Experiment de Rutherford

Segons Thomson les partícules alfa travessarien la làmina metàl·lica sense desviar-se gaire, però Rutherford va comprovar que algunes es desviaven molt, i d'altres fins i tot rebotaven

L'experiment de Rutherford, anomenat també com l'experiment de Geiger-Marsden o l'experiment de la làmina d'or, va ser realitzat per Hans Geiger i Ernest Marsden (un estudiant de vint anys), sota la direcció d'Ernest Rutherford en els Laboratoris de Física de la Universitat de Manchester l'any 1909 i donat a conèixer el 1911. Els resultats obtinguts i la posterior anàlisi van tenir com a conseqüència la rectificació d'un model nuclear per a l'àtom vigent fins aquell moment, el model de Thomson.

Antecedents

Ernest Rutherford havia comprovat anteriorment que alguns elements radioactius –és a dir, elements els nuclis dels quals són inestables- com l'urani, es descomponien amb emissió de partícules carregades positivament, que ell va anomenar partícules alfa (α), i de radiació electromagnètica, o raigs gamma (γ). Més tard va demostrar que les partícules alfa eren nuclis d'àtoms d'heli. Aquestes partícules són emeses pels nuclis inestables amb velocitats molt elevades (≈10⁷ m/s). Poden recórrer diversos centímetres de distància a través de l'aire o, aproximadament, 0,1 mm a través d'un sòlid abans de ser aturades per les col·lisions amb els àtoms.

Retrat del 1900 d'Ernest Rutherford

El 1906, després d'haver estudiat diverses propietats de la radioactivitat natural, Rutherford dirigí el seu programa de recerca cap a l'estudi de la interacció de les partícules α amb la matèria mitjançant un mètode fotogràfic. Ben prest descobrí que quan aquestes partícules travessen la matèria, algunes d'elles es desvien de la seva direcció inicial i es dispersen. L'aparell emprat per Rutherford estava fet d'un vas dins del qual es podia fer el buit, una font de radiació α, una pantalla amb una estreta escletxa per col·limar el feix de radiació α, i una placa fotogràfica per detectar les partícules α. Tot l'aparell el situà dins d'un camp magnètic, el sentit del qual l'invertia cada 10 minuts. El temps d'exposició fou de 2 hores.

Rutherford descobrí que la imatge de l'escletxa produïda pel feix de partícules alfa tenia les vores definides quan l'experiment es realitzava en el buit. Si, per contra, l'aire omplia l'aparell, o si l'escletxa estava coberta amb una fina làmina de matèria (una mica, de 3x10^–3 cm de gruix), s'ampliava el rastre fotogràfic dels raigs α i la intensitat de l'efecte fotogràfic s'esvaïa lentament a banda i banda del centre. La conclusió era una indubtable dispersió dels raigs. Després d'aquest experiment, que per primera vegada demostrà l'existència de la dispersió de partícules α, Rutherford ja no treballà en aquest tema específic, sinó que continuà bregant amb la naturalesa i les propietats de les partícules α. Com més tard recordà Rutherford, "un examen detallat de la quantitat i el caràcter de la dispersió de les partícules α en el pas per la matèria fou fet primer per Hans Geiger", el jove estudiant de doctorat de Rutherford a la Universitat de Manchester, més tard assistit per Ernest Marsden, encara un estudiant de postgrau. El gran salt en la qualitat dels experiments de Geiger i Geiger i Marsden fou degut a la introducció d'un mètode molt més precís per detectar les partícules, el mètode de centelleig. Es basà en un efecte descobert per primera vegada per William Crookes i per Julius Elster i Hans Geitel el 1903: si un petit cristall de sulfur de zinc, ZnS, fosforescent s'exposa als raigs α i s'observa amb lupa, es veuen breument punts de llum brillants sobre la superfície del cristall. Erich Regener fou el primer a idear, el 1908, un mètode quantitatiu per detectar i comptabilitzar partícules α d'aquest efecte mitjançant un microscopi d'ampliació i obertura.

L'experiment de Geiger del 1908

Esquema de l'aparell emprat per Geiger el 1908. R) font de partícules α; S) escletxa; AA) suports dels fulls d'or o alumini; Z) pantalla fosforescent; M) microscopi

Hans Geiger el 1928

El 1908, Hans Geiger publicà un article on explicava l'experiment que dugué a terme per estudiar la magnitud de la dispersió de les partícules α en travessar la matèria mitjançant l'ús del mètode de centelleig i el mètode de Regener de comptar els centellejos. La part principal de l'aparell de Geiger consistia en un tub de vidre d'uns 2 metres de longitud i 4 cm de diàmetre. Les partícules α emeses per una font intensa de radó, col·locada al punt R de la figura del costat, passaven per una estreta escletxa S, a 114 cm de la font, i produïen una imatge d'aquesta escletxa en una pantalla fosforescent Z, situada al final del tub de vidre, a 54 cm de l'escletxa. El nombre de centelleigs en diferents punts de la pantalla els comptabilitzà directament mitjançant un microscopi M adequat, de 50 augments.

Mitjançant aquest experiment, Geiger descobrí que, si es feia el buit dins del tub, gairebé no s'observaven centelleigs fora de la imatge geomètrica de l'escletxa. Per contra, quan entrava una mica d'aire en el tub, la zona on s'observaven els centelleigs augmentava molt. Resultats similars s'obtenien si es feia el buit dins del tub, però posant un full d'or o alumini tapant l'escletxa a AA. I encara s'ampliava més aquesta zona si el posaven dos fulls d'or o d'alumini. Segons Geiger, aquest experiment proporciona una confirmació directa que les partícules α són dispersades per la matèria, gasos o sòlids, i que aquesta dispersió pot assolir un angle apreciable.

Les partícules α surten per una finestra de mica B d'un tub de vidre AB que conté un radionúclid de radó, impacten contra un metall RR, es reflecteixen i xoquen en la pantalla S observada amb un microscopi M. La placa de plom P evita que les partícules incideixin directament a la pantalla.

Els experiments de Geiger i Marsden del 1909

Ernest Marsden el 1921

Malgrat que la dispersió que experimenten les partícules α es limita a un petit angle (uns pocs mm d'ampliació a una distància de 54 cm després de travessar un fi full d'or o alumini, Geiger i Marsden decidiren investigar la dispersió més detalldament. El 1909 publicaren un article on explicaren un descobriment sorprenent. Inspirats en les recents observacions de Heinrich Willi Schmidt, que quan les partícules β xoquen contra una placa, la radiació emergeix del mateix costat de la placa en què xoquen, Geiger i Marsden es qüestionaren si podria passar també amb les partícules α. Els experiments precedents de Rutherford i Geiger indicaven que era poc probable que es produís tal fenomen.

Les partícules α són emeses per una font radioactiva A, damunt d'una placa de plom, contra un reflector R de platí i s'observen amb un microscopi M en xocar contra una pantalla fosforescent S.

En una sèrie d'experiments, Geiger i Marsden comptabilitzaren partícules α reflectides per diversos metalls (or, argent, platí, coure, estany, alumini, ferro i plom), i també el nombre reflectit per diferents gruixos d'or (que estava fàcilment disponible en forma de làmines uniformement fines). En aquests experiments, es col·locà una placa de plom P entre la font de radiació α AB i la pantalla de detecció S, de manera que l'únic camí disponible d'origen a detector era per reflexió d'una làmina metàl·lica RR. L'observació es feia amb un microscopi M. Primer demostraren que la quantitat de reflexió augmentava segons la massa atòmica del reflector. A continuació, comprovaren que el nombre de centelleigs depenia del gruix del reflector, d'una manera similar als experiments de reflexió utilitzant raigs β. Això es va prendre com una evidència clara per a la dispersió extrema no només a la superfície, sinó també dins del volum del material.

Resultats dels experiments (el plom no figura perquè donà resultats incorrectes)

Metall	Or	Platí	Estany	Argent	Coure	Ferro	Alumini
Massa atòmica relativa, Ar	197	195	119	108	64	56	27
Nombre d'impactes per minut, N	67	63	34	27	14,5	10,2	3,4
Ar/N	34	33	28	25	23	18,5	12,5

En un altre experiment empraren un aparell que consistia en una font de partícules α (radi dipositat sobre la placa A), un reflector de platí R d'un cm² de superfície, una pantalla de sulfur de zinc S. L'arranjament era tal que les partícules α que arribaven a S no provenien directament d'A, sinó que havien de ser desviades a R. Amb aquest experiment Geiger i Marsden descobriren que de cada unes 8 000 partícules α que incidien a R, una d'elles rebotava. A més d'això, mitjançant l'estudi de la quantitat relativa de reflexió a partir d'un metall de diferents gruixos, també descobriren que la dispersió posterior no es produeix a la superfície sinó que té lloc dins del volum de la placa de platí; i que aquest efecte es limita a una capa relativament fina com per requerir la presència dins de l'àtom de forces molt intenses (aproximadament la meitat de les partícules reflectides es reflectien a partir d'una capa ,equivalent a uns 2 mm d'aire). Si es té en compte l'alta velocitat i massa de les partícules α, semblava sorprenent que algunes d'elles poguessin girar dins d'una capa de 6 x 10^–5 cm d'or amb un angle de 90°, o superior.

L'experiment

L'experiment va consistir a "bombardejar" amb partícules alfa una làmina fina d'or, i observar com les làmines de diferents metalls afectaven la trajectòria d'aquests raigs.

Les partícules alfa s'obtenien de la desintegració d'una substància radioactiva, el poloni. Per obtenir un raig fi es va col·locar el poloni en una caixa de plom; el plom absorbia totes les partícules, excepte les que sortien per un petit orifici fet a la caixa. Perpendicular a la trajectòria del raig hi havia la làmina d'or. I, per a la detecció de la trajectòria de les partícules, s'utilitzà una pantalla amb sulfur de zinc, que produeix petites espurnes cada vegada que una partícula alfa xoca amb ell.

Segons el model de Thomson, les partícules alfa travessarien la làmina metàl·lica sense desviar-se gaire de la seva trajectòria:

• La càrrega positiva i els electrons de l'àtom es trobaven dispersos de forma homogènia en tot el volum de l'àtom. Com que les partícules alfa posseeixen una gran massa (unes 8 000 vegades major que la de l'electró) i una gran velocitat (uns 20 000 km/s), les forces elèctriques serien molt dèbils i insuficients per desviar les partícules alfa.
• A més, per travessar la làmina de metall, aquestes partícules es trobarien amb molts àtoms, que anirien compensant les desviacions cap a diferents direccions. Per tant, segons el model de Thomson no calia esperar massa dispersió.

- En l'experiment, però, el que observaren era que la majoria de les partícules alfa travessaven la làmina d'or sense experimentar pràcticament cap desviació de la trajectòria. Però una certa fracció era desviada molt apreciablement (els angles de dispersió eren grans) i algunes fins i tot rebotaven i tornaven cap a la font. El resultat era sorprenent i Rutherford destacà: "el que succeïa era el més increïble... Era tan sorprenent com disparar bales de canó a una tela i que rebotessin cap a tu".

El model atòmic de Rutherford

Model atòmic segons Rutherford

La conclusió final, i inesperada, de Rutherford va ser que gairebé tota la massa i tota la càrrega positiva de l'àtom està concentrada en un volum molt petit situat al centre de l'àtom. Rutherford va denominar "nucli" aquest constituent de l'àtom. Doncs, si això és així, la major part del volum ocupat per un àtom està "ple" només d'electrons, la majoria de les partícules alfa passen a través d'aquest espai sense experimentar cap desviació. Només quan alguna partícula alfa passa molt a prop del nucli de l'àtom, pesant i carregat positivament, experimenta una desviació important. La petitíssima fracció de partícules que xoca més o menys directament amb el nucli és la que es desvia molt o, fins i tot, rebota i inverteix el sentit de la trajectòria.

El model de Rutherford mantenia el plantejament de Joseph John Thomson, que els àtoms posseeixen electrons, però la seva explicació sostenia que tot àtom estava format per un nucli atòmic i una escorça electrònica. El nucli devia tenir la càrrega positiva, un radi molt petit i en ell es concentrava gairebé tota la matèria de l'àtom. L'escorça estaria formada per un "núvol" d'electrons que orbiten al voltant del nucli.

Segons Rutherford, les òrbites dels electrons no estaven molt ben definides i formaven una estructura complexa al voltant del nucli, i li conferien una mida i una forma indefinida. També va calcular que el radi de l'àtom, segons els resultats de l'experiment, era deu mil vegades major que el mateix nucli, la qual cosa implicava un gran espai buit en l'àtom.

Enllaços externs

• Descripció de l'experiment pel New Mexico Institute of Mining and Technology Arxivat 2007-12-19 a Wayback Machine.