Historique, description et conclusions de l'expérience de Rutherford

Il Expérience Rutherford, Entre 1908 et 1913, il consistait à bombarder une fine feuille d'or de 0.0004 mm d'épaisseur, avec des particules alpha et analyser le motif de dispersion que ces particules ont laissé sur un écran fluorescent.

En fait, Rutherford a mené de nombreuses expériences, affinant de plus en plus les détails. Après avoir soigneusement analysé les résultats, deux conclusions très importantes ont été révélées:

-La charge positive de l'atome est concentrée dans une région appelée cœur.

-Ce noyau atomique est incroyablement petit par rapport à la taille de l'atome.

Figure 1. L'expérience de Rutherford. Source: Wikimedia Commons. Kurzon [cc by-sa 3.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 3.0)]

Ernest Rutherford (1871-1937) était un physicien né en Nouvelle-Zélande, dont le domaine d'intérêt était la radioactivité et la nature de la matière. La radioactivité était un phénomène récent lorsque Rutherford a commencé ses expériences, il avait été découvert par Henri Becquerel en 1896.

En 1907, Rutherford a déménagé à l'Université de Manchester en Angleterre pour étudier la structure de l'atome, en utilisant ces particules alpha comme sondes pour examiner l'intérieur d'une telle structure aussi petite. Les physiciens Hans Geiger et Ernest Marsden l'ont accompagné dans la tâche.

Ils abritaient l'espoir de voir comment une particule alpha, qui est un atome d'hélium double ionisé, a interagi avec un atome d'or unique, pour s'assurer que toute déviation qu'elle avait expérimentée n'était due qu'à la force électrique.

Cependant, la plupart des particules alpha ont traversé la feuille d'or souffrant juste d'une petite déviation.

Ce fait était en accord total avec le modèle atomique de Thomson, cependant, à la surprise des chercheurs, un petit pourcentage de particules alpha a connu une déviation assez remarquable.

Et un pourcentage encore plus petit de particules est revenu, rebondissant complètement à l'envers. Pourquoi ces résultats inattendus étaient-ils?

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Description et conclusions de l'expérience

En fait, les particules alpha que Rutherford utilisaient comme sonde, sont des noyaux d'hélium, et à ce moment-là, il était connu que ces particules avaient une charge positive. Aujourd'hui, il est connu que les particules alpha sont composées de deux protons et deux neutrons.

Les particules alfa et bêta avaient été identifiées par Rutherford comme deux types de rayonnement différents de l'uranium. Les particules alpha, beaucoup plus massives que l'électron, ont une charge électrique positive, tandis que les particules bêta peuvent être des électrons ou des positrons.

Figure 2. Schéma détaillé de l'expérience Rutherford, Geiger et Marsden. Source: R. Chevalier. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.

La figure 2 montre un schéma simplifié de l'expérience. Le faisceau de particules alpha provient d'une source radioactive. Geiger et Marsden ont utilisé le gaz du radon comme émetteur.

Les blocs de plomb ont été utilisés pour diriger le rayonnement vers la feuille d'or et les empêcher de s'arrêter directement à l'écran fluorescent. Le plomb est un matériau qui absorbe le rayonnement.

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Ensuite, le faisceau dirigé ainsi, a été influencé sur une fine feuille d'or et la plupart des particules suivent leur chemin jusqu'à l'écran de sulfate de zinc fluorescent, où ils ont laissé une petite empreinte légère. Geiger était chargé de les compter un par un, bien qu'ils aient ensuite conçu un appareil qui l'a fait.

Le fait que certaines particules ont connu une petite déviation n'ont pas surpris Rutherford, Geiger et Marsden. Après tout, dans l'atome, il existe des charges positives et négatives qui exercent une résistance sur les particules alpha, mais comme l'atome est neutre, qu'ils savaient déjà, les écarts devraient être petits.

La surprise de l'expérience est que quelques particules positives ont été rebondies presque directement.

Conclusions

Environ 1 sur 8000 particules alpha a connu une déviation à des angles supérieurs à 90º. Peu, mais assez pour remettre en question certaines choses.

Le modèle atomique de Boga était celui de Thomson's Pudin, ancien professeur Rutherford au Cavendish Laboratory, mais il s'est demandé si l'idée d'un atome sans noyau et avec les électrons ancrés comme des raisins secs, il était correct.

Parce qu'il s'avère que cette grande déviation des particules alpha et le fait que quelques-uns sont capables de revenir, il ne peut être expliqué que si un atome a un petit noyau lourd et positif. Rutherford a supposé que seules les forces de l'attraction électrique et de la répulsion, comme indiqué par la loi de Coulomb, étaient responsables de toute déviation.

Lorsque certaines des particules alpha s'approchent directement du noyau et comme la force électrique varie avec le carré inverse de la distance, ils ressentent une répulsion qui leur provoque la dispersion d'un grand angle ou de l'écart vers l'arrière.

Pour s'assurer, Geiger et Marsden ont connu des bombardements de différents métaux, non seulement l'or, bien que ce métal soit le plus approprié pour leur malléabilité, pour créer des draps très fines.

Lors de l'obtention de résultats similaires, Rutherford a convaincu que la charge positive dans l'atome devrait être située dans le noyau, et non dispersée dans son volume entier, comme Thomson l'a postulé dans son modèle.

D'un autre côté, comme la grande majorité des particules alpha, cela s'est produit sans déviation, le noyau doit être très, très petit par rapport à la taille atomique. Cependant, ce noyau a dû concentrer la majeure partie de la masse de l'atome.

Influences dans le modèle d'atome

Les résultats ont été très surpris par Rutherford, qui a déclaré lors d'une conférence à Cambridge: «… C'est comme lorsque vous tirez une balle de canon à 15 pouces contre une feuille de papier de soie et que le projectile vous rebondit directement et vous frappe".

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Comme ces résultats ne pouvaient pas s'expliquer par le modèle atomique de Thomson, Rutherford a proposé que l'atome soit constitué par un noyau, très petit, très massif et chargé positivement. Les électrons sont restés décrivant des orbites autour d'eux, quel système miniature solaire.

figure 3. À gauche le modèle atomique de Rutherford et à droite le modèle de type bouddin de Thomson. Source: Wikimedia Commons. Image gauche: JCyMC90 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org / licences / by-sa / 4.0)]

Ceci est le modèle nucléaire de l'atome illustré à la figure 3 à gauche. Comme les électrons sont très, très petits aussi, il s'avère que l'atome est presque tout .. . vide! Par conséquent, la plupart des particules alpha traversent la feuille sans déviation.

Et l'analogie avec un système solaire miniature est très réussie. Le noyau atomique joue le rôle du soleil, contenant presque toute la masse plus la charge positive. Les électrons orbitent autour d'eux comme les planètes et portent la charge négative. L'ensemble est électriquement neutre.

À propos de la distribution des électrons dans l'atome, l'expérience de Rutherford n'a rien montré. On pourrait penser que les particules alpha auraient une certaine interaction avec elles, mais la masse d'électrons est trop petite et n'étaient pas en mesure de détourner de manière significative les particules.

Inconvénients dans le modèle Rutherford

Un problème avec ce modèle atomique était précisément le comportement des électrons.

Si ceux-ci n'étaient pas statiques, mais en orbite autour du noyau atomique dans les orbites circulaires ou elliptiques, dirigés par l'attraction électrique, ils finiraient par se précipiter vers le noyau.

En effet, les électrons accélérés perdent de l'énergie, et si cela se produit, ce serait l'effondrement de l'atome et de.

Heureusement, ce n'est pas ce qui se passe. Il y a une sorte de stabilité dynamique qui évite l'effondrement. Le prochain modèle atomique, après Rutherford, était celui de Bohr, qui a donné des réponses à la raison pour laquelle l'effondrement atomique ne se produit pas.

Le proton et le neutron

Rutherford a continué à faire des expériences de dispersion. Entre 1917 et 1918, lui et son assistant William Kay ont choisi de bombarder.

Il a été surpris à nouveau, lors de la détection des noyaux d'hydrogène. Il s'agit de l'équation de réaction, la première transmutation nucléaire artificielle n'a jamais été réalisée:

Eh bien, si les particules alpha sont des noyaux d'hélium, d'où peuvent provenir les noyaux d'hydrogène?

La réponse était: du même azote. Rutherford avait affecté à l'hydrogène atomique numéro 1, pour être l'élément le plus simple de tous: un noyau positif et un électron négatif.

Rutherford avait trouvé une particule fondamentale qu'il a appelée proton, un nom dérivé du mot grec à premier. De cette façon, le proton est un constituant essentiel de chaque noyau atomique.

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Plus tard, en 1920, Rutherford a proposé qu'il y ait une particule neutre et avec une masse très similaire à celle du proton. Il a appelé cette particule neutron et fait partie de presque tous les atomes connus. Le physicien James Chadwick l'a finalement identifié en 1932.

Comment est un modèle d'échelle de l'atome d'hydrogène?

L'atome d'hydrogène est, comme nous l'avons dit, le plus simple de tous. Cependant, il n'était pas facile d'élaborer un modèle pour cet atome.

Les découvertes successives ont donné naissance à la physique quantique et à toute une théorie qui décrit les phénomènes au niveau atomique. Au cours de ce processus, le modèle atomique a également évolué. Mais voyons un peu la question des tailles:

L'atome d'hydrogène a un noyau composé d'un proton (positif) et a un seul électron (négatif).

Le rayon de l'atome d'hydrogène a été estimé à 2.1 x 10^-dix m, tandis que le proton est 0.85 x 10 ^-quinze  m ou 0.85 seltomètres. Le nom de cette petite unité est dû à Enrico Fermi et est beaucoup utilisé lorsque vous travaillez sur cette échelle.

Eh bien, le quotient entre le rayon de l'atome et celui du noyau est de l'ordre de 10⁵ M, c'est-à-dire que l'atome est 100 000 fois plus grand que le noyau!.

Cependant, nous devons garder à l'esprit que dans le modèle contemporain, basé sur la mécanique quantique, l'électron implique le noyau dans une sorte de nuage appelé orbital (une orbitale n'est pas une orbite) et l'électron, à une échelle atomique, n'est pas ponctuel.

Si l'atome d'hydrogène est largement élargi - à la taille d'un terrain de football, alors le noyau composé d'un proton positif serait la taille d'une fourmi au centre du champ, tandis que l'électron négatif serait comme une sorte de fantôme, dispersé sur tout le champ et entourant le noyau positif.

Le modèle atomique aujourd'hui

Ce modèle atomique "planétaire" est très enraciné et est l'image que la plupart des gens ont de l'atome, car il est très facile de visualiser. Cependant, ce n'est pas Le modèle accepté aujourd'hui dans le domaine scientifique.

Les modèles atomiques contemporains sont basés sur la mécanique quantique. Elle souligne que l'électron dans l'atome n'est pas un petit point avec une charge négative qui suit des orbites précises, comme celles imaginées par Rutherford.

Au contraire, l'électron est dispersé Dans les zones, autour du noyau positif, appelé orbitales atomiques. De lui, nous pouvons savoir probabilité se rencontrer dans un état ou un autre.

Malgré cela, le modèle de Rutherford signifiait une énorme progression dans la connaissance de la structure intérieure de l'atome. Et ils ont permis de faire la voie à plus de chercheurs pour continuer à le perfectionner.

Les références

1. Andriessen, M. 2001. Cours HSC. Physique 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, g. 1984. Physique universitaire. Presse universitaire.
3. Chevalier, r. 2017. Physique pour les scientifiques et l'ingénierie: une approche stratégique. Pearson.
4. Physique OpenLab. L'expérience de Rutherford-Geiger-Marsden. Récupéré de: PhysicsOpenLab.org.
5. Rex, un. 2011. Fondamentaux de la physique. Pearson.
6. Tyson, t. 2013. L'expérience de diffusion de Rutherford. Récupéré de: 122.La physique.Ucdavis.Édu.
7. Xaktly. Expériences de Rutherford. Récupéré de: xaktly.com.
8. Wikipédia. Expérience Rutherford. Récupéré de: c'est.Wikipédia.org.