómico de Thomson, la historia del desarrollo, el contenido experimental, la teoría experimental y Propósito experimental y exactitud de los resultados experimentales Finalmente, el experimento de historia del desarrollo utilizó rayos alfa colimados para bombardear una lámina de oro de un micrómetro de espesor y descubrió que la mayoría de las partículas alfa se desviaban muy poco al pasar a través de la delgada lámina de oro, pero los ángulos de deflexión. de unas pocas partículas alfa eran mucho más grandes de lo predicho por el modelo de Thomson. Aproximadamente 1/8000 partículas alfa tienen un ángulo de desviación superior a 90°, e incluso se observa dispersión con un ángulo de desviación igual a 150°, lo que se denomina ángulo grande. En 1911, Rutherford propuso el modelo nuclear del átomo (también conocido como modelo de estructura nuclear del átomo). La masa relacionada con la carga positiva se concentra en el centro para formar el núcleo, y los electrones se mueven alrededor del núcleo fuera del núcleo. De aquí se deriva la fórmula de dispersión de las partículas alfa, que explica la dispersión de gran ángulo de las partículas alfa. . Posteriormente, la fórmula de dispersión de Rutherford fue verificada sistemáticamente mediante experimentos mejorados de Geiger y Marsden. A partir de los datos de dispersión de gran ángulo, se puede concluir que el límite superior del radio nuclear es de metros, lo que constituye un precedente para el estudio de la estructura atómica. Este experimento anuló el modelo del átomo del bollo de pasas propuesto por J.J Thomson en 1903. Creía que la carga positiva y la masa del átomo estaban conectadas, distribuidas de manera uniforme y continua dentro del rango atómico, y que los electrones incrustados en él podían equilibrarse en su equilibrio. La posición vibró ligeramente, sentando las bases de la teoría nuclear moderna. Contenido del experimento: Teoría experimental: las partículas α y β que se mueven en línea recta se desviarán cuando encuentren átomos materiales. Las partículas beta se dispersan más que las partículas alfa porque las partículas beta tienen mucho menos impulso y energía. No parece haber duda de que una partícula que se mueve tan rápidamente atraviesa el átomo en su trayectoria original y que la desviación observada es el resultado de un fuerte campo eléctrico en todo el sistema atómico. Generalmente se cree que la dispersión de un haz de rayos de partículas alfa o beta a través de una fina lámina de materia es el resultado de múltiples pequeñas dispersiones de átomos de materia de un lado a otro. Sin embargo, las observaciones de Geiger y Marsden sobre la dispersión de rayos alfa mostraron que en una sola colisión, algunas partículas alfa se desviaban más allá de los ángulos normales. Por ejemplo, descubrieron que una pequeña cantidad de partículas alfa incidentes (alrededor de 65.438 de 20.000) se desviaban en un ángulo promedio de 90° al pasar a través de una lámina de oro de aproximadamente 0,00004 centímetros de espesor. La capacidad de una lámina de oro con este espesor para detener partículas alfa es equivalente a la del aire con un espesor de 65.438 · 0,6 mm. Geiger señaló más tarde que el ángulo de desviación más probable de un haz de partículas alfa que pasa a través de una lámina de oro del espesor anterior es de 0,87°. Cálculos simples basados en la teoría de la probabilidad muestran que la posibilidad de una desviación de 90° es muy pequeña. Además, se puede ver más adelante que si esta deflexión de gran ángulo se compone de muchas desviaciones pequeñas, entonces la distribución de partículas α con esta deflexión de gran ángulo en varios ángulos no obedece la ley de probabilidad esperada. La idea de que una gran desviación angular se debe a la colisión de un solo átomo parece razonable, ya que la probabilidad de que una segunda colisión provoque una gran desviación angular es muy pequeña en la mayoría de los casos. Un cálculo simple muestra que el átomo debe tener un núcleo con un campo eléctrico fuerte para producir una desviación tan grande en una sola colisión. Experimentos sobre la dispersión del polonio J. J. Thomson propuso una teoría para explicar la dispersión de partículas cargadas a través de materia muy fina. Supuso que los átomos estaban compuestos por n partículas cargadas negativamente, distribuidas uniformemente por toda la esfera, con el mismo número de cargas positivas. La desviación de partículas cargadas negativamente (como las partículas beta) cuando pasan a través de los átomos se puede atribuir a dos causas: (1) la repulsión de las cargas negativas distribuidas en los átomos y (2) la atracción de las cargas positivas en los átomos. átomos. Se supone que la desviación de la partícula que pasa a través del átomo es pequeña, aunque el ángulo promedio después de la colisión con una masa grande m es m θ? donde θ es la desviación promedio de un solo átomo. Esto muestra que el número de electrones n en un átomo se puede inferir observando la dispersión de iones cargados. La exactitud de esta teoría de la dispersión mixta fue verificada experimentalmente en un artículo posterior de Crozer.
Los resultados experimentales de Crozier confirmaron claramente las principales conclusiones de la teoría de Thomson: Crozier dedujo que el número de electrones en un átomo es aproximadamente tres veces el peso del átomo basándose en el supuesto de una carga positiva continua. La teoría de Joseph John Thomson J.J. Thomson (Thomson) se basa en el supuesto de que la dispersión producida por la colisión de átomos individuales es muy pequeña. Además, la suposición de una estructura especial de los átomos no permite grandes desviaciones de las partículas alfa al pasar a través de átomos individuales, a menos que se suponga que el diámetro de la esfera cargada positivamente es extremadamente pequeño en comparación con el diámetro del átomo. Al estudiar cuidadosamente la naturaleza de la desviación de las partículas alfa y beta cuando pasan a través de los átomos, es posible formarse una idea de la estructura atómica que produce los efectos observados. De hecho, la dispersión de partículas cargadas a alta velocidad por átomos de materia es una de las formas más prometedoras de resolver este problema. El desarrollo del método de conteo de centelleo para partículas alfa individuales proporcionó ventajas de investigación únicas gracias al estudio de este método. Propósito experimental Rutherford ha realizado famosos experimentos de dispersión de partículas alfa desde 1909. El propósito del experimento era confirmar la exactitud del modelo atómico de Tang Musun, pero los resultados experimentales se convirtieron en una fuerte evidencia para negar el modelo atómico de Tang Musun. Sobre esta base, Rutherford propuso un modelo de estructura nuclear. Para examinar la estructura interna de los átomos, es necesario encontrar una partícula sonda que pueda inyectarse en el átomo. Esta partícula es la partícula alfa emitida por los materiales radiactivos naturales. Rutherford y sus asistentes bombardearon láminas de oro con partículas alfa para realizar experimentos, como se muestra en la imagen. Diagrama esquemático de un experimento de dispersión de partículas alfa: se coloca una pequeña cantidad del elemento radiactivo polonio (Po) en una caja de plomo, y los rayos alfa que emite se emiten desde el pequeño orificio de la caja de plomo, formando un haz de luz extremadamente delgada. rayos que golpean la lámina de oro. A medida que las partículas alfa atraviesan la lámina de oro, golpean la pantalla fluorescente para producir puntos brillantes que pueden observarse con un microscopio. Para evitar la influencia de las partículas alfa en los resultados experimentales, todo el dispositivo se colocó en un recipiente al vacío y el microscopio con una pantalla fluorescente podía moverse en círculo alrededor de la lámina de oro. Resultados experimentales Los resultados experimentales muestran que la gran mayoría de las partículas alfa todavía se mueven en la dirección original después de pasar a través de la lámina de oro, pero algunas partículas alfa se desvían más, algunas partículas alfa se desvían más de 90° y algunas incluso casi alcanzan los 180°. ° y se rebotan. Este es el fenómeno de dispersión de las partículas alfa. La pequeña cantidad de partículas alfa desviadas en grandes ángulos fue inesperada. Según los cálculos del modelo de Thomson, el ángulo en el que la partícula alfa se desvía de su dirección original después de atravesar la lámina de oro es muy pequeño. Debido a que la masa del electrón es menor que 1/7400 de la dirección de la partícula alfa. La forma de movimiento de la partícula alfa no cambiará significativamente cuando la encuentre, al igual que una bala voladora golpea una partícula de polvo. Las cargas positivas se distribuyen uniformemente. Cuando una partícula alfa pasa a través de un átomo, la fuerza repulsiva de las cargas positivas en ambos lados del átomo se anula entre sí, por lo que la fuerza de desviación de la partícula alfa no es muy grande. En realidad, sin embargo, un número muy pequeño de partículas alfa se desvían en ángulos grandes. Rutherford recordó más tarde: "Esto fue lo más increíble que me había pasado en mi vida. Fue como si dispararas una bala de cañón a un trozo de papel y éste rebotara y te golpeara a ti mismo..." Rutherford después de analizar los resultados experimentales , se cree que la dispersión de partículas alfa en ángulos grandes solo es posible cuando casi toda la masa y la carga positiva del átomo se concentran en un área pequeña en el centro del átomo. Por ello, Rutherford propuso el modelo de estructura nuclear del átomo en 1911, creyendo que hay un núcleo muy pequeño en el centro del átomo, llamado núcleo. Toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo se concentra en el núcleo, y los electrones cargados negativamente giran alrededor del núcleo en el espacio exterior del núcleo. Según este modelo, los electrones que pasan a través de los átomos tienen poco efecto sobre el movimiento de las partículas alfa, y los núcleos cargados positivamente afectan principalmente el movimiento de las partículas alfa. La gran mayoría de las partículas alfa se alejan del núcleo al atravesar el átomo, la repulsión de Coulomb es muy pequeña y la dirección del movimiento apenas cambia. Sólo unas pocas partículas alfa pueden estar muy cerca del núcleo, sujetas a una gran repulsión de Coulomb y luego sufrir grandes desviaciones angulares. Según los experimentos de dispersión de partículas alfa, se puede estimar que el diámetro del núcleo atómico es de aproximadamente 10 a 15 m ~ 10 a 14 m, y el diámetro atómico es de aproximadamente 10 a 10 picómetros. Por lo tanto, el diámetro del núcleo atómico es de aproximadamente uno. -décima parte del diámetro atómico, y el volumen del núcleo atómico es el mismo. Conclusión final: la mayoría de los ángulos de dispersión son muy pequeños, aproximadamente 1/8000 de la dispersión es mayor que 90°; muy pocos ángulos de dispersión son iguales a 180°. Conclusión: la carga positiva se concentra en el centro del átomo.
La mayoría de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro: hay mucho espacio dentro del átomo y la masa del electrón es muy pequeña. Un pequeño número de partículas alfa cambian de trayectoria: hay una partícula dentro de un átomo que es pequeña y está cargada positivamente. Muy pocas partículas alfa rebotan: las partículas de los átomos son de tamaño pequeño pero relativamente masivas.