RUTHERFORDS EXPERIMENT: GESCHIEDENIS, BESCHRIJVING EN CONCLUSIES - WETENSCHAP - 2026

Het experiment Rutherford , uitgevoerd tussen 1908 en 1913, bestond uit het bombarderen van een dunne goudfilm van .0004 mm dik, met alfadeeltjes en analyseerde het verspreidingspatroon van deze deeltjes achtergelaten op een fluorescerend scherm.

Rutherford voerde zelfs talloze experimenten uit, waarbij de details steeds verder werden verfijnd. Na een zorgvuldige analyse van de resultaten kwamen twee zeer belangrijke conclusies naar voren:

-De positieve lading van het atoom is geconcentreerd in een gebied dat de kern wordt genoemd.

-Deze atoomkern is ongelooflijk klein in vergelijking met de grootte van het atoom.

Figuur 1. Rutherfords experiment. Bron: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) was een in Nieuw-Zeeland geboren natuurkundige die zich bezighield met radioactiviteit en de aard van materie. Radioactiviteit was een recent fenomeen toen Rutherford met zijn experimenten begon, het was ontdekt door Henri Becquerel in 1896.

In 1907 ging Rutherford naar de Universiteit van Manchester in Engeland om de structuur van het atoom te bestuderen, waarbij hij deze alfadeeltjes als sondes gebruikte om in zo'n kleine structuur te kijken. Natuurkundigen Hans Geiger en Ernest Marsden vergezelden hem bij de taak.

Ze hoopten te zien hoe een alfadeeltje, dat een dubbel geïoniseerd heliumatoom is, zou interageren met een enkel goudatoom, om ervoor te zorgen dat elke afwijking die het ervoer uitsluitend te wijten was aan elektrische kracht.

De meeste alfadeeltjes gingen echter met slechts een kleine afwijking door de goudfolie.

Dit feit was volledig in overeenstemming met het atomaire model van Thomson, maar tot verbazing van de onderzoekers vertoonde een klein percentage van de alfadeeltjes een nogal opmerkelijke afwijking.

En een nog kleiner percentage deeltjes zou terugkomen, volledig terugstuiteren. Waar waren deze onverwachte resultaten aan te wijten?

Beschrijving en conclusies van het experiment

In feite zijn de alfadeeltjes die Rutherford als sonde gebruikte heliumkernen, en op dat moment was alleen bekend dat deze deeltjes positief geladen waren. Tegenwoordig is bekend dat alfadeeltjes bestaan ​​uit twee protonen en twee neutronen.

Alfadeeltjes en bètadeeltjes waren door Rutherford geïdentificeerd als twee verschillende soorten straling van uranium. Alfadeeltjes, veel massiever dan het elektron, hebben een positieve elektrische lading, terwijl bètadeeltjes elektronen of positronen kunnen zijn.

Figuur 2. Gedetailleerd schema van het Rutherford, Geiger en Marsden experiment. Bron: R. Knight. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.

Een vereenvoudigd schema van het experiment wordt getoond in figuur 2. De alfadeeltjesbundel is afkomstig van een radioactieve bron. Geiger en Marsden gebruikten radongas als emitter.

De loden blokken werden gebruikt om de straling naar de goudfolie te richten en te voorkomen dat deze rechtstreeks naar het fluorescerende scherm gaat. Lood is een materiaal dat straling absorbeert.

Vervolgens werd de aldus gerichte straal op een dunne gouden folie laten vallen en de meeste deeltjes vervolgden hun weg naar het fluorescerende zinksulfaatscherm, waar ze een klein lichtspoor achterlieten. Geiger had de leiding om ze een voor een te tellen, hoewel ze later een apparaat ontwierpen dat het deed.

Het feit dat sommige deeltjes een kleine afbuiging ondergingen, verbaasde Rutherford, Geiger en Marsden niet. Er zijn immers positieve en negatieve ladingen op het atoom die krachten uitoefenen op de alfadeeltjes, maar aangezien het atoom neutraal is, wat ze al wisten, moesten de afwijkingen klein zijn.

De verrassing van het experiment is dat een paar positieve deeltjes vrijwel direct teruggekaatst werden.

Conclusies

Ongeveer 1 op de 8000 alfadeeltjes vertoonde een afbuiging onder hoeken groter dan 90º. Weinig, maar genoeg om een ​​aantal dingen in twijfel te trekken.

Het atoommodel dat in zwang was, was dat van rozijnenpudding door Thomson, Rutherfords voormalige professor aan het Cavendish Laboratory, maar Rutherford vroeg zich af of het idee van een atoom zonder kern en met elektronen ingebed als rozijnen, juist was.

Want het blijkt dat deze grote afbuigingen van alfadeeltjes, en het feit dat er een paar kunnen terugkeren, alleen verklaard kunnen worden als een atoom een ​​kleine, zware, positieve kern heeft. Rutherford nam aan dat alleen de elektrische aantrekkings- en afstotende krachten, zoals aangegeven door de wet van Coulomb, verantwoordelijk waren voor elke afwijking.

Wanneer sommige van de alfadeeltjes rechtstreeks naar deze kern naderen en aangezien de elektrische kracht varieert met het inverse kwadraat van de afstand, voelen ze een afstoting die hen de groothoekverstrooiing of de achterwaartse afbuiging veroorzaakt.

Zeker, Geiger en Marsden experimenteerden met het bombarderen van platen van verschillende metalen, niet alleen van goud, hoewel dit metaal het meest geschikt was vanwege zijn kneedbaarheid, om zeer dunne platen te maken.

Door soortgelijke resultaten te verkrijgen, was Rutherford ervan overtuigd dat de positieve lading op het atoom zich in de kern moest bevinden en niet verspreid over het volume, zoals Thomson in zijn model stelde.

Aan de andere kant, aangezien de overgrote meerderheid van alfadeeltjes zonder afwijking passeerde, moest de kern heel, heel klein zijn in vergelijking met de atomaire grootte. Deze kern moest echter het grootste deel van de massa van het atoom concentreren.

Invloeden op het model van het atoom

De resultaten verrasten Rutherford enorm, die op een conferentie in Cambridge verklaarde: "… het is alsof je een 15-inch kanonskogel op een vel vloeipapier afvuurt en het projectiel rechtstreeks naar je toe stuitert en je raakt".

Omdat deze resultaten niet konden worden verklaard door het atomaire model van Thomson, stelde Rutherford voor dat het atoom bestaat uit een kern, heel klein, heel massief en positief geladen. De elektronen bleven in banen om hem heen, als een miniatuurzonnestelsel.

Figuur 3. Rutherfords atoommodel aan de linkerkant en Thomson's rozijnenpuddingmodel aan de rechterkant. Bron: Wikimedia Commons. Linker afbeelding: Jcymc90

Dit is waar het nucleaire model van het atoom getoond in figuur 3 aan de linkerkant over gaat. Omdat elektronen ook heel erg klein zijn, blijkt dat het atoom bijna alles is…. leeg! Daarom passeren de meeste alfadeeltjes nauwelijks afgebogen door de plaat.

En de analogie met een miniatuurzonnestelsel is zeer nauwkeurig. De atoomkern speelt de rol van de zon en bevat bijna alle massa plus de positieve lading. Elektronen draaien er als planeten omheen en hebben een negatieve lading. Het geheel is elektrisch neutraal.

Over de verdeling van elektronen in het atoom, toonde Rutherfords experiment niets aan. Je zou kunnen denken dat de alfadeeltjes er enige interactie mee zouden hebben, maar de massa van de elektronen is te klein en ze waren niet in staat de deeltjes significant af te buigen.

Nadelen van het Rutherford-model

Een probleem met dit atomaire model was precies het gedrag van de elektronen.

Als deze niet statisch waren, maar in cirkelvormige of elliptische banen om de atoomkern cirkelden, aangedreven door elektrische aantrekking, zouden ze uiteindelijk naar de kern rennen.

Dit komt omdat de versnelde elektronen energie verliezen, en als dat gebeurt, zou het de ineenstorting van het atoom en de materie zijn.

Gelukkig is dit niet wat er gebeurt. Er is een soort dynamische stabiliteit die instorten voorkomt. Het volgende atomaire model, na dat van Rutherford, was dat van Bohr, dat enkele antwoorden gaf waarom atomaire ineenstorting niet optreedt.

Het proton en het neutron

Rutherford bleef verstrooiingsexperimenten doen. Tussen 1917 en 1918 kozen hij en zijn assistent William Kay ervoor om gasvormige stikstofatomen te bombarderen met de zeer energetische alfadeeltjes van bismut-214.

Hij was opnieuw verrast toen hij waterstofkernen ontdekte. Dit is de vergelijking van de reactie, de eerste kunstmatige nucleaire transmutatie ooit bereikt:

Het antwoord was: uit dezelfde stikstof. Rutherford had waterstof het atoomnummer 1 toegekend, omdat dit het eenvoudigste element is: een positieve kern en een negatief elektron.

Rutherford had een fundamenteel deeltje gevonden dat hij een proton noemde, een naam die is afgeleid van het Griekse woord voor eerst. Op deze manier is het proton een essentieel bestanddeel van elke atoomkern.

Later, rond 1920, stelde Rutherford voor dat er een neutraal deeltje moet zijn met een massa die sterk lijkt op die van het proton. Hij noemde dit deeltje een neutron en het maakt deel uit van bijna alle bekende atomen. Fysicus James Chadwick identificeerde het uiteindelijk in 1932.

Hoe ziet een schaalmodel van het waterstofatoom eruit?

Het waterstofatoom is, zoals we al zeiden, het eenvoudigste van allemaal. Het was echter niet eenvoudig om voor dit atoom een ​​model te ontwikkelen.

Opeenvolgende ontdekkingen gaven aanleiding tot kwantumfysica en een hele theorie die verschijnselen op atomaire schaal beschrijft. Tijdens dit proces evolueerde ook het atomaire model. Maar laten we eens kijken naar de kwestie van de maten:

Het waterstofatoom heeft een kern die bestaat uit één proton (positief) en een enkel elektron (negatief).

De straal van het waterstofatoom wordt geschat op 2,1 x 10 ^-10 m, terwijl die van het proton 0,85 x 10 ^-15 m of 0,85 femtometers. De naam van deze kleine unit is te danken aan Enrico Fermi en wordt veel gebruikt bij het werken op deze schaal.

Welnu, het quotiënt tussen de straal van het atoom en die van de kern is in de orde van 10 ⁵ m, dat wil zeggen, het atoom is 100.000 keer groter dan de kern!

Men moet echter in gedachten houden dat in het huidige model, gebaseerd op de kwantummechanica, het elektron de kern omhult in een soort wolk die een orbitaal wordt genoemd (een orbitaal is geen baan) en het elektron, op atomaire schaal, niet punctueel.

Als het waterstofatoom - fantasierijk - zou worden vergroot tot de grootte van een voetbalveld, dan zou de kern die is samengesteld uit een positief proton de grootte hebben van een mier in het midden van het veld, terwijl het negatieve elektron als een soort geest zou zijn, verspreid over het veld en rondom de positieve kern.

Het atomaire model vandaag

Dit atomaire model van het "planetaire type" is erg ingebakken en is het beeld dat de meeste mensen van het atoom hebben, aangezien het heel gemakkelijk te visualiseren is. Het is echter tegenwoordig niet het geaccepteerde model op wetenschappelijk gebied.

Hedendaagse atomaire modellen zijn gebaseerd op kwantummechanica. Ze wijst erop dat het elektron in het atoom geen negatief geladen stip is die precieze banen volgt, zoals Rutherford zich voorstelde.

Het elektron is eerder verspreid in gebieden rond de positieve kern, de zogenaamde atomaire orbitalen. Van hem kunnen we de waarschijnlijkheid kennen om in een of andere staat te zijn.

Desondanks vertegenwoordigde het model van Rutherford een enorme vooruitgang in de kennis van de inwendige structuur van het atoom. En het maakte de weg vrij voor meer onderzoekers om het verder te verfijnen.

Referenties

1. Andriessen, M. 2001. HSC-cursus. Natuurkunde 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academische pers.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a strategy approach. Pearson.
4. Fysica OpenLab. Het Rutherford-Geiger-Marsden-experiment. Hersteld van: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Teruggeplaatst van: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Rutherford's experimenten. Hersteld van: xaktly.com.
8. Wikipedia. Rutherfords experiment. Hersteld van: es.wikipedia.org.