j a k t o o d k r y l i

eureka!

N

a prze³omie wieków funkcjonowa³ model niezbyt
wyrafinowany - atom by³ kul¹ ³adunku dodatniego,
w której, dla zachowania elektroobojêtnoœci, tkwi³y

elektrony jak rodzynki w cieœcie, a dok³adniej jak w
puddingu, no bo jesteœmy w Anglii, w Cavendish Labo-
ratory w Cambridge. Autorem tego modelu by³ odkryw-
ca elektronu, J.J. Thomson, od którego model wzi¹³
swoj¹ nazwê. Jego pozorna prostota (nazywano go tak-
¿e plum pudding model) kry³a w sobie wiele naprawdê
wyrafinowanych zagadnieñ, takich jak u³o¿enie w prze-
strzeni wzajemnie siê przyci¹gaj¹cych i odpychaj¹cych
³adunków elektrycznych. J.J. Thomson opublikowa³ w
„Philosophical Magazine” w marcu 1904 roku artyku³,
w którym na prawie trzydziestu stronicach przedstawi³
obliczenia mo¿liwych konfiguracji na³adowanych do-
datnio i ujemnie cz¹stek w objêtoœci zajmowanej przez
atom. Model Thomsona „funkcjonowa³” w œrodowisku
fizyków ok. dziesiêciu lat i zosta³ porzucony (zwyk³y los
modelu w fizyce), za spraw¹ innej wspó³czeœnie odkry-
tej cz¹stki, mianowicie cz¹stki α.

Aby o tym opowiedzieæ, musimy siê cofn¹æ do ro-

ku 1895, gdy do zespo³u J.J. Thomsona w Cavendish
Laboratory do³¹czy³ 24-letni Nowozelandczyk Ernest
Rutherford. Pocz¹tkowo kontynuowa³ swoje wczeœniej-
sze, prowadzone w Nowej Zelandii, badania nad falami
Hertza, ale w grudniu 1985 roku Konrad Roentgen od-
kry³ promienie nazwane jego imieniem i Thomson za-
proponowa³ Ernestowi udzia³ w badaniach nad oddzia-
³ywaniem tych promieni na rozrzedzony gaz. Badania
w³aœciwoœci zjonizowanego promieniami rentgenowski-
mi gazu, a tak¿e zjawiska

rekombinacji

jonów ca³kowi-

cie poch³onê³y m³odego badacza, ale nie na d³ugo.

F

Fiin

n

d

dee ssiiééccllee

dziewiêtnastego wieku by³ rzeczywiœcie nie-

zwyk³y, bo w rok póŸniej Henri Becquerel, we Francji,
odkry³, ¿e nie tylko promienie rentgenowskie zaczernia-
j¹ kliszê fotograficzn¹, ale robi¹ to tak¿e takie pierwiast-
ki jak uran. Rutherford natychmiast zaj¹³ siê tym proble-
mem i wykorzystuj¹c swoje doœwiadczenie wyniesione
z badañ nad jonizacj¹ gazów, wykaza³, ¿e zjawisko ob-
serwowane przez Becquerela wywo³ywane jest przez
dwa rodzaje nieznanego dotychczas promieniowania,
które nazwa³ promieniowaniem α i promieniowaniem β.
Jak siê wkrótce przekonano, promieniowanie α by³o
strumieniem ca³kowicie zjonizowanych atomów helu,
nios¹cych ³adunek dodatni +2e, a promieniowanie β
by³o po prostu strumieniem elektronów.

Trzy lata od przyjazdu do Wielkiej Brytanii Er-

nest Rutherford by³ postaci¹ znacz¹c¹ w œrodowisku
naukowym i otrzyma³ propozycje objêcia Katedry Fizyki
na Uniwersytecie McGill w Montrealu, gdzie podj¹³ wy-
k³ady w 1898 roku. Jego zainteresowania naukowe w
dalszym ci¹gu pozostawa³y w obszarze badañ w³aœci-
woœci nowo odkrytych cz¹stek α. Rutherford zaobser-

wowa³, ¿e po-
stawienie
p³ytki przezro-
czystej miki
na drodze
tych cz¹stek
powoduje roz-
mycie dotych-
czas ostrego
obrazu

koli-

matora

na kli-

szy fotogra-
ficznej, co
wskazywa³o
na fakt rozpra-
szania cz¹stek
na przeszko-
dzie. By³a to
obserwacja
zaskakuj¹ca
o tyle, ¿e dla

M

Ł

ODY

TECHNIK

2/2005

Odkrycie elektronu (1897) było ostatnim wiel-

kim odkryciem naukowym zamykającym wiek

dziewiętnasty. Konsekwencją tego odkrycia

była próba zbudowania modelu atomu

uwzględniającego właściwości tej nowej

cząstki. Trzeba było jeszcze odkryć jądro ato-

mowe. Dokonał tego Ernest Rutherford.

ERNEST RUTHERFORD –

ODKRYCIE JĄDRA ATOMOWEGO

Z d z i s ł a w L i b r a n t

4

49

9

1

„ J e ś l i w i d z i a ł e m d a l e j n i ż i n n i ,

t o d l a t e g o , ż e s t a ł e m n a r a m i o n a c h

g i g a n t ó w ”

I s a a c N e w t o n

TEKST TRUDNY

!!!

cz¹stek poruszaj¹cych siê z prêdkoœci¹ ok. 20000 km/s,
nawet dla niewielkiego odchylenia ich toru na obser-
wowanych d³ugoœciach, potrzebne by³oby pole elek-
tryczne o niewyobra¿alnym w ówczesnym laborato-
rium natê¿eniu 100 MV/cm.

Rutherford wróci³ do tego problemu po powrocie

z Kanady w roku 1907 i objêciu Katedry Fizyki na uni-
wersytecie w Manchesterze. W tym czasie, w kierowa-
nym przez niego laboratorium, dwóch m³odych ludzi:
œwie¿o przyby³y z Niemiec Hans Geiger (tak, tak, ten
od licznika Geigera-Müllera) i dwudziestoletni student
Ernest Marsden, zajmowa³o siê bombardowaniem
cz¹stkami α folii metalicznych. Ich doœwiadczenia wy-
konane na niezwykle prostej aparaturze (

) polega³y

na pomiarach rozk³adu k¹towego cz¹stek α przecho-
dz¹cych przez bombardowan¹ cz¹stkami tarczê ze z³o-
tej folii. Rutherford zasugerowa³ Geigerowi i Marsdeno-

wi ustawienie detektora (ekran z siarczku cynku) pod
k¹tami powy¿ej 90°. Uzyskany w tych warunkach histo-
ryczny wykres przedstawia rys.

.

Pojawienie siê cz¹steczek rozproszonych pod k¹-

tami wiêkszymi od 90° by³o ca³kowitym zaskoczeniem.
W kategoriach modelu Thomsona, przy znajomoœci ma-
sy atomowej i liczby Avogadra, promieñ atomu w z³otej
folii wynosi³ 0,179 nm i dla tej odleg³oœci si³a Coulomba

F = 2kZe

2

/(1,79 ·10

–10

)

2

(znaczenia u¿ytych symboli w dalszym ci¹gu tekstu)
mia³a zbyt ma³¹ wartoœæ, aby odchyliæ cz¹stkê α pod
du¿ym k¹tem. Na cz¹stkê α, znajduj¹c¹ siê na ze-
wn¹trz atomu, oddzia³ywa³ si³¹ Coulomba ca³y atom.
W chwili kiedy cz¹stka wchodzi³a w obszar atomu,
a wiêc równomiernie roz³o¿onego w przestrzeni ³adun-
ku dodatniego, odpychaj¹ce dzia³anie na cz¹stkê jego
poszczególnych fragmentów znosi³o siê. Tak wiêc wyli-
czenia k¹ta odchylenia wg modelu Thomsona, dla
cz¹stki α, która przy energii 4,87 MeV (Ÿród³o

226

Ra)

mia³a prêdkoœæ 1,5 ·10

7

m/s dawa³y wartoœæ poni¿ej

0,02°, st¹d ca³kowite zaskoczenie eksperymentatorów.

Zapamiêtano s³owa Rutherforda, które nawet

w swobodnym przek³adzie brzmi¹ bardzo dramatycz-
nie „... to by³o najbardziej niewiarygodne zdarzenie
w moim ¿yciu. To by³o tak nieprawdopodobne, jakbyœ
wystrzeli³ 15-calowy pocisk do papierowej serwetki,
a on odbi³ siê od niej i waln¹³ w ciebie”. W tej sytuacji
model Thomsona mo¿na by³o spokojnie schowaæ do la-
musa. Pojawienie siê cz¹stek o k¹cie rozproszenia
wiêkszym od 90° œwiadczy³o o tym, ¿e cz¹stka α musi
zbli¿aæ siê do geometrycznego œrodka atomu na nies³y-
chanie ma³¹ odleg³oœæ, tak aby si³a oddzia³ywania elek-
trostatycznego (si³a Coulomba) by³a zdolna do odrzuce-
nia jej wstecz.

W szkolnym rozumowaniu za³ó¿my, ¿e wektor

prêdkoœci cz¹stki α i œrodek atomu le¿¹ na tej samej
osi. Przy dzia³aniu si³ odpychania, pêdz¹ca z prêdko-
œci¹ v cz¹stka zbli¿y siê do œrodka atomu, czyli œrodka

2

1

M

Ł

ODY

TECHNIK

2/2005

5

50

0

2

Ernest Rutherford urodził się 30 sierpnia 1871 roku
w Spring Grove w Nowej Zelandii jako czwarte z dwunastu
dzieci kołodzieja Jamesa i Marty Rutherfordów. Ojciec miał
swój warsztat w Brightwater koło Nelson. Rodzice, ubodzy
emigranci z Wielkiej Brytanii, odmawiali sobie wielu rzeczy,
aby dzieci mogły się uczyć w dobrych szkołach. Ernest był
bardzo dobrym uczniem i podobno świetnym piłkarzem.
Zdobywał wszystkie możliwe stypendia, które pozwoliły mu
ukończyć studia w zakresie matematyki i fizyki w Canterbu-
ry College w Christchurch. W roku 1893 uzyskał tam sto-
pień magistra M.A. z pierwszą lokatą i podjął pracę badaw-
czą nad właściwościami żelaza w zmiennym polu magne-
tycznym, a także nad odkrytymi właśnie falami Hertza.
Opublikowane prace pomogły mu uzyskać stypendium na
dalszą pracę badawczą w Wielkiej Brytanii, do której przy-
był w roku 1895. Podjął pracę w Laboratorium Cavendisha
na uniwersytecie w Cambridge pod kierunkiem J.J. Thom-
sona, który właśnie prowadził badania prowadzące do od-
krycia elektronu. Współpraca z J.J.Thomsonem nad joniza-
cją gazów za pomocą promieni rentgenowskich była bar-
dzo owocna i Rutherford po trzech latach pracy w Cam-
bridge dostał propozycję objęcia Katedry Fizyki na Uniwer-
sytecie McGill w Montrealu. W roku 1900 wrócił do swej oj-
czyzny, aby ożenić się z panną Mary Newton, z którą był
zaręczony jeszcze przed opuszczeniem Nowej Zelandii.
W ciągu siedmiu lat pobytu w Montrealu opublikował 80
prac (sic!), które dały mu taką pozycję w świecie nauko-

wym, że wiele uniwersytetów zaczęło się ubiegać o zatrud-
nienie go u siebie. Royal Society powołało go na swojego
członka w roku 1903. Do Wielkiej Brytanii wrócił w roku
1907 i objął Katedrę Fizyki na uniwersytecie w Mancheste-
rze. W roku następnym otrzymał Nagrodę Nobla z chemii
za prace nad rozpadem promieniotwórczym pierwiastków.
W roku 1911 badaniami nad rozpraszaniem cząstek α na
foliach metalicznych wykazał, że cała masa i ładunek do-
datni skoncentrowane są w jądrze ponad 10 tysięcy mniej-
szym od rozmiarów atomu. Badania te pozwoliły zbudować
nowy model atomu, który dwa lata później Niels Bohr do-
prowadził do postaci w zasadzie uznawanej do dnia dzi-
siejszego. Badania prowadzone przez Ernesta Rutherforda
odbijały się szerokim echem w świecie naukowym i były
wzorem do naśladowania i rozwoju przez wielu fizyków na
świecie. W roku 1914 otrzymał tytuł szlachecki, a pięć lat
później został następcą J.J.Thomsona w Cavendish Labo-
ratory. W latach 1925-1930 był prezydentem Royal Society.
Warto podkreślić, że w 1925 roku został wybrany człon-
kiem Polskiej Akademii Umiejętności.
Ernest Rutherford był pogodnym, przyjaznym człowiekiem,
cieszącym się dobrym zdrowiem i lubiącym życie domowe,
grę w golfa, ale i ciężką pracę. Był uwielbiany przez
uczniów i szanowany przez wszystkich. Pod koniec życia
został parem, członkiem Izby Lordów. Po krótkiej chorobie
zmarł 19 października 1937 roku w Cambridge i został po-
chowany w Opactwie Westminsterskim.

centralnej si³y odpychania, na odleg³oœæ r

min

, przy której

ca³a jej energia kinetyczna zamieni siê w energiê po-
tencjaln¹ odpychania (

). Innymi s³owy, musi byæ

spe³nione równanie:

m

mvv

2

/2 = 2k

kZ

Zee

2

/rr

m

miin

n

,

gdzie m

m jest mas¹ cz¹stki α,

k

k = 1/4πε

0

jest sta³¹ proporcjonalnoœci w prawie Cou-

lomba,

ε

0

jest przenikalnoœci¹ dielektryczn¹ pró¿ni,

Z

Z liczb¹ atomow¹ atomu rozpraszaj¹cego, czyli liczb¹
atomow¹ materia³u, z którego zrobiona jest folia,

ee jest ³adunkiem elementarnym.

WartoϾ r

min

z powy¿szego równania mo¿na by³o

wyznaczyæ, poniewa¿ wszystkie inne parametry by³y
znane. Wyliczona dla atomów z³ota, srebra i miedzi,
wartoϾ r

min

wynosi³a w przybli¿eniu 10 ·10

–15

m, czyli 10

femtometrów (wielkoœæ 1·10

–15

m zosta³a póŸniej nazwa-

na 1 fermi na czeœæ jednego z ojców fizyki j¹drowej En-
rico Fermiego). Ernest Rutherford przeprowadzi³ precy-
zyjn¹ analizê eksperymentu Geigera i Marsdena i wyli-
czy³ wzór na rozk³ad k¹towy cz¹stek α rozproszonych
na foliach metalicznych, tzn. wzór na liczbê cz¹stek
N(θ) padaj¹cych na jednostkê powierzchni detektora
ustawionego pod k¹tem θ. Wzór ten nale¿a³o tylko na-
nieœæ na wykres z danymi doœwiadczalnymi Geigera
i Marsdena (

) - zgodnoœæ by³a znakomita!

Nie ulega³o ju¿ w¹tpliwoœci, ¿e ca³a masa i ³adu-

nek dodatni atomu mieœci siê w obszarze od 10 do 100
tysiêcy mniejszym od rozmiarów atomu. Obszar ten
nazwano j¹drem i nazwa ta okreœli³a równie¿ nowy

rozdzia³ w fizyce wspó³czesnej - fizykê j¹drow¹ - która
od

6 sierpnia 1945 roku

zmieni³a znacz¹co oblicze

œwiata. Ernest Rutherford z pewnoœci¹ nale¿a³ do oj-
ców za³o¿ycieli tego rozdzia³u.

Wracaj¹c jeszcze do porównania wielkoœci j¹dra

i atomu, wyobraŸmy sobie j¹dro o wielkoœci pomarañczy
(ok. 10 cm). Przy tej wielkoœci j¹dra zewnêtrzna „pow³o-
ka” atomu znajduje siê w odleg³oœci kilku kilometrów.
Atom jest wiêc przeraŸliwie pusty. Jego wymiary pozo-
sta³y w zasadzie niezmienione, ale maleñkie w stosun-
ku do wymiarów ca³oœci i centralnie po³o¿one j¹dro, gro-
madz¹ce ca³¹ masê, jest otoczone „chmurami” ³adunku
ujemnego, którym kilkanaœcie lat póŸniej mechanika
kwantowa nada³a spektakularne kszta³ty. To by³o jed-
nak póŸniej, ale w roku 1911, roku odkrycia j¹dra atomo-
wego, Ernest Rutherford móg³ spokojnie pomyœleæ o no-
wym modelu atomu. Nauce by³ ju¿ od stuleci znany mo-
del ruchu cia³ w polu si³ centralnych, który mo¿emy
umownie nazwaæ modelem Kopernika-Keplera-Newto-
na. To nasz uk³ad planetarny. Byæ mo¿e Rutherford po-
myœla³ o spójnoœci wszechœwiata w mikro- i makroskali
i zaproponowa³ tzw. model planetarny, w którym ujem-
ne elektrony porusza³y siê po orbitach w polu si³ cen-
tralnego ³adunku dodatniego. Ten jak¿e przemawiaj¹cy
do wyobraŸni model atomu nie spe³nia³ jednak wyma-
gañ elektrodynamiki klasycznej, gdzie poruszaj¹cy siê
po orbicie ³adunek elektryczny musi traciæ energiê. De-
fekty tego modelu zosta³y radykalnie poprawione dwa
lata póŸniej, w roku 1913, przez Nielsa Bohra, ale to ju¿
jest przedmiotem innego opowiadania. !

2

3

M

Ł

ODY

TECHNIK

2/2005

5

51

1

C z y w y s t r z e l o n y 1 5 c a l o w y p o c i s k

m o ż e s i ę o d b i ć o d p a p i e r o w e j s e r w e t k i ?

3

LEKSYKON

Rekombinacja

– zanik pary jonów różnoimiennych (dodat-

niego i ujemnego) wskutek ich połączenia. Ten sam termin
używa się również dla określenia zaniku pary elektron –
dziura w półprzewodnikach.

Fin de siécle

(franc.) – koniec wieku.

Kolimator

– przyrząd optyczny do otrzymania równoległej

wiązki promieni.

6 sierpnia 1945 roku

– data zrzucenia bomby atomowej

na Hiroszimę.

4