odkrycie jądra atomowego

Jeś l i wi dzi ał em dal ej ni ż i nni ,
t o dl at ego, ż e st ał em na rami onach
j a k t o o d k r y l i
gi gant ów I saac Newt on
Aby o tym opowiedzieć, musimy się cofnąć do ro-
Odkrycie elektronu (1897) było ostatnim wiel-
ku 1895, gdy do zespołu J.J. Thomsona w Cavendish
Laboratory dołączył 24-letni Nowozelandczyk Ernest
kim odkryciem naukowym zamykającym wiek
Rutherford. Początkowo kontynuował swoje wczeSniej-
dziewiętnasty. Konsekwencją tego odkrycia
sze, prowadzone w Nowej Zelandii, badania nad falami
Hertza, ale w grudniu 1985 roku Konrad Roentgen od-
była próba zbudowania modelu atomu
krył promienie nazwane jego imieniem i Thomson za-
uwzględniającego właściwości tej nowej
proponował Ernestowi udział w badaniach nad oddzia-
ływaniem tych promieni na rozrzedzony gaz. Badania
cząstki. Trzeba było jeszcze odkryć jądro ato-
właSciwoSci zjonizowanego promieniami rentgenowski-
mowe. Dokonał tego Ernest Rutherford.
mi gazu, a także zjawiska rekombinacji jonów całkowi-
F
i
n
cie pochłonęły młodego badacza, ale nie na długo. Fin
de si�cle dziewiętnastego wieku był rzeczywiScie nie-
d
e
s
i
�
c
l
e
Z d z i s ł a w L i b r a n t
ERNEST RUTHERFORD
ODKRYCIE JDRA ATOMOWEGO
a przełomie wieków funkcjonował model niezbyt zwykły, bo w rok póxniej Henri Becquerel, we Francji,
wyrafinowany - atom był kulą ładunku dodatniego, odkrył, że nie tylko promienie rentgenowskie zaczernia-
Nw której, dla zachowania elektroobojętnoSci, tkwiły ją kliszę fotograficzną, ale robią to także takie pierwiast-
elektrony jak rodzynki w cieScie, a dokładniej jak w ki jak uran. Rutherford natychmiast zajął się tym proble-
puddingu, no bo jesteSmy w Anglii, w Cavendish Labo- mem i wykorzystując swoje doSwiadczenie wyniesione
ratory w Cambridge. Autorem tego modelu był odkryw- z badań nad jonizacją gazów, wykazał, że zjawisko ob-
ca elektronu, J.J. Thomson, od którego model wziął serwowane przez Becquerela wywoływane jest przez
swoją nazwę. Jego pozorna prostota (nazywano go tak- dwa rodzaje nieznanego dotychczas promieniowania,
że plum pudding model) kryła w sobie wiele naprawdę które nazwał promieniowaniem ą i promieniowaniem �.
wyrafinowanych zagadnień, takich jak ułożenie w prze- Jak się wkrótce przekonano, promieniowanie ą było
strzeni wzajemnie się przyciągających i odpychających strumieniem całkowicie zjonizowanych atomów helu,
ładunków elektrycznych. J.J. Thomson opublikował w niosących ładunek dodatni +2e, a promieniowanie �
Philosophical Magazine w marcu 1904 roku artykuł, było po prostu strumieniem elektronów.
w którym na prawie trzydziestu stronicach przedstawił Trzy lata od przyjazdu do Wielkiej Brytanii Er-
obliczenia możliwych konfiguracji naładowanych do- nest Rutherford był postacią znaczącą w Srodowisku
datnio i ujemnie cząstek w objętoSci zajmowanej przez naukowym i otrzymał propozycje objęcia Katedry Fizyki
atom. Model Thomsona funkcjonował w Srodowisku na Uniwersytecie McGill w Montrealu, gdzie podjął wy-
fizyków ok. dziesięciu lat i został porzucony (zwykły los kłady w 1898 roku. Jego zainteresowania naukowe w
modelu w fizyce), za sprawą innej współczeSnie odkry- dalszym ciągu pozostawały w obszarze badań właSci-
tej cząstki, mianowicie cząstki ą. woSci nowo odkrytych cząstek ą. Rutherford zaobser-
wował, że po-
stawienie
1
płytki przezro-
czystej miki
na drodze
tych cząstek
powoduje roz-
mycie dotych-
czas ostrego
obrazu koli-
matora na kli-
szy fotogra-
ficznej, co
wskazywało
na fakt rozpra-
szania cząstek
na przeszko-
dzie. Była to
obserwacja
zaskakująca
o tyle, że dla
49
4
9
TEKST TRUDNY
MAODY TECHNIK
2/2005
eureka!
wi ustawienie detektora (ekran z siarczku cynku) pod
kątami powyżej 90�. Uzyskany w tych warunkach histo-
2
ryczny wykres przedstawia rys. .
Pojawienie się cząsteczek rozproszonych pod ką-
tami większymi od 90� było całkowitym zaskoczeniem.
W kategoriach modelu Thomsona, przy znajomoSci ma-
sy atomowej i liczby Avogadra, promień atomu w złotej
folii wynosił 0,179 nm i dla tej odległoSci siła Coulomba
F = 2kZe2/(1,79 �10 10)2
2
(znaczenia użytych symboli w dalszym ciągu tekstu)
miała zbyt małą wartoSć, aby odchylić cząstkę ą pod
dużym kątem. Na cząstkę ą, znajdującą się na ze-
wnątrz atomu, oddziaływał siłą Coulomba cały atom.
W chwili kiedy cząstka wchodziła w obszar atomu,
a więc równomiernie rozłożonego w przestrzeni ładun-
ku dodatniego, odpychające działanie na cząstkę jego
poszczególnych fragmentów znosiło się. Tak więc wyli-
czenia kąta odchylenia wg modelu Thomsona, dla
cząstki ą, która przy energii 4,87 MeV (xródło 226Ra)
miała prędkoSć 1,5 �107 m/s dawały wartoSć poniżej
0,02�, stąd całkowite zaskoczenie eksperymentatorów.
cząstek poruszających się z prędkoScią ok. 20000 km/s, Zapamiętano słowa Rutherforda, które nawet
nawet dla niewielkiego odchylenia ich toru na obser- w swobodnym przekładzie brzmią bardzo dramatycz-
wowanych długoSciach, potrzebne byłoby pole elek- nie ... to było najbardziej niewiarygodne zdarzenie
tryczne o niewyobrażalnym w ówczesnym laborato- w moim życiu. To było tak nieprawdopodobne, jakbyS
rium natężeniu 100 MV/cm. wystrzelił 15-calowy pocisk do papierowej serwetki,
Rutherford wrócił do tego problemu po powrocie a on odbił się od niej i walnął w ciebie . W tej sytuacji
z Kanady w roku 1907 i objęciu Katedry Fizyki na uni- model Thomsona można było spokojnie schować do la-
wersytecie w Manchesterze. W tym czasie, w kierowa- musa. Pojawienie się cząstek o kącie rozproszenia
nym przez niego laboratorium, dwóch młodych ludzi: większym od 90� Swiadczyło o tym, że cząstka ą musi
Swieżo przybyły z Niemiec Hans Geiger (tak, tak, ten zbliżać się do geometrycznego Srodka atomu na niesły-
od licznika Geigera-M�llera) i dwudziestoletni student chanie małą odległoSć, tak aby siła oddziaływania elek-
Ernest Marsden, zajmowało się bombardowaniem trostatycznego (siła Coulomba) była zdolna do odrzuce-
cząstkami ą folii metalicznych. Ich doSwiadczenia wy- nia jej wstecz.
1
konane na niezwykle prostej aparaturze ( ) polegały W szkolnym rozumowaniu załóżmy, że wektor
na pomiarach rozkładu kątowego cząstek ą przecho- prędkoSci cząstki ą i Srodek atomu leżą na tej samej
dzących przez bombardowaną cząstkami tarczę ze zło- osi. Przy działaniu sił odpychania, pędząca z prędko-
tej folii. Rutherford zasugerował Geigerowi i Marsdeno- Scią v cząstka zbliży się do Srodka atomu, czyli Srodka
Ernest Rutherford urodził się 30 sierpnia 1871 roku wym, że wiele uniwersytetów zaczęło się ubiegać o zatrud-
w Spring Grove w Nowej Zelandii jako czwarte z dwunastu nienie go u siebie. Royal Society powołało go na swojego
dzieci kołodzieja Jamesa i Marty Rutherfordów. Ojciec miał członka w roku 1903. Do Wielkiej Brytanii wrócił w roku
swój warsztat w Brightwater koło Nelson. Rodzice, ubodzy 1907 i objął Katedrę Fizyki na uniwersytecie w Mancheste-
emigranci z Wielkiej Brytanii, odmawiali sobie wielu rzeczy, rze. W roku następnym otrzymał Nagrodę Nobla z chemii
aby dzieci mogły się uczyć w dobrych szkołach. Ernest był za prace nad rozpadem promieniotwórczym pierwiastków.
bardzo dobrym uczniem i podobno świetnym piłkarzem. W roku 1911 badaniami nad rozpraszaniem cząstek ą na
Zdobywał wszystkie możliwe stypendia, które pozwoliły mu foliach metalicznych wykazał, że cała masa i ładunek do-
ukończyć studia w zakresie matematyki i fizyki w Canterbu- datni skoncentrowane są w jądrze ponad 10 tysięcy mniej-
ry College w Christchurch. W roku 1893 uzyskał tam sto- szym od rozmiarów atomu. Badania te pozwoliły zbudować
pień magistra M.A. z pierwszą lokatą i podjął pracę badaw- nowy model atomu, który dwa lata pózniej Niels Bohr do-
czą nad właściwościami żelaza w zmiennym polu magne- prowadził do postaci w zasadzie uznawanej do dnia dzi-
tycznym, a także nad odkrytymi właśnie falami Hertza. siejszego. Badania prowadzone przez Ernesta Rutherforda
Opublikowane prace pomogły mu uzyskać stypendium na odbijały się szerokim echem w świecie naukowym i były
dalszą pracę badawczą w Wielkiej Brytanii, do której przy- wzorem do naśladowania i rozwoju przez wielu fizyków na
był w roku 1895. Podjął pracę w Laboratorium Cavendisha świecie. W roku 1914 otrzymał tytuł szlachecki, a pięć lat
na uniwersytecie w Cambridge pod kierunkiem J.J. Thom- pózniej został następcą J.J.Thomsona w Cavendish Labo-
sona, który właśnie prowadził badania prowadzące do od- ratory. W latach 1925-1930 był prezydentem Royal Society.
krycia elektronu. Współpraca z J.J.Thomsonem nad joniza- Warto podkreślić, że w 1925 roku został wybrany człon-
cją gazów za pomocą promieni rentgenowskich była bar- kiem Polskiej Akademii Umiejętności.
dzo owocna i Rutherford po trzech latach pracy w Cam- Ernest Rutherford był pogodnym, przyjaznym człowiekiem,
bridge dostał propozycję objęcia Katedry Fizyki na Uniwer- cieszącym się dobrym zdrowiem i lubiącym życie domowe,
sytecie McGill w Montrealu. W roku 1900 wrócił do swej oj- grę w golfa, ale i ciężką pracę. Był uwielbiany przez
czyzny, aby ożenić się z panną Mary Newton, z którą był uczniów i szanowany przez wszystkich. Pod koniec życia
50
5
0
zaręczony jeszcze przed opuszczeniem Nowej Zelandii. został parem, członkiem Izby Lordów. Po krótkiej chorobie
Wciągu siedmiu lat pobytu w Montrealu opublikował 80 zmarł 19 pazdziernika 1937 roku w Cambridge i został po-
prac (sic!), które dały mu taką pozycję w świecie nauko- chowany w Opactwie Westminsterskim.
MAODY TECHNIK
2/2005
Czy wyst rzel ony 1 5 cal owy poci sk
moż e si ę odbi ć od papi erowej serwet ki ?
3
4
centralnej siły odpychania, na odległoSć rmin, przy której
cała jej energia kinetyczna zamieni się w energię po-
3
tencjalną odpychania ( ). Innymi słowy, musi być
spełnione równanie:
mv2/2 = 2kZe2/rmin ,
m
v
k
Z
e
r
m
i
n
m
gdzie m jest masą cząstki ą,
k = 1/4Ą�0 jest stałą proporcjonalnoSci w prawie Cou-
k
lomba,
�0 jest przenikalnoScią dielektryczną próżni,
Z liczbą atomową atomu rozpraszającego, czyli liczbą
Z
atomową materiału, z którego zrobiona jest folia,
e jest ładunkiem elementarnym. rozdział w fizyce współczesnej - fizykę jądrową - która
e
WartoSć rmin z powyższego równania można było od 6 sierpnia 1945 roku zmieniła znacząco oblicze
wyznaczyć, ponieważ wszystkie inne parametry były Swiata. Ernest Rutherford z pewnoScią należał do oj-
znane. Wyliczona dla atomów złota, srebra i miedzi, ców założycieli tego rozdziału.
wartoSć rmin wynosiła w przybliżeniu 10 �10 15m, czyli 10 Wracając jeszcze do porównania wielkoSci jądra
femtometrów (wielkoSć 1�10 15m została póxniej nazwa- i atomu, wyobraxmy sobie jądro o wielkoSci pomarańczy
na 1 fermi na czeSć jednego z ojców fizyki jądrowej En- (ok. 10 cm). Przy tej wielkoSci jądra zewnętrzna powło-
rico Fermiego). Ernest Rutherford przeprowadził precy- ka atomu znajduje się w odległoSci kilku kilometrów.
zyjną analizę eksperymentu Geigera i Marsdena i wyli- Atom jest więc przeraxliwie pusty. Jego wymiary pozo-
czył wzór na rozkład kątowy cząstek ą rozproszonych stały w zasadzie niezmienione, ale maleńkie w stosun-
na foliach metalicznych, tzn. wzór na liczbę cząstek ku do wymiarów całoSci i centralnie położone jądro, gro-
N(�) padających na jednostkę powierzchni detektora madzące całą masę, jest otoczone chmurami ładunku
ustawionego pod kątem �. Wzór ten należało tylko na- ujemnego, którym kilkanaScie lat póxniej mechanika
nieSć na wykres z danymi doSwiadczalnymi Geigera kwantowa nadała spektakularne kształty. To było jed-
2
i Marsdena ( ) - zgodnoSć była znakomita! nak póxniej, ale w roku 1911, roku odkrycia jądra atomo-
Nie ulegało już wątpliwoSci, że cała masa i ładu- wego, Ernest Rutherford mógł spokojnie pomySleć o no-
nek dodatni atomu mieSci się w obszarze od 10 do 100 wym modelu atomu. Nauce był już od stuleci znany mo-
tysięcy mniejszym od rozmiarów atomu. Obszar ten del ruchu ciał w polu sił centralnych, który możemy
nazwano jądrem i nazwa ta okreSliła również nowy umownie nazwać modelem Kopernika-Keplera-Newto-
na. To nasz układ planetarny. Być może Rutherford po-
LEKSYKON
mySlał o spójnoSci wszechSwiata w mikro- i makroskali
Rekombinacja zanik pary jonów różnoimiennych (dodat- i zaproponował tzw. model planetarny, w którym ujem-
niego i ujemnego) wskutek ich połączenia. Ten sam termin ne elektrony poruszały się po orbitach w polu sił cen-
używa się również dla określenia zaniku pary elektron tralnego ładunku dodatniego. Ten jakże przemawiający
dziura w półprzewodnikach. do wyobraxni model atomu nie spełniał jednak wyma-
Fin de si�cle (franc.) koniec wieku. gań elektrodynamiki klasycznej, gdzie poruszający się
Kolimator przyrząd optyczny do otrzymania równoległej po orbicie ładunek elektryczny musi tracić energię. De-
wiązki promieni. fekty tego modelu zostały radykalnie poprawione dwa
6 sierpnia 1945 roku data zrzucenia bomby atomowej lata póxniej, w roku 1913, przez Nielsa Bohra, ale to już
na Hiroszimę. jest przedmiotem innego opowiadania.
51
5
1
MAODY TECHNIK
2/2005

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Budowa jądra atomowego(1)
Budowa jadra atomowego,Gellman zweig
podstawy fizyki jadra atomowego
Jadra atomowe jako obiekty kwantowe
fizyka jadra atomowego
BUDOWA JĄDRA ATOMOWEGO
Z17 Fizyka jadra atomowego (01 21)
C22 Fizyka jadra atomowego(01 12)
W3, Wiazania atomowe
Pomiar Potencjałów Wzbudzenia Atomów Rtęco (2012)
BUDOWA ATOMOW W1
Elektrownie atomowe w Polsce
W 60 rocznicę zrzucenia bomby atomowej na Hiroszimę
ODKRYCIA ROKU99
budowa atomów i cząsteczek
Archeologia [odkrycia archeologiczne]

więcej podobnych podstron