THÍ NGHIỆM CỦA RUTHERFORD: LỊCH SỬ, MÔ TẢ VÀ KẾT LUẬN - KHOA HỌC - 2026

Các thí nghiệm Rutherford , thực hiện giữa năm 1908 và 1913 bao gồm đánh bom một bộ phim vàng mỏng 0,0004 mm dày, với alpha hạt và phân tích mô hình phân tán của các hạt nói còn lại trên một màn hình huỳnh quang.

Trên thực tế, Rutherford đã tiến hành nhiều thí nghiệm, ngày càng hoàn thiện các chi tiết. Sau khi phân tích kỹ các kết quả, hai kết luận rất quan trọng đã xuất hiện:

-Điện tích dương của nguyên tử tập trung ở một vùng gọi là hạt nhân.

- Hạt nhân nguyên tử này nhỏ vô cùng so với kích thước của nguyên tử.

Hình 1. Thí nghiệm của Rutherford. Nguồn: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) là một nhà vật lý sinh ra ở New Zealand với lĩnh vực quan tâm là phóng xạ và bản chất của vật chất. Hiện tượng phóng xạ là một hiện tượng gần đây khi Rutherford bắt đầu các thí nghiệm của mình, nó được Henri Becquerel phát hiện vào năm 1896.

Năm 1907, Rutherford đến Đại học Manchester ở Anh để nghiên cứu cấu trúc của nguyên tử, sử dụng các hạt alpha này làm đầu dò để dò tìm bên trong một cấu trúc nhỏ bé như vậy. Các nhà vật lý Hans Geiger và Ernest Marsden đã đồng hành cùng ông trong nhiệm vụ.

Họ hy vọng sẽ thấy làm thế nào một hạt alpha, một nguyên tử heli được ion hóa kép, sẽ tương tác với một nguyên tử vàng duy nhất, để đảm bảo rằng bất kỳ sự sai lệch nào mà nó trải qua chỉ là do lực điện.

Tuy nhiên, hầu hết các hạt alpha đi qua lá vàng chỉ với một độ lệch nhỏ.

Thực tế này hoàn toàn phù hợp với mô hình nguyên tử của Thomson, tuy nhiên, trước sự ngạc nhiên của các nhà nghiên cứu, một tỷ lệ nhỏ các hạt alpha đã trải qua một độ lệch khá đáng kể.

Và một tỷ lệ nhỏ hơn các hạt sẽ quay trở lại, bật trở lại hoàn toàn. Những kết quả bất ngờ này là do đâu?

Mô tả và kết luận của thí nghiệm

Trên thực tế, các hạt alpha mà Rutherford sử dụng làm tàu ​​thăm dò là hạt nhân heli, và vào thời điểm đó người ta chỉ biết rằng các hạt này mang điện tích dương. Ngày nay người ta biết rằng hạt alpha được tạo thành từ hai proton và hai neutron.

Hạt alpha và hạt beta đã được Rutherford xác định là hai loại bức xạ khác nhau từ uranium. Các hạt alpha, có khối lượng lớn hơn nhiều so với electron, có điện tích dương, trong khi các hạt beta có thể là electron hoặc positron.

Hình 2. Sơ đồ chi tiết của thí nghiệm Rutherford, Geiger và Marsden. Nguồn: R. Knight. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.

Sơ đồ đơn giản của thử nghiệm được thể hiện trong Hình 2. Chùm hạt alpha xuất phát từ một nguồn phóng xạ. Geiger và Marsden đã sử dụng khí radon làm chất phát ra.

Các khối chì được sử dụng để hướng bức xạ về phía lá vàng và ngăn nó đi trực tiếp vào màn hình huỳnh quang. Chì là vật liệu hấp thụ bức xạ.

Sau đó, do đó, chùm tia được định hướng, được tạo ra để đâm vào một lá vàng mỏng và hầu hết các hạt tiếp tục di chuyển đến màn huỳnh quang kẽm sulfat, nơi chúng để lại một dấu vết ánh sáng nhỏ. Geiger phụ trách đếm từng cái một, mặc dù sau đó họ đã thiết kế một thiết bị làm được việc đó.

Thực tế là một số hạt trải qua một độ lệch nhỏ không làm Rutherford, Geiger và Marsden ngạc nhiên. Rốt cuộc, có các điện tích âm và dương trên nguyên tử tác dụng lực lên các hạt alpha, nhưng vì nguyên tử là trung tính mà họ đã biết, độ lệch phải nhỏ.

Điều ngạc nhiên của thí nghiệm là một vài hạt tích cực bị bật trở lại gần như trực tiếp.

Kết luận

Khoảng 1 trong 8000 hạt alpha bị lệch ở góc lớn hơn 90º. Ít, nhưng đủ để đặt câu hỏi về một số điều.

Mô hình nguyên tử thịnh hành là bánh pudding nho khô của Thomson, cựu giáo sư của Rutherford tại Phòng thí nghiệm Cavendish, nhưng Rutherford tự hỏi liệu ý tưởng về một nguyên tử không có hạt nhân và có các electron nhúng như nho khô, có đúng không.

Bởi vì hóa ra các hạt alpha bị lệch hướng lớn này, và thực tế là một số ít có khả năng quay trở lại, chỉ có thể được giải thích nếu một nguyên tử có một hạt nhân nhỏ, nặng, dương. Rutherford cho rằng chỉ có lực hút và lực đẩy điện, như được chỉ ra bởi định luật Coulomb, là nguyên nhân gây ra bất kỳ sự sai lệch nào.

Khi một số hạt alpha tiếp cận trực tiếp về phía hạt nhân này và vì lực điện thay đổi theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách, chúng cảm thấy một lực đẩy khiến chúng bị tán xạ góc rộng hoặc lệch hướng về phía sau.

Để chắc chắn, Geiger và Marsden đã thử nghiệm bắn phá các tấm kim loại khác nhau, không chỉ vàng, mặc dù kim loại này là thích hợp nhất vì tính dễ uốn của nó, để tạo ra các tấm rất mỏng.

Bằng cách thu được các kết quả tương tự, Rutherford tin rằng điện tích dương trên nguyên tử nên nằm trong hạt nhân, và không phân tán trong toàn bộ thể tích của nó, như Thomson đã đưa ra trong mô hình của mình.

Mặt khác, vì phần lớn các hạt alpha đi qua mà không bị lệch nên hạt nhân phải rất rất nhỏ so với kích thước nguyên tử. Tuy nhiên, hạt nhân này phải tập trung phần lớn khối lượng của nguyên tử.

Ảnh hưởng đến mô hình của nguyên tử

Kết quả đã khiến Rutherford, người đã tuyên bố tại một hội nghị ở Cambridge, đã khiến Rutherford vô cùng ngạc nhiên: “… nó giống như khi bạn bắn một quả đạn đại bác 15 inch vào một tờ giấy lụa và quả đạn bay thẳng về phía bạn và trúng bạn”.

Vì những kết quả này không thể giải thích được bằng mô hình nguyên tử của Thomson, nên Rutherford đề xuất rằng nguyên tử được tạo thành từ một hạt nhân, rất nhỏ, rất lớn và mang điện tích dương. Các electron vẫn ở trong quỹ đạo xung quanh anh ta, giống như một hệ mặt trời thu nhỏ.

Hình 3. Mô hình nguyên tử của Rutherford ở bên trái và mô hình bánh pudding nho khô của Thomson ở bên phải. Nguồn: Wikimedia Commons. Hình ảnh bên trái: Jcymc90

Đây là mô hình hạt nhân của nguyên tử trong Hình 3 bên trái. Vì các electron cũng rất, rất nhỏ, nên hóa ra nguyên tử là hầu hết mọi thứ…. trống! Do đó, hầu hết các hạt alpha đi qua tấm hầu như không bị lệch hướng.

Và sự tương tự với một hệ mặt trời thu nhỏ là rất chính xác. Hạt nhân nguyên tử đóng vai trò của Mặt trời, chứa gần như toàn bộ khối lượng cộng với điện tích dương. Các electron quay quanh chúng giống như các hành tinh và mang điện tích âm. Lắp ráp là trung tính về điện.

Về sự phân bố của các electron trong nguyên tử, thí nghiệm của Rutherford không cho thấy gì. Bạn có thể nghĩ rằng các hạt alpha sẽ có một số tương tác với chúng, nhưng khối lượng của các electron quá nhỏ và chúng không thể làm lệch hướng các hạt một cách đáng kể.

Nhược điểm của mô hình Rutherford

Một vấn đề với mô hình nguyên tử này chính là hoạt động của các electron.

Nếu chúng không tĩnh, mà quay quanh hạt nhân nguyên tử theo quỹ đạo tròn hoặc elip, được điều khiển bởi lực hút điện, thì cuối cùng chúng sẽ lao về phía hạt nhân.

Điều này là do các electron được gia tốc mất năng lượng, và nếu điều đó xảy ra, nó sẽ là sự sụp đổ của nguyên tử và vật chất.

May mắn thay đây không phải là những gì xảy ra. Có một loại ổn định động ngăn chặn sự sụp đổ. Mô hình nguyên tử tiếp theo, sau của Rutherford, là của Bohr, đã đưa ra một số câu trả lời tại sao sự sụp đổ nguyên tử không xảy ra.

Proton và neutron

Rutherford tiếp tục làm thí nghiệm tán xạ. Giữa năm 1917 và 1918, ông và trợ lý William Kay đã chọn bắn phá các nguyên tử nitơ ở thể khí bằng các hạt alpha có năng lượng cao từ bismuth-214.

Ông lại ngạc nhiên khi phát hiện ra hạt nhân hydro. Đây là phương trình của phản ứng, sự biến đổi hạt nhân nhân tạo đầu tiên từng đạt được:

Câu trả lời là: từ cùng một nitơ. Rutherford đã gán hydro là số nguyên tử 1, bởi vì nó là nguyên tố đơn giản nhất: một hạt nhân dương và một điện tử âm.

Rutherford đã tìm thấy một hạt cơ bản mà ông đặt tên là proton, một cái tên bắt nguồn từ chữ Hy Lạp đầu tiên. Theo cách này, proton là thành phần thiết yếu của mọi hạt nhân nguyên tử.

Sau đó, vào khoảng năm 1920, Rutherford đề xuất rằng phải có một hạt trung hòa có khối lượng rất giống với khối lượng của proton. Ông gọi hạt này là neutron và nó là một phần của hầu hết các nguyên tử đã biết. Nhà vật lý James Chadwick cuối cùng đã xác định được nó vào năm 1932.

Mô hình tỷ lệ của nguyên tử hydro trông như thế nào?

Như chúng ta đã nói, nguyên tử hydro là nguyên tử đơn giản nhất. Tuy nhiên, không dễ để phát triển một mô hình cho nguyên tử này.

Những khám phá liên tiếp đã tạo ra Vật lý lượng tử và toàn bộ lý thuyết mô tả các hiện tượng trên quy mô nguyên tử. Trong quá trình này, mô hình nguyên tử cũng phát triển. Nhưng chúng ta hãy xem xét câu hỏi về kích thước:

Nguyên tử hydro có hạt nhân được tạo thành từ một proton (dương) và có một electron độc thân (âm).

Bán kính của nguyên tử hydro được ước tính là 2,1 x 10 ^-10 m, trong khi bán kính của proton là 0,85 x 10 ^-15 m hoặc 0,85 femtomet. Tên của đơn vị nhỏ này là do Enrico Fermi và được sử dụng rất nhiều khi làm việc ở quy mô này.

Vâng, thương số giữa bán kính nguyên tử và bán kính của hạt nhân có bậc là 10 ⁵ m, tức là nguyên tử lớn hơn hạt nhân 100.000 lần!

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng trong mô hình đương đại, dựa trên Cơ học lượng tử, electron bao bọc hạt nhân trong một loại đám mây được gọi là orbital (quỹ đạo không phải là quỹ đạo) và electron, trên quy mô nguyên tử, thì không. đúng giờ.

Nếu nguyên tử hydro được phóng to - theo cách tưởng tượng - với kích thước của một sân bóng đá, thì hạt nhân bao gồm một proton dương sẽ có kích thước bằng một con kiến ​​ở trung tâm của trường, trong khi electron âm sẽ giống như một loại ma, rải rác khắp ruộng và xung quanh lõi dương.

Mô hình nguyên tử ngày nay

Mô hình nguyên tử "kiểu hành tinh" này rất ăn sâu và là hình ảnh mà hầu hết mọi người đều có về nguyên tử, vì nó rất dễ hình dung. Tuy nhiên, nó không phải là mô hình được chấp nhận ngày nay trong lĩnh vực khoa học.

Các mô hình nguyên tử đương đại dựa trên Cơ học lượng tử. Cô chỉ ra rằng electron trong nguyên tử không phải là một chấm tích điện âm quay theo các quỹ đạo chính xác, như Rutherford đã hình dung.

Đúng hơn, electron bị phân tán trong các khu vực xung quanh hạt nhân dương, được gọi là obitan nguyên tử. Từ anh ta, chúng ta có thể biết xác suất ở trạng thái này hay trạng thái khác.

Mặc dù vậy, mô hình của Rutherford thể hiện một tiến bộ to lớn trong kiến ​​thức về cấu trúc bên trong của nguyên tử. Và nó đã mở đường cho nhiều nhà nghiên cứu tiếp tục hoàn thiện nó.

Người giới thiệu

1. Andriessen, M. 2001. Khóa học HSC. Vật lý 2. Jacaranda Khoa học HSC.
2. Arfken, G. 1984. Vật lý Đại học. Báo chí Học thuật.
3. Knight, R. 2017. Vật lý cho các nhà khoa học và kỹ thuật: Phương pháp tiếp cận chiến lược. Lề.
4. OpenLab Vật lý. Thí nghiệm Rutherford-Geiger-Marsden. Khôi phục từ: Physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề.
6. Tyson, T. 2013. Thí nghiệm tán xạ Rutherford. Lấy từ: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Thí nghiệm của Rutherford. Được khôi phục từ: xaktly.com.
8. Wikipedia. Thí nghiệm của Rutherford. Được khôi phục từ: es.wikipedia.org.