러더퍼드 실험과 프로토 타입



그 러더퍼드 실험 한 그룹의 과학자들이 각 원자가 양전하를 띤 핵을 가지고 있음을 발견했다..

Ernest Rutherford는 뉴질랜드의 물리학 자이자 화학자였습니다. 그는 방사성 입자 연구에 중점을 두었고 1908 년 노벨 화학상을 수상 할 수있는 여러 조사를 실시했다..

한스 가이거 (Hans Geiger)와 어니스트 마스 덴 (Ernest Marsden) 러더퍼드 (Rusherford)의지도 아래 맨체스터 대학의 실험실에서 원자 모델을 만드는 일을 도왔다..

존재하는 최초의 원자 이론 중 하나는 전자의 발견자인 Thomson에 의해 공식화 된 것입니다. 그는 원자가 양전하를 띠고 전자가 그 안에 분포되어 있다고 믿었다..

Thomson의 이론에 따르면 알파 입자가 원자와 충돌하면이 입자가 원자를 통과하게됩니다. 이것은이 모델에 따른 원자의 전기장에 의해 영향을받을 것이다..

이때 양성자와 중성자는 발견되지 않았다. 톰슨은 자신의 존재를 증명할 수 없었으며 그의 모델은 과학 공동체에 의해 받아 들여지지 않았습니다..

톰슨 이론의 존재를 입증하기 위해, 러더퍼드, 가이거, 마스 덴 드는 헬륨 가스 핵으로 만든 알파 입자를 금속 시트에 충돌시키는 실험을했다..

Thomson 모델이 작동하면, 입자는 편차없이 금속 시트를 통과해야합니다.

러더퍼드 실험의 발전

첫 번째 프로토 타입

1908 년에 실시 된 실험의 첫 번째 디자인 프로토 타입은 Geiger가 물질에 의한 입자의 분산에 관하여.

그들은 약 2 미터 길이의 유리관을 만들었고, 한쪽 끝은 라디오 소스가 있었고, 반대쪽 끝에는 인광판이 놓여있었습니다. 튜브 중간에 알파 입자가 통과 할 수 있도록 깔때기가 설치되었습니다..

계속되는 과정은 슬릿을 통해 알파 입자를 통과시켜 인광 성 스크린 상에 광 빔을 투사하는 것이었다.

튜브에서 모든 공기를 펌핑하여 얻은 이미지는 깨끗하고 튜브 중앙의 구멍과 일치합니다. 튜브 내의 공기량이 낮아지면 이미지가 더 확산됩니다.

그런 다음 Thomson의 이론이 유지되면서 무언가를 쳤거나 통과했을 때 입자가 따라가는 궤적을보기 위해 금박을 슬롯에 삽입했습니다.

이것은 공기와 고체가 더 확산 된 이미지로 인광 성 스크린에 반사 된 입자의 분산을 일으킨다는 것을 보여 주었다.

이 첫 번째 프로토 타입의 문제점은 분산의 결과 만 보여 주었지만 알파 입자가 따라가는 궤적이 아니라는 것입니다..

두 번째 프로토 타입

Geiger와 Marsden은 1909 년 알파 입자의 움직임을 보여주는 실험을 설명하는 기사를 발표합니다.

알파 입자의 확산 반사 (Diffuse Reflection of Alpha Particles) 실험은 입자가 90도 이상의 각도로 움직이는 것을 발견하는 것을 목표로한다고 설명한다.

그들은 원뿔 모양의 유리 용기가 만들어지는 실험을위한 두 번째 프로토 타입을 만들었습니다. 그들은 리드 플레이트를 장착하여 알파 입자가 충돌하고 분산을 관찰하기 위해 형광판을 뒤에 놓았습니다.

이 장치의 구성에 대한 문제는 입자가 공기 분자에서 튀어 나와 리드 플레이트를 피할 수 있다는 것입니다..

그들은 형광판에 금속판과 톱을 놓아서 입자가 더 많이 불어 나는 것을 테스트했습니다..

원자 질량이 더 큰 금속은 더 많은 입자를 반사하지만, 가이거 (Geiger)와 마스 덴 (Masden)은 정확한 입자 수를 알고 싶어했습니다. 그러나 라디오와 방사성 물질을 가진 실험은 정확하지 않을 수 있습니다..

3 번째 프로토 타입

기사 물질에 의한 α- 입자의 분산 1910 년 Geiger가 설계 한 세 번째 실험을 설명합니다. 여기서는 입자가 접촉하는 재료에 따라 입자의 분산 각도를 측정하는 데 이미 집중했습니다.

이번에는 튜브가 수밀 상태 였고 수은이 라돈 222를 형광 스크린으로 펌핑했습니다. 현미경의 도움으로 형광등 화면에 나타난 깜박 거림을 계산했습니다.

입자를 따르는 각도가 계산되었고, 물질의 더 큰 원자 질량에 따라 편향 각도가 증가하고 물질의 원자 질량에 비례한다는 결론에 도달했습니다.

그러나 가장 큰 편향 각은 속도에 따라 감소하고 90 ° 이상으로 벗어날 확률은 무시해도 좋습니다.

이 프로토 타입에서 얻은 결과를 사용하여 Rutherford는 분산 패턴을 수학적으로 계산했습니다..

수학적 방정식을 통해 원자가 중심에서 양전하를 띤다고 가정하고 시트가 입자를 어떻게 분산시켜야하는지 계산했습니다. 후자는 단지 가설로 간주되었지만.

개발 된 방정식은 다음과 같습니다.

여기서, s = 편향 각 Φ의 단위 면적에 해당하는 알파 입자의 수

  • r = 분산 재료에 대한 알파 광선의 입사 지점까지의 거리
  • X = 분산 물질에 떨어지는 총 입자 수
  • n = 물질의 단위 부피에있는 원자의 수
  • t = 시트의 두께
  • Qn = 원자핵의 양전하
  • Qα = α 입자의 양전하
  • m = 알파 입자의 질량
  • v = 알파 입자의 속도

최종 프로토 타입

러더퍼드의 방정식 모델을 통해, 무엇이 가정되고 있는지를 보여주기위한 실험이 시도되었고, 원자는 양전하를 띤 핵을 가지고 있었다..

설계된 방정식은 주어진 각도 (Φ)에서 관찰되는 분당 플래시 수를 다음과 비례해야한다고 예측했습니다.

  • csc4Φ / 2
  • 시트의 두께 t
  • 중심 부하 (Qn)의 크기
  • 1 / (mv2)2

이 네 가지 가설을 입증하기 위해 네 가지 실험이 작성되었으며, 큰 각에 의한 α 입자의 휨의 법칙 1913 년.

csc에 비례하는 효과를 테스트하려면4Φ / 2, 칼럼에 턴테이블 위에 실린더를 만들었다..

형광 스크린으로 덮인 공기와 현미경을 펌핑하는 칼럼은 러더퍼드 (Rutherford)의 가설이 입증 된 150º까지 벗어난 입자를 관찰 할 수있었습니다.

시트의 두께에 대한 가설을 시험하기 위해 다양한 두께의 시트로 덮인 6 개의 구멍이있는 디스크를 장착했습니다. 섬광의 수는 두께에 비례한다는 것이 관찰되었다.

그들은 핵의 하중이 원자량에 비례한다고 가정 할 때, 분산 패턴을 측정하기 위해 이전 실험의 디스크를 재사용했다. 그들은 분산이 원자 제곱 제곱에 비례 하는지를 측정했다.

얻은 플래시를 공기의 등가로 나눈 다음 원자량의 제곱근으로 나눈 값과 비슷한 비율을 발견했다

마지막으로 동일한 실험 디스크를 사용하여 입자를 지연시키기 위해 더 많은 운모 디스크를 배치했으며 허용 오차 범위에서 신틸레이션 수가 1 / v에 비례 함을 보여주었습니다4, 러더퍼드 (Rutherford)가 그의 모델에서 예언 한 것처럼.

실험을 통해 그들은 모든 러더퍼드의 가설이 러더 포드 원자 모형을 결정하는 방식으로 충족되었다는 것을 증명했다. 1917 년에 마지막으로 발표 된이 모델에서, 원자들은 양전하를 가진 중심 핵을 가지고 있다고 가정된다.

원자의 중앙 핵이 양전하를 띠는 경우, 나머지 원자는 공전 궤도를 도는 전자로 비어있을 것이다..

이 모델을 통해 원자들이 중성 전하를 띠고 있고 핵에있는 양전하가 주위를 돌고있는 같은 수의 전자에 의해 중화된다는 것이 밝혀졌다..

원자에서 전자를 제거하면 양전하를 띄게됩니다. 원심력은 전기력과 같기 때문에 원자는 안정되어 전자를 제 위치에 유지합니다.

참고 문헌

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