مدل اتمی رادرفورد

آزمایش دوم رادرفورد

با توجه به آزمایش رادرفورد دربمباران ورقه طلا با ذره ی آلفا، به این پرسش ها پاسخ دهید:

الف)از انجا که مواد پرتو زا هرسه پرتوی آلفا ،بتا ،گاما رانشر می کنند ،چگونه رادفورد توانست ورقه ی طلا راتنها با پرتوی آلفا بمباران کند؟

ب) چرا دراین آزمایش از ورقه ی طلا استفاده شد؟

آ) برخی فلز ها مانند Bi  21483 هرسه پرتوهای یاد شده رانشر می کنند اما فلزهایی هم چون رادیم واورانیم با نشر پرتوی آلفا تلاشی می یابند

U   →  42  He  + 23090 Th  23492                                                                       Ra  →  He  42 + 22286 Rn                                                                22688 

بنا به برخی منابع رادرفورد از رادیم به عنوان منبع تولید پرتوی آلفا استفاده کرده ودرمنابعی دیگر اشاره شد ه که از اورانیم برای این منظور بهره گرفته است .

ب) برای این انتخاب دو دلیل به این شرح وجود داشت :

- از آنجا که ذره های آلفا جرم وبار زیادی داشتند باید برای متوقف کردن آن ها از فلزهایی استفاده می شد که جرم اتمی بسیار بزرگتری نسبت به جرم ذره های آلفا داشتند .

- طلا فلزی چکش خواراست ومی توان از آن ورقه های بسیار نازک تهیه کرد .به ضخامت ورقه های طلادرآزمایش رادرفورد cm  ^۱۰-۵×۶ گزارش شده است .

- و شاید دلیل سوم این که رادرفورد به دنبال یک فلز سنگین بود که تعداد الکترونهای زیادی دارد و می خواست میزان پراکندگی ذرات آلفا را در این اتم سنگین با تعداد الکترونهای زیاد بررسی نماید.

مجموع این عوامل سبب شد را رادرفورد بیشتر آزمایشات خود را بر روی ورقه ی نازک طلا انجام دهد.

؟ : بنا به مدل اتمی تامسون ،چرا ذره های آلفا با انحراف اندکی ازورقه ی طلا می گذرند ؟

ذره های آلفا حدود 7 هزارباراز الکترون ها سنگین ترند پس هنگام برخور دبا الکترون ها باید بدون انحراف از میان آن ها بگذرند .درست مانند برخورد یک توپ بزرگ با توپ های کوچکی که درمسیر آن قرار گرفته اند وبه دیگر سخن ذره های کوچکی هم چون الکترونها تاثیری درپراکندگی ذره های  آلفا ندارند اما دافعه های میان بارهای مثبت اتم وذره های آلفا می تواند سبب انحراف اندکی درمسیر این ذره ها شود .

؟ : آیا درشناسایی ساختار اتم، رادرفورد تنها ازورقه ی طلا استفاده کرد ؟

خیر هنگامی که او نتایج آزمایش رابا پیش بینی های خود متفاوت دید، آزمایش رابا اتم های دیگرازجمله پلاتین ،مس، نقره نیز تکرارکرد وبه این نتیجه رسید که هرچه وزن اتمی عنصر به کار رفته بیش تر باشد، تعداد ذره های آلفا که به سمت تابش باز می گردند، افزایش می یابد .

؟ : با توجه به مدل هسته ای اتم ،به این پرسش ها پاسخ دهید ؟

الف) چرا وجود دافعه میان پروتون ها سبب ناپایداری هسته نمی شود ؟ 

ب‌)  چرا درعنصرهایی باعدداتمی بالاتر از 20 تعداد نوترون ها بیش تر است ؟

ت‌)  چراعنصرهایی که عدد اتمی بالاتر از83 دارند،ناپایدارند؟

الف) در این زمینه می توان به دو دلیل اشاره کرد نخست این که درفاصله های بسیار کم حدود کم تراز cm 13 ^{– 10}قانون کولن صادق نیست ونیروی قوی هسته ای سبب می شود که نو کلئون ها درکناریک دیگر باقی بمانند. این نیروی به کمک ذره های مبادله کننده به نام گلوئون است که چنین اثری از خود نشان می دهد و دلیل دیگر این است که بنا به نظریه ی هیدکی یوکاوا فیزیکدان ژاپنی ، پروتون ونوترون های درون هسته در نتیجه مبادله ی مزون – ذراتی با جرم ۲۷۰ برابرجرم الکترون  -  به سرعت به یک دیگر تبدیل  می شوند که به پایداری هسته می انجامد .                         

ب) نوترون ها ذره هایی خنثی هستند ومیان آن ها نیروی دافعه ای الکترواستاتیک وجود ندارد. اما وجود آن ها نیرو ی هسته ای راتقویت می کند وسبب پایداری هسته می شود .        

 ت) با افزایش تعداد نوترون ها فاصله ی میان نوکلئون ها فزونی می یابد و درنتیجه نیروی دافعه ی الکترواستاتیک  میان بارهای مثبت به حدی می رسد که می تواند منجر به تلاشی هسته ی اتم های پرتو زا شود.

 

 

 

 

 

مختصری از شرح حال رادرفورد

ارنست رادرفورد در تاریخ سی ام ماه اوت سال 1871 در حومه برایت واتر شهر نلسون واقع در ساحل شمالی جزیره جنوبی زلاند نو به دنیا آمد. او چهارمین فرزند از دوازده فرزند جیمز و مارتا رادرفورد، نیوزلندی های نسل اول بود که از کودکی از اسکاتلند به زلاند نو آورده شده بودند. خانواده رادرفورد یک خانواده پرجمعیت دوازده بچه ای بود که اعضای آن همه در انجام کارهای روزمره خانواده مشارکت می کردند. اهل خانه همه افرادی جدی، کلیسا رو، خوشحال و بافرهنگ بودند.

علاقه مندی رادرفورد به علوم در مرحله زودی بروز کرد. او ده ساله بودکه کتاب پرطرفداری به نام «خواندنیهای اولیه فیزیک» تألیف معلمی به نام بالفور استوارت به دست آورد. کتاب استوارت مشابه کتابهای خودآموز فیزیک امروزی بود که در آنها نحوه به نمایش در آوردن اصول پایه فیزیک با استفاده از اشیاء ساده موجود درخانه مانند سکه، شمع، سنگ وزنه و وسایل آشپزخانه به خواننده یاد داده می شود. رادرفورد جوان سخت شیفته آن کتاب شده بود. نخستین بورس از بورس های تحصیلی متعدد زندگی خود را در سال 1887 که 16 ساله بود به دست آورد. بورس تحصیلی دومی وی را قادر به ثبت نام در کالج کنتربوری شهر کریستچرچ کرد که مؤسسه ای بود که در سال پیش از تولد خود او بوجود آمده بود.

 وی رشته های تحصیلی اصلی خود را فیزیک و ریاضیات انتخاب کرد که از بخت مساعد در هر دوی آنها معلمان خوبی هم داشت. رادرفورد در پایان دوره آموزشی سه ساله خود درجه کارشناسی ریاضی و فیزیک- ریاضی و (بطور کلی) علوم فیزیکی به پایان رسانید. نکته قابل ذکر در رابطه با زندگی خصوصی وی در ایام اقامت در کریستچرچ، اینکه وی در آنجا با ماری نیوتن دختر صاحبخانه خود آشنا و پایبند عشق او شد. رادرفورد در پی انتشار دو مقاله مهم درباره فعالیت تشعشعی مواد در سال 1895،برخلاف دوم شدن در گزینش، جایزه مهمی به شکل یک بورس تحصیلی دریافت کرد. مقررات اعطای جایزه، حق انتخاب مؤسسه آموزشی را به خود برنده جایزه می داد، که رادرفورد آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج به مدیریت جی.جی. تامسون (صاحب نظر پیشتاز جهان در زمینه الکترومغناطیس) را برگزید.

در آن سال ویلهلم کنراد رونتگن فیزیکدان آلمانی موفق به کشف اشعه ایکس شد. کشف مهم دیگری که منجر به شروع کار اصلی رادرفورد شد، کشف هانری بکرل فرانسوی در سال 1898 بود. رادرفورد در سال 1895 به آزمایشگاه کاوندیش دانشگاه کمبریج آمد تا در آنجا تحت مدیریت جی.جی. تامسون مشغول به کار شود. تامسون که استاد فیزیک تجربی بود، رادرفورد را فعالانه در آزمایشگاه به کار گرفت. رادرفورد در اوایل کار تحقیقاتی خود با انجام آزمایشی که فکر آن از خود وی بود، دو تابش رادیواکتیوی ناهمانند شناسایی کرد. او پی برد که بخشی از تابش با برگه ای به ضخامت یک پانصدم سانتی متر قابل ایستادن بود، اما برای متوقف کردن بخش دیگر، برگه های بس ضخیم تری لازم بود.

او اولین اشعه ای را که تابشی با بار الکتریکی مثبت و یونیزه کننده ای قوی بود و به سهولت در مواد جذب می شد اشعه آلفا نام داد. اشعه دوم را که تابشی با بار الکتریکی منفی بود و تشعشع کمتری ایجاد می کرد، اما قابلیت نفوذ آن در مواد زیاد بود اشعه بتا نامید. تابش نوع سومی که شبیه پرتوهای ایکس بود در سال 1900 بوسیله پل اوریچ ویلارد (فیزیکدان فرانسوی) کشف شد. این پرتو نافذترین تابش را داشت. طول موج آن بسیار کوتاه و فرکانس آن فوق العاده زیاد بود. تابش جدید، پرتوگاما نام گرفت. رادرفورد و همکارانش کشف کردند که فعالیت تشعشعی طبیعی مشهود در اورانیوم: فرایند خروج ذره آلفا از هسته اتم اورانیوم بصورت یک هسته اتم هلیم و برجای ماندن اتمی سبک تر از اتم اورانیوم در اورانیوم به ازاء هر خروج ذره آلفا از آن است. از کشف آنها نتیجه گیری شد که رادیوم تنها یک عنصر از رشته عناصر حاصل از فعالیت تشعشعی اورانیوم است.

رادرفورد در سال 1903 به عضویت انجمن سلطنتی لندن درآمد و در سال 1904 نخستین کتاب خود به نام «فعالیت تشعشعی» را که امروزه از کتب کلاسیک نوشته شده در آن زمینه شناخته می شود، منتشر کرد. شهرت رو به افزون رادرفورد در جوامع علمی سبب شد که از طرف دانشگاه ها تصدی کرسی های استادی زیادی به وی پیشنهاد شود. او در سال 1907 به انگلستان بازگشت تا تصدی مقام مذکور را در دانشگاه منچستر به عهده بگیرد. رادرفورد در دانشگاه منچستر رهبر گروهی شد که به سرعت دست به کار تدوین نظریه های تازه درباره ساختار اتم شد. آن دوره پرثمرترین دوره زندگی دانشگاهی او بود.

رادرفورد به پاس کوشش های علمی خود در دانشگاه منچستر نشان ها و جوایز زیادی دریافت کرد که دریافت جایزه نوبل سال 1907 در شیمی نقطه اوج آن بود. این نشان افتخار را البته برای کارهایی که در کانادا در زمینه فعالیت تشعشعی عناصر کرده بود به او دادند. بزرگترین دستاورد رادرفورد در دانشگاه منچسترکشف ساختار هسته اتم بود. پیش از رادرفورد اتم به گفته خود او «یک موجود نازنین سخت و قرمز و یا به حسب سلیقه خاکستری بود اما اینک یک منظومه شمسی بسیار ریز متشکل از ذرات بی شمار بود که مظنون به نهفته داشتن اسرار ناگشوده متعدد دیگر در سینه هم بود».

رادرفورد در سال 1937 در اثر یک فتق محتقن (گونه ای تورم ناشی از انسداداعضای درونی) درگذشت. او در آن هنگام شصت و شش ساله و هنوز سرزنده و قوی بود. سهم رادرفورد در شکل گیری درک کنونی ما از ماهیت ماده از هر کس دیگری بیشتر است. او آشکارا بزرگترین فیزیکدان آزمایشگر زمان خود بود و از زمان مایکل فارادی به بعد دیگر فیزیکدان آزمایشگری به بزرگی او نیامده بود. ده ها انجمن علمی و دانشگاه به او عضویت و درجات دانشگاهی افتخاری دادند. او را پدر انرژی هسته ای نامیده اند.

مدل اتمی رادرفورد

مدل اتمی رادرفورد مدلی از ساختمان اتم است که ارنست رادرفورد در سال ۱۹۱۱ میلادی ارائه کرد. پیش از مدل رادرفورد تصور دانشمندان از ساختمان اتم  براساس مدل اتمی تامسون بود. مدل تامسون اتم را به صورت مجموعه‌ای از پروتون ‌ها که در میان الکترون‌ها پراکنده هستند در نظر می‌گرفت. این مدل به مدل کیک کشمشی معروف شد. چهارده سال پس از تامسون یعنی در سال ۱۹۱۱ رادرفورد پس از آزمایش معروف ورقه طلای خود مدل دیگری را پیشنهاد کرد.

رادرفورد یک ورقه ی نازک طلا را با یک منبع پرتوزا از جنس آلفا که داخل محفظه سربی قرار گرفته بود، بمباران کرد. او مشاهده کرد که بیشتر ذره‌ های آلفا بدون انحراف از ورقه عبور کردند، نتیجه گرفت که بیشتر حجم اتم را فضای خالی تشکیل می‌دهد. تعداد زیادی از ذره ‌های آلفا با زاویه ی اندکی از مسیر اولیه منحرف شدند نتیجه گرفت که یک میدان الکتریکی قوی در اتم برقرار است. و تعداد بسیار اندکی از ذره‌های آلفا با زاویه بیش از 90 درجه از مسیر اولیه منحرف شدند نتیجه گرفت که اتم طلا هستهٔ بسیار کوچک و سنگین دارد. و به این ترتیب مدل اتم هسته دار خود را ارائه داد.

نارسایی های مدل اتمی رادرفورد

1ـ مدل اتمی رادرفورد الکترون ها را در حال چرخش بدور هسته فرض کرد. در حالیکه الکترون ذره ی دارای بار الکتریکی است و بر اساس قوانین الکترودینامیک حرکت شتابدار ذرات دارای بار الکتریکی از جمله الکترون با انتشار امواج الکترومغناطیسی و در نتیجه کاهش انرژی ذره ی متحرک همراه است. بنابراین الکترون ضمن چرخش بدور هسته باید به تدریج و مارپیچ وار به هسته نزدیک شده و جذب هسته شود. در این صورت مدل اتمی رادرفورد ارزش خود را از دست می دهد.

2ـ می دانیم که طیف نشری اتم ها خطی است و در حالیکه اگر الکترون بتدریج به هسته نزدیک شود، باید طیف آن پیوسته باشد. که آزمایش ها خلاف آن را نشان می دهد.

چادویک چگونه نوترون را کشف کرد؟

در سال 1920 رادرفورد اظهار داشت که پروتون درون هسته ممکن است دارای یک الکترون باشد .در چنین صورتی این الکترون چنان محکم به آن بسته شده است که یک ذره ی خنثی ایجاد کرده است. رادرفورد حتی برای این ذره‌ی فرضی نام نوترون (به معنای خنثی) راپیشنهاد کرد . تحقیق در یافتن نوترون تا سال 1932 به دو دلیل نامؤفق ماند .اول آنکه دانشمندان نمی توانستند ماده ی طبیعی بیابند که گسیل کننده ی نوترون باشد و دیگر آنکه روش هایی که برای آشکارسازی ذرات اتمی به کار برده می شد ، همگی به آثار بار الکتریکی ذرات بستگی داشت.

در سال 1930 بث و بکر دریافتند که وقتی نمونه هایی از بور یا بریلیم با ذرات آلفا بمباران شوند، تابش هایی از آنها گسیل می شود که در آن وقت به نظر می رسید که از نوع پرتوهای گاما هستند زیرا این پرتوها فاقد بار الکتریکی بودند . فردریک ژولیو و ایرن کوری به بررسی جذب تابش مذکور در پارافین پرداختند(پارافین ماده ی غنی از هیدروژن است) . آنها دریافتند که تابش حاصل ا زبریلیم وقتی به پارافین برخورد می کند، تعداد بسیاری هسته ی هیدروژن (پروتون) از پارافین می راند .چادویک به مطالعه ی انرژی پروتون های رانده شده پرداخت و بر اساس قوانین پایستگی و اندازه حرکت در فیزیک کلاسیک ، این فرض را بنا نهاد که ماهیت تابش حاصل از بمباران بریلیم نوترونی است که بار صفر و جرم برابر یک دارد . به عبارت دیگر وقتی بریلیم با ذره ی آلفا بمباران شود ، واکنش هسته ای صورت می گیرد و نوترون تولید می‌شود:

وقتی نوترون ها به درون پارافین راه می یابند، گاه و بی گاه با هسته های هیدروژن برخوردهای رودرو پیدا می کنند و به دلیل یونشی که ایجاد می کنند پروتون هایی پس زده مشاهده می شود . چنین نوترون هایی بنا به فرض چادویک به علت آنکه بار الکتریکی ندارند می توانند در اجزای ماده ی متراکمی همچون سرب نفوذ کنند بدون آنکه انرژی خود را از دست بدهند .

از سال 1932 به بعد درباره ی خواص و برهم کنش بین نوترون ها و اتم ها پژوهش های بسیاری به عمل آمده و شاخه ای به نام فیزیک نوترونی بوجود آمد . فیزیک نوترونی با تولید نوترون ها ، آشکارسازی آنها و برهم کنش آنها با هسته های اتمی و با ماده ی توده ای سروکار دارد .این پژوهش ها در میان پژوهش های دیگر به کشف شکافت هسته ای انجامید .

همانطور که می‌دانید اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند ، پس تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند تا اتم خنثی باشد. اما بعد از اینکه الکترون و پروتون و جرم آنها شناخته شد دانشمندان متوجه شدند که جرم اتم خیلی بیشتر از جمع جرم الکترونها و پروتونهای موجود در آن اتم است. به این دلیل آقای ارنست رادرفورد در سال 1920 نتیجه گرفت که برای توجیه جرم کل اتمها ذرات بدون باری باید در هسته وجود داشته باشند. چون این ذرات بدون بارند ، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل بود. ولی در سال 1932 ، آقای جیمز چادویک نتیجه‌ی کارهای خود را در باره‌ی اثبات وجود این ذره که نوترون ( از واژه لاتین به معنای خنثی ) نامیده شد ، منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده‌های به دست آمده از بعضی از واکنشهای هسته‌ای مولد نوترون ، جرم نوترون را محاسبه کند. جرم نوترون g24-10 * 6726/1 است که اندکی بیشتر از جرم پروتون می‌باشد.

چادویک در رساله خود تحت عنوان «وجود نوترون» می‌گوید: «اگر ما فرض کنیم که تابش مورد نظر تابش کوانتومی {پرتو گاما} نیست، بلکه مرکب از ذره‌هایی است با جرم بسیار نزدیک به جرم پروتون، تمام اشکالات مربوط به برخورد از میان می‌رود، هم در مورد فرکانس آنها و هم در مورد انتقال انرژی به جرمهای متفاوت. برای توضیح قدرت نفوذ زیاد این تابش، باید فرض کنیم که این ذرات بار مؤثری ندارند. باید فرض کنیم که هر یک از آنها ترکیب نزدیک به هم از یک پرتون و یک الکترون است، و همان «نوترونی» است که رادرفورد در سخنرانی سال 1920 خود آن را مورد بحث قرار داد.» پس، بر طبق فرضیه چادویک، وقتی عنصری همچون بریلیم با ذره آلفا بمباران شود واکنش هسته‌ای صورت می‌گیرد که نوترون تولید می‌کند.

نوترونی که بنا بر فرض چادویک بار صفر و جرمی برابر 1 دارد. کشف نوترون با جرم نزدیک به یک واحد بدون بار الکتریکی، نظر رادرفورد را مبنی بر اینکه هسته اتمی از پروتون و نوترون ساخته شده است، تأیید کرد. این فرضیه بعد از مدتی کوتاه در سال 1932 به وسیله‌ هایزنبرگ به عنوان مبنای یک تئوری هسته‌ای مفصل تر قرار گرفت و هنوز هم مبنای تلاش هایی است که برای بیان خواص و ساختار هسته به عمل می‌آید. بر طبق فرضیه پروتون –  نوترونی هسته بک اتم با عدد اتمی z و عدد جرمی A مرکب از Z پروتون و A-Z نوترون است.

با کشف نوترون در سال 1932 این تصور حاصل شد که اجزای اصلی ساختمان ماده سه ذره «بنیادی» است: پروتون، نوترون و الکترون.