Mô hình kinh nghiệm của Rutherford

16

S. Kozel

Mô hình kinh nghiệm của Rutherford

Các thí nghiệm mang tính bước ngoặt của Rutherford về sự tán xạ của hạt alpha lên hạt nhân nặng (1906-1911) đã đóng một vai trò đặc biệt trong việc phát triển các ý tưởng về cấu trúc của nguyên tử. Trong những thí nghiệm này, các hạt alpha phát ra từ nguồn phóng xạ được truyền qua các màng mỏng vàng và các kim loại khác. Khi đi qua màng, các hạt α lệch khỏi hướng ban đầu ở các góc khác nhau. Các hạt α tán xạ chạm vào màn hình được phủ kẽm sulfua và gây ra các tia sáng (lửa nhấp nháy). Bằng cách quan sát hiện tượng nhấp nháy này trong kính hiển vi, có thể xác định được quỹ đạo của bộ phận thay đổi bao nhiêu khi đi qua lớp kim loại.

Hầu hết các hạt α lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu ở những góc rất nhỏ. Nhưng một số phần bị lệch khá đáng kể. Và thật đáng kinh ngạc, một số hạt alpha (khoảng 1 trên 20.000) đã thay đổi hướng chuyển động gần như ngược lại. (Những phần này được ghi lại bằng các điểm trên màn hình được đặt ở vị trí sao cho các hạt “phản chiếu” từ kim loại có thể rơi vào đó.)

Điều “rõ ràng” là sự tán xạ của hạt α xảy ra do sự tương tác của chúng với điện tích dương của nguyên tử (khối lượng của electron nhỏ hơn khối lượng của hạt α khoảng 8000 lần, do đó các electron không thể nhìn thấy bản chất chuyển động của hạt α). Mô hình nguyên tử tồn tại trong những năm đó, theo đó điện tích dương được phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích của nguyên tử (mô hình này do J. Thomson đề xuất), đã không thể hỗ trợ kết quả thí nghiệm về sự tán xạ của hạt α. Kích thước của các nguyên tử đã được ước tính vào thời điểm đó (~10⁻⁸ cm). Và phép tính dựa trên mô hình Thomson, được thực hiện đối với các hạt α tán xạ ở góc ~180°, dẫn đến một giá trị cực kỳ lớn của bán kính nguyên tử hoặc một giá trị lớn không thể tin được của điện tích dương trong nguyên tử *).

Để yêu cầu tán xạ ở những góc lớn, cần giả sử rằng điện tích dương tính trung bình trong một vùng rất nhỏ (so với kích thước của nguyên tử) bên trong nguyên tử. Điện tích dương này—hạt nhân nguyên tử—tạo ra một trường tĩnh điện mạnh và hạt alpha đi vào trường hạt nhân phải chịu lực đẩy Coulomb.

Dựa trên ý tưởng về cấu trúc của nguyên tử này, Rutherford đã thực hiện một tính toán lý thuyết về sự phân bố định lượng của số phần ở các góc tán xạ khác nhau. Tính toán của ông hoàn toàn phù hợp với kết quả thực nghiệm.

Vì vậy, chúng tôi đã nhớ lại ngắn gọn lịch sử hình thành mô hình hạt nhân của nguyên tử.

Bây giờ chúng ta chuyển sang mô hình hóa thí nghiệm của Rutherford. Chúng ta sẽ nói về một mô hình cơ học trong đó các hạt α được thay thế bằng những quả bóng thép nhỏ. Các quả bóng truyền tốc độ theo hướng nằm ngang, lăn dọc theo một mặt phẳng nằm ngang, “leo lên” một ngọn đồi có hình dạng nhất định, sau đó lại lăn xuống từ đó trên mặt phẳng nằm ngang. Biên dạng của cầu trượt phải sao cho năng lượng tĩnh điện của các quả bóng thay đổi theo cùng một định luật như theo

*) Tiến hành tính toán của riêng bạn về độ lớn của điện tích dương tập trung trong một quả cầu có bán kính ~10⁻⁸ cm, có khả năng làm lệch các hạt α có năng lượng 5 MeV đi 180°.