- คำอธิบายและข้อสรุปของการทดลอง
- สรุปผลการวิจัย
- อิทธิพลต่อแบบจำลองของอะตอม
- ข้อเสียของแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด
- โปรตอนและนิวตรอน
- แบบจำลองขนาดของอะตอมไฮโดรเจนมีลักษณะอย่างไร?
- แบบจำลองอะตอมในปัจจุบัน
- อ้างอิง
การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดซึ่งดำเนินการระหว่างปี 2451 ถึง 2456 ประกอบด้วยการระเบิดฟิล์มทองคำบาง ๆ หนา. 0004 มม. พร้อมอนุภาคอัลฟาและวิเคราะห์รูปแบบการกระจายตัวของอนุภาคดังกล่าวที่ทิ้งไว้บนหน้าจอเรืองแสง
ในความเป็นจริงรัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองหลายครั้งโดยปรับแต่งรายละเอียดมากขึ้นเรื่อย ๆ หลังจากวิเคราะห์ผลลัพธ์อย่างรอบคอบแล้วก็ได้ข้อสรุปที่สำคัญสองประการ:
- ประจุบวกของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในบริเวณที่เรียกว่านิวเคลียส
- นิวเคลียสของอะตอมนี้มีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดของอะตอม
รูปที่ 1. การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ที่มา: Wikimedia Commons Kurzon
เออร์เนสต์รัทเทอร์ฟอร์ด (1871-1937) เป็นนักฟิสิกส์ที่เกิดในนิวซีแลนด์ซึ่งมีสาขาที่น่าสนใจคือกัมมันตภาพรังสีและธรรมชาติของสสาร กัมมันตภาพรังสีเป็นปรากฏการณ์ล่าสุดเมื่อรัทเทอร์ฟอร์ดเริ่มการทดลองของเขา Henri Becquerel ค้นพบในปี พ.ศ. 2439
ในปี 1907 รัทเทอร์ฟอร์ดย้ายไปที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในอังกฤษเพื่อศึกษาโครงสร้างของอะตอมโดยใช้อนุภาคแอลฟาเหล่านี้เป็นโพรบเพื่อดูโครงสร้างเล็ก ๆ ดังกล่าว นักฟิสิกส์ฮันส์ไกเกอร์และเออร์เนสต์มาร์สเดนร่วมกับเขาในภารกิจนี้
พวกเขาหวังว่าจะได้เห็นว่าอนุภาคแอลฟาซึ่งเป็นอะตอมของฮีเลียมที่แตกตัวเป็นไอออนสองเท่าจะทำปฏิกิริยากับอะตอมทองคำเดี่ยวได้อย่างไรเพื่อให้แน่ใจว่าการเบี่ยงเบนใด ๆ ที่เกิดขึ้นนั้นเกิดจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่านั้น
อย่างไรก็ตามอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านฟอยล์สีทองโดยมีการเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย
ข้อเท็จจริงนี้เป็นไปตามข้อตกลงอย่างสมบูรณ์กับแบบจำลองอะตอมของทอมสันอย่างไรก็ตามด้วยความประหลาดใจของนักวิจัยอนุภาคแอลฟาจำนวนเล็กน้อยพบว่ามีการเบี่ยงเบนที่ค่อนข้างโดดเด่น
และอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าก็จะกลับมาและตีกลับอย่างสมบูรณ์ ผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดเหล่านี้เกิดจากอะไร?
คำอธิบายและข้อสรุปของการทดลอง
ในความเป็นจริงอนุภาคแอลฟาที่รัทเทอร์ฟอร์ดใช้เป็นหัววัดคือนิวเคลียสของฮีเลียมและในเวลานั้นทราบเพียงว่าอนุภาคเหล่านี้มีประจุบวก ทุกวันนี้เป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคแอลฟาประกอบด้วยโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว
อนุภาคอัลฟาและอนุภาคบีตาถูกระบุโดยรัทเทอร์ฟอร์ดว่าเป็นรังสีสองชนิดที่แตกต่างกันจากยูเรเนียม อนุภาคอัลฟ่าซึ่งมีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนมากมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกในขณะที่อนุภาคบีตาอาจเป็นอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอน
รูปที่ 2 โครงร่างโดยละเอียดของการทดลอง Rutherford, Geiger และ Marsden ที่มา: R. Knight. ฟิสิกส์สำหรับนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม: แนวทางกลยุทธ์ เพียร์สัน
รูปแบบที่เรียบง่ายของการทดลองแสดงในรูปที่ 2 ลำแสงอนุภาคแอลฟามาจากแหล่งกัมมันตภาพรังสี ไกเกอร์และมาร์สเดนใช้ก๊าซเรดอนเป็นตัวปล่อย
บล็อกตะกั่วถูกใช้เพื่อกำหนดทิศทางรังสีไปยังฟอยล์สีทองและป้องกันไม่ให้ไปที่หน้าจอเรืองแสงโดยตรง ตะกั่วเป็นวัสดุที่ดูดซับรังสี
ต่อจากนั้นลำแสงจึงพุ่งตรงไปยังแผ่นฟอยล์สีทองบาง ๆ และอนุภาคส่วนใหญ่จะเดินทางต่อไปยังหน้าจอสังกะสีซัลเฟตเรืองแสงซึ่งพวกมันทิ้งร่องรอยแสงเล็ก ๆ ไว้ Geiger รับผิดชอบในการนับพวกมันทีละคนแม้ว่าพวกเขาจะออกแบบอุปกรณ์ที่ทำได้ในภายหลัง
ความจริงที่ว่าอนุภาคบางตัวได้รับการเบี่ยงเบนเล็กน้อยไม่ได้ทำให้รัทเทอร์ฟอร์ด, ไกเกอร์และมาร์สเดนประหลาดใจ ท้ายที่สุดมีประจุบวกและลบในอะตอมที่ออกแรงต่ออนุภาคแอลฟา แต่เนื่องจากอะตอมเป็นกลางซึ่งพวกเขารู้อยู่แล้วการเบี่ยงเบนจึงต้องมีค่าน้อย
สิ่งที่น่าประหลาดใจของการทดลองคืออนุภาคบวกสองสามตัวถูกตีกลับเกือบจะย้อนกลับโดยตรง
สรุปผลการวิจัย
อนุภาคแอลฟาประมาณ 1 ใน 8000 มีการโก่งตัวที่มุมมากกว่า90º ไม่กี่ แต่ก็เพียงพอที่จะตั้งคำถามกับบางสิ่ง
แบบจำลองอะตอมในสมัยคือพุดดิ้งลูกเกดโดย Thomson อดีตศาสตราจารย์ของ Rutherford ที่ Cavendish Laboratory แต่รัทเทอร์ฟอร์ดสงสัยว่าแนวคิดของอะตอมที่ไม่มีนิวเคลียสและมีอิเล็กตรอนฝังอยู่ในลูกเกดนั้นถูกต้องหรือไม่
เนื่องจากปรากฎว่าอนุภาคแอลฟาเบี่ยงเบนขนาดใหญ่เหล่านี้และความจริงที่ว่ามีเพียงไม่กี่ตัวที่สามารถย้อนกลับได้จึงสามารถอธิบายได้ก็ต่อเมื่ออะตอมมีนิวเคลียสที่มีขนาดเล็กหนักและเป็นบวกเท่านั้น รัทเทอร์ฟอร์ดสันนิษฐานว่ามีเพียงกองกำลังที่ดึงดูดและน่ารังเกียจทางไฟฟ้าตามที่ระบุไว้ในกฎของคูลอมบ์เท่านั้นที่ต้องรับผิดชอบต่อการเบี่ยงเบนใด ๆ
เมื่ออนุภาคแอลฟาบางส่วนเข้าใกล้นิวเคลียสนี้โดยตรงและเนื่องจากแรงเคลื่อนไฟฟ้าแปรผันตามกำลังสองของระยะผกผันจึงรู้สึกได้ถึงแรงผลักที่ทำให้เกิดการกระเจิงในมุมกว้างหรือการโก่งตัวไปด้านหลัง
เพื่อให้แน่ใจว่าไกเกอร์และมาร์สเดนได้ทดลองใช้แผ่นโลหะที่แตกต่างกันโดยทิ้งระเบิดไม่ใช่แค่ทองแม้ว่าโลหะชนิดนี้จะเหมาะสมที่สุดสำหรับความสามารถในการอ่อนตัว แต่ก็สามารถสร้างแผ่นที่บางมากได้
จากการได้รับผลลัพธ์ที่คล้ายกันรัทเทอร์ฟอร์ดเชื่อมั่นว่าประจุบวกบนอะตอมควรอยู่ในนิวเคลียสและไม่กระจายไปทั่วปริมาตรดังที่ทอมสันตั้งสมมติฐานไว้ในแบบจำลองของเขา
ในทางกลับกันเนื่องจากอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านไปโดยไม่มีการเบี่ยงเบนนิวเคลียสจึงต้องมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับขนาดอะตอม อย่างไรก็ตามนิวเคลียสนี้ต้องรวมมวลส่วนใหญ่ของอะตอม
อิทธิพลต่อแบบจำลองของอะตอม
ผลลัพธ์ที่ได้สร้างความประหลาดใจให้กับรัทเทอร์ฟอร์ดผู้ประกาศในการประชุมที่เคมบริดจ์:“ …มันเหมือนกับตอนที่คุณยิงลูกกระสุนปืนใหญ่ 15 นิ้วใส่กระดาษทิชชู่และกระสุนปืนจะกระเด้งเข้าหาคุณโดยตรงและโดนคุณ”
เนื่องจากผลลัพธ์เหล่านี้ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยแบบจำลองอะตอมของทอมสันรัทเทอร์ฟอร์ดจึงเสนอว่าอะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสมีขนาดเล็กมากมีมวลมากและมีประจุบวก อิเล็กตรอนยังคงโคจรอยู่รอบตัวเขาเช่นระบบสุริยะขนาดเล็ก
รูปที่ 3 แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดทางด้านซ้ายและแบบจำลองพุดดิ้งลูกเกดของทอมสันทางด้านขวา ที่มา: Wikimedia Commons ภาพซ้าย: Jcymc90
นี่คือสิ่งที่แบบจำลองนิวเคลียร์ของอะตอมที่แสดงในรูปที่ 3 ทางด้านซ้ายเป็นข้อมูลเกี่ยวกับ เนื่องจากอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมากเช่นกันปรากฎว่าอะตอมเป็นเกือบทุกอย่าง…. ว่างเปล่า! ดังนั้นอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านแผ่นแทบจะไม่หักเห
และการเปรียบเทียบกับระบบสุริยะขนาดเล็กนั้นแม่นยำมาก นิวเคลียสของอะตอมมีบทบาทเป็นดวงอาทิตย์ซึ่งประกอบด้วยมวลเกือบทั้งหมดบวกกับประจุบวก อิเล็กตรอนโคจรรอบตัวพวกมันเหมือนดาวเคราะห์และมีประจุลบ ชุดประกอบเป็นกลางทางไฟฟ้า
เกี่ยวกับการกระจายของอิเล็กตรอนในอะตอมการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดไม่พบอะไรเลย คุณอาจคิดว่าอนุภาคแอลฟาจะมีปฏิสัมพันธ์กับพวกมัน แต่มวลของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กเกินไปและไม่สามารถเบี่ยงเบนอนุภาคได้อย่างมีนัยสำคัญ
ข้อเสียของแบบจำลองรัทเทอร์ฟอร์ด
ปัญหาอย่างหนึ่งของแบบจำลองอะตอมนี้คือพฤติกรรมของอิเล็กตรอนอย่างแม่นยำ
ถ้าสิ่งเหล่านี้ไม่คงที่ แต่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมในวงโคจรวงกลมหรือวงรีซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงดึงดูดทางไฟฟ้าพวกมันจะพุ่งเข้าหานิวเคลียส
เนื่องจากอิเล็กตรอนที่ถูกเร่งจะสูญเสียพลังงานและหากเป็นเช่นนั้นก็จะเป็นการยุบตัวของอะตอมและสสาร
โชคดีที่นี่ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้น มีเสถียรภาพแบบไดนามิกชนิดหนึ่งที่ป้องกันการล่มสลาย แบบจำลองอะตอมต่อไปหลังจากรัทเทอร์ฟอร์ดเป็นของบอร์ซึ่งให้คำตอบว่าเหตุใดจึงไม่เกิดการยุบตัวของอะตอม
โปรตอนและนิวตรอน
รัทเทอร์ฟอร์ดยังคงทำการทดลองแบบกระจาย ระหว่างปีพ. ศ. 2460 ถึง พ.ศ. 2461 เขาและวิลเลียมเคย์ผู้ช่วยของเขาเลือกที่จะทิ้งระเบิดอะตอมไนโตรเจนด้วยอนุภาคอัลฟาที่มีพลังสูงจากบิสมัท -214
เขาประหลาดใจอีกครั้งเมื่อตรวจพบนิวเคลียสของไฮโดรเจน นี่คือสมการของปฏิกิริยาซึ่งเป็นการเปลี่ยนรูปนิวเคลียร์เทียมครั้งแรกที่เคยทำได้:
คำตอบคือ: จากไนโตรเจนเดียวกัน รัทเทอร์ฟอร์ดได้กำหนดเลขอะตอม 1 ให้กับไฮโดรเจนเนื่องจากเป็นองค์ประกอบที่ง่ายที่สุดของทั้งหมด: นิวเคลียสบวกและอิเล็กตรอนที่เป็นลบ
รัทเทอร์ฟอร์ดได้พบอนุภาคพื้นฐานที่เขาตั้งชื่อโปรตอนซึ่งเป็นชื่อที่มาจากคำภาษากรีกเป็นอันดับแรก ด้วยวิธีนี้โปรตอนจึงเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของนิวเคลียสทุกอะตอม
ต่อมาประมาณปี 1920 รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่าจะต้องมีอนุภาคเป็นกลางที่มีมวลใกล้เคียงกับโปรตอนมาก เขาเรียกอนุภาคนี้ว่านิวตรอนและเป็นส่วนหนึ่งของอะตอมที่รู้จักกันเกือบทั้งหมด ในที่สุด James Chadwick นักฟิสิกส์ก็ระบุได้ในปีพ. ศ. 2475
แบบจำลองขนาดของอะตอมไฮโดรเจนมีลักษณะอย่างไร?
อะตอมของไฮโดรเจนเป็นอย่างที่เราได้กล่าวไปแล้วว่าเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุด อย่างไรก็ตามการพัฒนาแบบจำลองสำหรับอะตอมนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย
การค้นพบต่อเนื่องก่อให้เกิดฟิสิกส์ควอนตัมและทฤษฎีทั้งหมดที่อธิบายปรากฏการณ์ในระดับอะตอม ในระหว่างกระบวนการนี้แบบจำลองอะตอมก็พัฒนาขึ้นด้วย แต่ลองดูคำถามเกี่ยวกับขนาด:
อะตอมของไฮโดรเจนมีนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว (บวก) และมีอิเล็กตรอนตัวเดียว (ลบ)
รัศมีของอะตอมไฮโดรเจนอยู่ที่ประมาณ 2.1 x 10 -10ม. ในขณะที่โปรตอนเท่ากับ 0.85 x 10 -15ม. หรือ 0.85 เฟมโตมิเตอร์ ชื่อของหน่วยขนาดเล็กนี้เกิดจาก Enrico Fermi และใช้กันมากเมื่อทำงานในระดับนี้
ผลหารระหว่างรัศมีของอะตอมและนิวเคลียสมีค่าเท่ากับ 10 5ม. นั่นคืออะตอมมีขนาดใหญ่กว่านิวเคลียส 100,000 เท่า!
อย่างไรก็ตามต้องระลึกไว้เสมอว่าในแบบจำลองร่วมสมัยตามกลศาสตร์ควอนตัมอิเล็กตรอนจะห่อหุ้มนิวเคลียสไว้ในกลุ่มเมฆที่เรียกว่าออร์บิทัล (ออร์บิทัลไม่ใช่วงโคจร) และอิเล็กตรอนในระดับอะตอมไม่ใช่ ตรงเวลา
ถ้าอะตอมของไฮโดรเจนถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นโดยจินตนาการให้เท่ากับขนาดของสนามฟุตบอลนิวเคลียสที่ประกอบด้วยโปรตอนบวกจะมีขนาดเท่ากับมดที่อยู่ตรงกลางสนามในขณะที่อิเล็กตรอนเชิงลบจะเป็นเหมือนผีชนิดหนึ่ง กระจัดกระจายไปทั่วสนามและรอบ ๆ แกนบวก
แบบจำลองอะตอมในปัจจุบัน
แบบจำลองอะตอม "ประเภทดาวเคราะห์" นี้ฝังแน่นมากและเป็นภาพที่คนส่วนใหญ่มีต่ออะตอมเนื่องจากเห็นภาพได้ง่ายมาก อย่างไรก็ตามปัจจุบันยังไม่ได้รับการยอมรับในรูปแบบทางวิทยาศาสตร์
แบบจำลองอะตอมร่วมสมัยขึ้นอยู่กับกลศาสตร์ควอนตัม เธอชี้ให้เห็นว่าอิเล็กตรอนในอะตอมไม่ใช่จุดที่มีประจุลบซึ่งติดตามวงโคจรที่แม่นยำดังที่รัทเทอร์ฟอร์ดวาดไว้
แต่อิเล็กตรอนกระจัดกระจายอยู่ในบริเวณรอบนิวเคลียสบวกเรียกว่าออร์บิทัลอะตอม จากเขาเราสามารถทราบความน่าจะเป็นที่จะอยู่ในสถานะหนึ่งหรืออีกสถานะหนึ่ง
อย่างไรก็ตามเรื่องนี้แบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าอย่างมากในความรู้เกี่ยวกับโครงสร้างภายในของอะตอม และเป็นการปูทางให้นักวิจัยจำนวนมากขึ้นเพื่อปรับแต่งต่อไป
อ้างอิง
- Andriessen, M. 2001. HSC Course. ฟิสิกส์ 2. Jacaranda HSC Science.
- Arfken, G. 1984. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัย. สำนักพิมพ์วิชาการ.
- Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
- OpenLab ฟิสิกส์ การทดลอง Rutherford-Geiger-Marsden สืบค้นจาก: Physicsopenlab.org.
- Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน
- Tyson, T. 2013. การทดลองการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด. สืบค้นจาก: 122.physics.ucdavis.edu.
- Xaktly การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด สืบค้นจาก: xaktly.com.
- วิกิพีเดีย การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด สืบค้นจาก: es.wikipedia.org.