Experiment de Rutherford

De Viquipèdia

Segons Thomson les partícules alfa travessarien la làmina metàl·lica sense desviar-se gaire, però Rutherford va comprovar que algunes es desviaven molt, i d'altres fins i tot rebotaven

L’experiment de Rutherford, anomenat també “experiment de la làmina d’or”, va ser realitzat per Hans Geiger y Ernest Marsden (un estudiant de 20 anys), sota la direcció d’Ernest Rutherford en els Laboratoris de Física de la Universitat de Manchester durant la primera dècada del segle XX i donat a conèixer el 1911. Els resultats obtinguts i el posterior anàlisis van tenir com a conseqüència la rectificació d’un model nuclear per a l’àtom vigent fins aquell moment, el model de Thomson.

[edita] Antecedents

Rutherford havia comprovat anteriorment que alguns elements radiactius –és a dir, elements els nuclis dels quals són inestables- com l’urani, es descomposaven amb emissió de partícules carregades positivament, que ell va anomenar partícules alfa (α), i de radiació electromagnètica, o raigs gamma (γ). Més tard va demostrar que les partícules alfa eren nuclis d’àtoms d’heli. Aquestes partícules són emeses pels nuclis inestables amb velocitats molt elevades (≈10⁷ m/s). Poden recórrer varis centímetres de distància a través de l’aire o, aproximadament, 0,1 mm a través d’un sòlid abans de ser aturades per les col·lisions amb els àtoms. També poden travessar làmines molt primes de metall però quan ho fan poden desviar-se de la trajectòria original, és a dir, ser dispersades. L’interès de Rutherford es va centrar en extreure informació referent a l’estructura dels àtoms a partir d’aquesta dispersió de partícules alfa.

[edita] L'experiment

L’experiment va consistir en “bombardejar” amb partícules alfa una làmina fina de metall, i observar com les làmines de diferents metalls afectaven a la trajectòria d’aquests raigs.

Les partícules alfa s’obtenien de la desintegració d’una substància radiactiva, el poloni. Per obtenir un raig fi es va col·locar el poloni en una caixa de plom, el plom absorbia totes les partícules, excepte les que soertien per un petit orifici fet a la caixa. Perpendicular a la trajectòria del raig hi havia la làmina de metall. I, per a la detecció de la trajectòria de les partícules, s’utilitzà una pantalla amb sulfur de zinc que produeix petites espurnes cada vegada que una partícula alfa xoca amb ell.

Segons el model de Thomson, les partícules alfa travessarien la làmina metàl·lica sense desviar-se gaire de la seva trajectòria:

La càrrega positiva i els electrons de l’àtom es trobaven dispersos de forma homogènia en tot el volum de l’àtom. Com que les partícules alfa posseixen una gran massa (8 000 vegades major que la de l’electró) i una gran velocitat (uns 20 000 km/s), les forces elèctriques serien molt dèbils i insuficients per desviar les partícules alfa.
A més, per travessar la làmina de metall, aquestes partícules es trobarien amb molts àtoms, que anirien compensant les desviacions cap a diferents direccions. Per tant, segons el model de Thomson no calia esperar massa dispersió.

Observaren que la majoria de les partícules alfa travessaven la làmina de metall sense experimentar pràcticament cap desviació de la trajectòria. Però una certa fracció era desviada molt apreciablement (els angles de dispersió eren grans) i algunes fins i tot rebotaven i tornaven cap a la font. El resultat era sorprenent i Rutherford destacà: “el que succeïa era el més increïble... Era tan sorprenent com disparar bales de canó a una tela i que rebotàssin cap a tu”.

[edita] El model atòmic de Rutherford

Model atòmic segons Rutherford

La conclusió final, i inesperada, de Rutherford va ser que casi tota la massa i tota la càrrega positiva de l’àtom està concentrada en un volum molt petit situat al centre de l’àtom. Rutherford va denominar “nucli” a aquest constituent de l’àtom. Doncs, si això és així, la major part del volum ocupat per un àtom està “ple” només d’electrons, la majoria de les partícules alfa passen a través d’aquest espai sense experimentar cap desviació. Només quan alguna partícula alfa passa molt prop del nucli de l’àtom, pesat i carregat positivament, experimenta una desviació important. La petita fracció de partícules que choca més o menys directament amb el nucli és la que rebota i inverteix el sentit de la trajectòria.

El model de Rutherford mantenia el plantejament de Thomson, de que els àtoms poseeixen electrons, però la seva explicació sostenia que tot àtom estava format per un nucli i una escorça. El nucli devia tenir la càrrega positiva, un radi molt petit i en el que es concentrava gairebé tota la matèria de l’àtom. L’escorça estaria formada per un núvol d’electrons que orbiten al voltant del nucli.

Segons Rutherford, les òrbites dels electrons no estaven molt ben definides i formaven una estructura complexa al voltant del nucli, donant-li un tamany i forma indefinida. També va calcular que el radi de l’àtom, segons els resultats de l’experiment, era deu mil vegades major que el mateix nucli, la qual cosa implicava un gran espai buit en l’àtom.