แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด: ประวัติศาสตร์การทดลองสมมุติฐาน - กายภาพ - 2026

Rutherford แบบจำลองอะตอมคือคำอธิบายของอะตอมที่สร้างขึ้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ Ernest Rutherford (1871-1937) ค้นพบในปี 1911 เมื่อนิวเคลียสของอะตอมโดยการทดลองการกระเจิงที่มีชื่อเสียงที่ใช้ชื่อของพวกเขา

ความคิดเกี่ยวกับอะตอม ("แบ่งแยกไม่ได้" ในภาษากรีก) ในฐานะองค์ประกอบที่เล็กที่สุดของสสารเป็นการสร้างสรรค์ทางปัญญาที่เกิดในกรีกโบราณประมาณ 300 ปีก่อนคริสตกาลเช่นเดียวกับแนวคิดอื่น ๆ ของกรีกแนวคิดของอะตอมได้รับการพัฒนาบนพื้นฐานของ ตรรกะและการโต้แย้ง แต่ไม่ใช่การทดลอง

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

นักปรัชญาปรมาณูที่มีชื่อเสียงที่สุด ได้แก่ Democritus of Abdera (460-360 ปีก่อนคริสตกาล), Epicurus of Samos (341 - 270 ปีก่อนคริสตกาล) และ Titus Lucretius (98-54 ปีก่อนคริสตกาล) ชาวกรีกได้กำเนิดอะตอมขึ้นมา 4 ชนิดซึ่งสอดคล้องกับธาตุทั้งสี่ซึ่งประกอบกันเป็นสสาร ได้แก่ อากาศน้ำดินและไฟ

ต่อมาอริสโตเติลจะเพิ่มองค์ประกอบที่ห้า: อีเธอร์ที่ก่อตัวเป็นดวงดาวเนื่องจากองค์ประกอบอีกสี่อย่างเป็นพื้นโลกล้วนๆ

การพิชิตของอเล็กซานเดอร์มหาราชซึ่งอริสโตเติลเป็นครูได้ขยายความเชื่อของเขาไปทั่วโลกโบราณจากสเปนไปจนถึงอินเดียและด้วยเหตุนี้ความคิดเกี่ยวกับอะตอมจึงสร้างสถานที่ของตัวเองในโลกแห่งวิทยาศาสตร์เป็นเวลาหลายศตวรรษ

อะตอมไม่สามารถแบ่งแยกได้อีกต่อไป

ความคิดของนักปรัชญาชาวกรีกเกี่ยวกับโครงสร้างของสสารเป็นจริงมานานหลายร้อยปีจนกระทั่งนักเคมีชาวอังกฤษและครูในโรงเรียนชื่อจอห์นดาลตัน (1776-1844) ได้ตีพิมพ์ผลการทดลองของเขาในปี 1808

ดาลตันเห็นพ้องกันว่าองค์ประกอบประกอบด้วยอนุภาคขนาดเล็กมากเรียกว่าอะตอม แต่เขาไปไกลกว่านั้นโดยระบุว่าอะตอมทั้งหมดของธาตุเดียวกันมีขนาดเท่ากันมวลเท่ากันและคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกันซึ่งทำให้อะตอมเหล่านี้ไม่เปลี่ยนแปลงในระหว่างปฏิกิริยาเคมี

นี่คือแบบจำลองอะตอมตามหลักวิทยาศาสตร์เป็นครั้งแรก เช่นเดียวกับชาวกรีก Dalton ยังคงมองว่าอะตอมนั้นแบ่งแยกไม่ได้ดังนั้นจึงขาดโครงสร้าง อย่างไรก็ตามความเป็นอัจฉริยะของ Dalton ทำให้เขาสังเกตเห็นหลักการอนุรักษ์ที่ยิ่งใหญ่ประการหนึ่งของฟิสิกส์:

• ในปฏิกิริยาเคมีอะตอมจะไม่ถูกสร้างหรือทำลาย แต่จะเปลี่ยนการกระจายเท่านั้น

และเขาได้กำหนดวิธีการสร้างสารประกอบทางเคมีโดย "อะตอมของสารประกอบ" (โมเลกุล):

• เมื่ออะตอมของธาตุที่แตกต่างกันสองอะตอมขึ้นไปรวมกันเป็นสารประกอบเดียวกันพวกมันจะทำในสัดส่วนมวลที่กำหนดและคงที่เสมอ

ศตวรรษที่ 19 เป็นศตวรรษที่ยิ่งใหญ่ของไฟฟ้าและแม่เหล็ก ไม่กี่ปีหลังจากการตีพิมพ์ของ Dalton ผลการทดลองบางอย่างสร้างความสงสัยให้กับนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการแบ่งแยกไม่ได้ของอะตอม

หลอด Crookes

ท่อ Crookes เป็นอุปกรณ์ที่ออกแบบโดยนักเคมีและนักอุตุนิยมวิทยาชาวอังกฤษ William Crookes (1832-1919) การทดลองที่ Crookes ดำเนินการในปีพ. ศ. 2418 ประกอบด้วยการวางภายในท่อที่เต็มไปด้วยก๊าซที่ความดันต่ำขั้วไฟฟ้าสองขั้วหนึ่งเรียกว่าแคโทดและอีกขั้วหนึ่งเรียกว่าขั้วบวก

ด้วยการสร้างความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสองทำให้ก๊าซเรืองแสงมีสีตามลักษณะของก๊าซที่ใช้ ข้อเท็จจริงนี้ชี้ให้เห็นว่ามีองค์กรบางอย่างภายในอะตอมดังนั้นจึงไม่สามารถแบ่งแยกได้

ยิ่งไปกว่านั้นการแผ่รังสีนี้ยังก่อให้เกิดการเรืองแสงที่อ่อนแอบนผนังของหลอดแก้วที่ด้านหน้าของแคโทดซึ่งจะตัดเงาของเครื่องหมายรูปกากบาทที่อยู่ภายในท่อออก

มันเป็นรังสีลึกลับที่เรียกว่า "รังสีแคโทด" ซึ่งเดินทางเป็นเส้นตรงไปยังขั้วบวกและมีพลังสูงสามารถสร้างเอฟเฟกต์เชิงกลและเบี่ยงเบนไปยังจานที่มีประจุบวกหรือผ่านแม่เหล็ก

การค้นพบอิเล็กตรอน

รังสีภายในหลอด Crookes ไม่สามารถเป็นคลื่นได้เนื่องจากมีประจุลบ โจเซฟจอห์นทอมสัน (1856-1940) ได้คำตอบในปี 2430 เมื่อเขาพบความสัมพันธ์ระหว่างประจุและมวลของรังสีนี้และพบว่ามันเหมือนกันเสมอคือ 1.76 x 10 ¹¹ C / Kg. โดยไม่คำนึงถึงก๊าซ ติดอยู่ในท่อหรือวัสดุที่ใช้ทำแคโทด

ทอมสันเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า corpuscles จากการวัดมวลของมันโดยสัมพันธ์กับประจุไฟฟ้าเขาสรุปได้ว่าแต่ละคอร์พัสเคิลมีขนาดเล็กกว่าอะตอมอย่างมาก ดังนั้นเขาจึงแนะนำว่าพวกเขาควรเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งเหล่านี้จึงค้นพบอิเล็กตรอน

นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษเป็นคนแรกที่ร่างแบบจำลองกราฟิกของอะตอมโดยการวาดทรงกลมที่มีจุดแทรกซึ่งเนื่องจากรูปร่างของมันจึงได้รับฉายาว่า "พุดดิ้งพลัม" แต่การค้นพบนี้ทำให้เกิดคำถามอื่น ๆ :

• ถ้าสสารเป็นกลางและอิเล็กตรอนมีประจุลบ: ที่ใดในอะตอมคือประจุบวกที่ทำให้อิเล็กตรอนเป็นกลาง
• ถ้ามวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่าอะตอมส่วนที่เหลือของอะตอมประกอบด้วยอะไร?
• เหตุใดอนุภาคจึงได้รับอิเล็กตรอนเสมอและไม่เคยเป็นชนิดอื่น

การทดลองการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด: นิวเคลียสของอะตอมและโปรตอน

ในปีพ. ศ. 2441 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ระบุรังสีสองชนิดจากยูเรเนียมซึ่งเขาตั้งชื่อว่าอัลฟาและเบต้า

Marie Curie ได้ค้นพบกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติแล้วในปี พ.ศ. 2439 อนุภาคอัลฟ่ามีประจุบวกและเป็นเพียงนิวเคลียสของฮีเลียม แต่ในเวลานั้นยังไม่ทราบแนวคิดเรื่องนิวเคลียส รัทเทอร์ฟอร์ดกำลังจะค้นพบ

หนึ่งในการทดลองที่รัทเทอร์ฟอร์ดดำเนินการในปี 2454 ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์โดยได้รับความช่วยเหลือจากฮันส์ไกเกอร์ประกอบด้วยการทิ้งฟอยล์สีทองชั้นดีด้วยอนุภาคอัลฟาซึ่งมีประจุเป็นบวก รอบ ๆ แผ่นฟอยล์สีทองเขาวางหน้าจอเรืองแสงเพื่อให้พวกเขาเห็นภาพผลกระทบของการทิ้งระเบิด

ข้อสังเกต

การศึกษาผลกระทบที่มีต่อหน้าจอเรืองแสงรัทเทอร์ฟอร์ดและผู้ช่วยของเขาสังเกตว่า:

1. เปอร์เซ็นต์ที่สูงมากของอนุภาคแอลฟาผ่านแผ่นงานโดยไม่มีการเบี่ยงเบนที่สังเกตเห็นได้
2. บางส่วนเบี่ยงเบนไปในมุมที่ค่อนข้างชัน
3. และมีน้อยมากที่ตีกลับตลอดทาง

รัทเทอร์ฟอร์ดกระจายการทดลอง ที่มา:.

ข้อสังเกตที่ 2 และ 3 ทำให้นักวิจัยประหลาดใจและทำให้พวกเขาสันนิษฐานว่าสิ่งที่รับผิดชอบในการกระเจิงของรังสีต้องมีประจุบวกและโดยอาศัยการสังเกตหมายเลข 1 ผู้รับผิดชอบนั้นมีขนาดเล็กกว่าอนุภาคแอลฟามาก .

รัทเทอร์ฟอร์ดเองก็พูดถึงเรื่องนี้ว่า "… ราวกับว่าคุณยิงกระสุนปืนขนาด 15 นิ้วใส่กระดาษแล้วกระสุนปืนก็เด้งกลับมาโดนคุณ" สิ่งนี้ไม่สามารถอธิบายได้อย่างแน่นอนโดยแบบจำลองของทอมป์สัน

การวิเคราะห์ผลลัพธ์ของเขาจากมุมมองแบบคลาสสิกรัทเทอร์ฟอร์ดได้ค้นพบการมีอยู่ของนิวเคลียสของอะตอมซึ่งประจุบวกของอะตอมมีความเข้มข้นซึ่งทำให้เกิดความเป็นกลาง

รัทเทอร์ฟอร์ดยังคงทำการทดลองแบบกระจัดกระจาย ภายในปี 1918 เป้าหมายใหม่สำหรับอนุภาคแอลฟาคืออะตอมของก๊าซไนโตรเจน

ด้วยวิธีนี้เขาตรวจพบนิวเคลียสของไฮโดรเจนและรู้ได้ทันทีว่าที่เดียวที่นิวเคลียสเหล่านี้จะมาจากไนโตรเจนเอง เป็นไปได้อย่างไรที่นิวเคลียสของไฮโดรเจนเป็นส่วนหนึ่งของไนโตรเจน?

จากนั้นรัทเทอร์ฟอร์ดเสนอว่านิวเคลียสของไฮโดรเจนซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ได้รับการกำหนดเลขอะตอม 1 แล้วจะต้องเป็นอนุภาคพื้นฐาน เขาเรียกมันว่าโปรตอนซึ่งเป็นคำภาษากรีกมาก่อน ดังนั้นการค้นพบนิวเคลียสของอะตอมและโปรตอนจึงเกิดจากนิวซีแลนเดอร์ที่ยอดเยี่ยมนี้

แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

รุ่นใหม่แตกต่างจากทอมป์สันมาก นี่คือสมมติฐานของเขา:

• อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งแม้จะมีขนาดเล็กมาก แต่ก็มีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม
• อิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมในระยะทางที่ไกลมากและในวงโคจรวงกลมหรือวงรี
• ประจุสุทธิของอะตอมเป็นศูนย์เนื่องจากประจุของอิเล็กตรอนชดเชยประจุบวกที่มีอยู่ในนิวเคลียส

การคำนวณของรัทเทอร์ฟอร์ดชี้ไปที่นิวเคลียสที่มีรูปร่างทรงกลมและมีรัศมีเล็กถึง 10 ^-15ม. ค่าของรัศมีอะตอมสูงกว่าประมาณ 100,000 เท่าเนื่องจากนิวเคลียสอยู่ห่างกันโดยเปรียบเทียบ: จากลำดับ^10-10ม.

Young Ernest Rutherford ที่มา: ไม่ทราบตีพิมพ์ในปี 2482 ใน Rutherford: เป็นชีวิตและจดหมายของ Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

สิ่งนี้อธิบายได้ว่าเหตุใดอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จึงผ่านแผ่นได้อย่างราบรื่นหรือมีการเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย

เมื่อเห็นขนาดของวัตถุในชีวิตประจำวันอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดจะประกอบด้วยนิวเคลียสขนาดเท่าลูกเบสบอลในขณะที่รัศมีอะตอมจะอยู่ที่ประมาณ 8 กม. ดังนั้นอะตอมจึงถือได้ว่าเกือบทุกอย่างเป็นพื้นที่ว่าง

ด้วยความคล้ายคลึงกับระบบสุริยะขนาดเล็กจึงกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "แบบจำลองอะตอมของดาวเคราะห์" แรงดึงดูดไฟฟ้าสถิตระหว่างนิวเคลียสและอิเล็กตรอนจะคล้ายคลึงกับแรงดึงดูดระหว่างดวงอาทิตย์และดาวเคราะห์

ข้อ จำกัด

อย่างไรก็ตามมีความขัดแย้งบางประการเกี่ยวกับข้อเท็จจริงที่สังเกตได้:

• ถ้าความคิดที่ว่าอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียสได้รับการยอมรับก็จะเกิดขึ้นว่าอิเล็กตรอนควรปล่อยรังสีออกมาอย่างต่อเนื่องจนกว่าจะชนกับนิวเคลียสโดยผลที่ตามมาจะทำลายอะตอมภายในเวลาไม่เกินหนึ่งวินาที โชคดีที่ไม่ใช่สิ่งที่เกิดขึ้นจริง
• นอกจากนี้ในบางโอกาสอะตอมจะปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่หนึ่งออกมาเมื่อมีการเปลี่ยนระหว่างสถานะของพลังงานที่สูงกว่าไปสู่สถานะหนึ่งที่มีพลังงานต่ำกว่าและมีเพียงความถี่เหล่านั้นเท่านั้นไม่ใช่ความถี่อื่น ๆ จะอธิบายความจริงที่ว่าพลังงานเป็นปริมาณได้อย่างไร?

แม้จะมีข้อ จำกัด เหล่านี้ แต่ในปัจจุบันมีแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งสอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่สังเกตได้แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดยังคงมีประโยชน์สำหรับนักเรียนที่จะมีแนวทางแรกที่ประสบความสำเร็จในอะตอมและอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ

ในแบบจำลองของอะตอมนี้จะไม่ปรากฏนิวตรอนซึ่งเป็นองค์ประกอบอื่นของนิวเคลียสซึ่งยังไม่ถูกค้นพบจนกระทั่งปีพ. ศ. 2475

ไม่นานหลังจากรัทเทอร์ฟอร์ดเสนอแบบจำลองดาวเคราะห์ของเขาในปีพ. ศ. 2456 นีลส์บอร์นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กจะแก้ไขเพื่ออธิบายว่าเหตุใดอะตอมจึงไม่ถูกทำลายและเรายังคงอยู่ที่นี่เพื่อเล่าเรื่องนี้

บทความที่น่าสนใจ

แบบจำลองอะตอมของSchrödinger

แบบจำลองอะตอมของ De Broglie

แบบจำลองอะตอมของ Chadwick

แบบจำลองอะตอมไฮเซนเบิร์ก

แบบจำลองอะตอมของ Perrin

แบบจำลองอะตอมของทอมสัน

แบบจำลองอะตอมของ Dirac Jordan

แบบจำลองอะตอมของ Democritus

แบบจำลองอะตอมของบอร์

แบบจำลองอะตอมของดาลตัน

อ้างอิง

1. Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน 618-621
2. Zapata, F. 2007 บันทึกประจำชั้นสำหรับประธาน Radiobiology and Radiological Protection. คณะสาธารณสุขศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยกลางเวเนซุเอลา