Το Ατομικό Μοντέλο του Rutherford

Όλοι έχουμε δει συκώνια σε ποδόσφαιρο. Προηγουμένως, θεωρούσαν ότι τα ηλεκτρόνια σε ένα άτομο είναι κατανεμημένα σε θετική φορτίση όπως τα συκώνια σε ένα ποδόσφαιρο. Δηλαδή, θεωρούσαν ότι η θετική φορτίση υπάρχει σε όλο το άτομο και τα αρνητικά ηλεκτρόνια είναι ανομοιογενώς κατανεμημένα σε αυτό, όπως τα συκώνια στο ποδόσφαιρο. Αυτή η έννοια του ατομικού μοντέλου είναι γνωστή ως το μοντέλο των συκώνιων στο ποδόσφαιρο. Αυτή η έννοια παρουσιάστηκε από τον J.J. Thomson, που ήταν επίσης ο εφευρέτης των ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με το μοντέλο των συκώνιων στο ποδόσφαιρο, οι θετικές και αρνητικές φορτίσεις ενός ατόμου είναι κατανεμημένες σε όλο το σώμα του ατόμου και δεν πρέπει να υπάρχει καμία συγκεντρωμένη μάζα στο άτομο.
Το 1899, ο Ernest Rutherford του Πανεπιστημίου Manchester ανακάλυψε τα α-σωματίδια, θετικά φορτίσματα ελίου που εκλύονται από βασανιστικά υλικά όπως το ουράνιο. Αυτά τα α-σωματίδια δημιουργούν λαμπρά σημεία όταν πλήττουν ένα στρώμα ζινκ σουλφίδας. Εφόσον δεν υπάρχει καμία συγκεντρωμένη μάζα στο άτομο, προβλέφθηκε ότι αν ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο χτυπηθεί με θετικά φορτισμένα α-σωματίδια, τότε όλα αυτά τα α-σωματίδια θα περάσουν το φύλλο χωρίς μεγάλη αποκλίνουσα στην τροχιά τους.

Το μικρό ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται στα άτομα δεν μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τη κίνηση των σωματιδίων. Έτσι, προβλέφθηκε ότι η αποκλίνουσα στην τροχιά της κίνησης των α-σωματιδίων θα ήταν λιγότερη από 1o. Αυτή η πρόβλεψη ένθαρσε τον Ernest Rutherford να διεξάγει πειράματα για να επαληθεύσει το μοντέλο των συκώνιων στο ποδόσφαιρο. Οδήγησε τους συναδέλφους του επιστήμονες Ernest Marsden και Hans Geiger να χτυπήσουν ένα λεπτό μεταλλικό φύλλο με α-σωματίδια για να επαληθεύσουν αυτή την πρόβλεψη. Σύμφωνα με τις οδηγίες, ο Ernest Marsden και ο Hans Geiger διεξήγαγαν ένα πείραμα και έκαναν ιστορία. Τοποθέτησαν ένα πολύ λεπτό φύλλο χρυσού μπροστά από το πυροβολικό α-σωματιδίων. Τοποθέτησαν επίσης ένα στρώμα ζινκ σουλφίδας γύρω από το φύλλο χρυσού για να παρατηρήσουν τα λαμπρά σημεία σε αυτό όταν τα α-σωματίδια πλήττουν. Διεξήγαγαν το πείραμα σε ένα σκοτεινό δωμάτιο. Παρατήρησαν κατά τη διάρκεια του πειράματος ότι, όπως προβλέφθηκε, τα α-σωματίδια διασχίζουν το φύλλο και πλήττουν το στρώμα ζινκ σουλφίδας πίσω από το φύλλο.

Αλλά μετά τον υπολογισμό των λαμπρών σημείων στην οθόνη, ανακάλυψαν ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα. Όλα τα α-σωματίδια δεν διασχίστηκαν το φύλλο με ευθεία τροχιά, όπως προβλέφθηκε. Μικρό ποσοστό των πυροβολημένων α-σωματιδίων άλλαξε την τροχιά της κίνησης κατά τη διάσχιση του φύλλου χρυσού. Όχι μόνο οι σωματίδιοι αποκλίνθηκαν από την τροχιά τους, αλλά και λίγα από αυτά επέστρεψαν άμεσα προς την πηγή ή το πυροβολικό α-σωματιδίων. Μετά από λεπτομερή μελέτη της παρατήρησης, ο Ernest Marsden και ο Hans Geiger υπέβαλαν έκθεση στον Ernest Rutherford. Μετά την ανάγνωση και μελέτη της έκθεσής τους, ο Rutherford πρόβλεψε ένα διαφορετικό μοντέλο του άτομου, το οποίο είναι γνωστό ως μοντέλο Rutherford του άτομου.

Πρόβλεψε ότι τα α-σωματίδια που επέστρεψαν άμεσα πρέπει να έχουν συγκροτηθεί με κάποια πολύ βαρύτερη μάζα και αυτή η μάζα θα πρέπει να είναι θετικά φορτισμένη. Αυτό επίσης ανακαλύφθηκε ότι κάποια από τα α-σωματίδια που αποκλίνθηκαν δεν επέστρεψαν, αλλά είχαν μια πολύ μεγάλη γωνία αποκλίνουσα. Με την παρατήρηση διαφορετικών γωνιών αποκλίνουσας και του αριθμού των σωματιδίων που αποκλίνθηκαν με αυτές τις γωνίες, πρόβλεψε ότι τα θετικά φορτισμένα α-σωματίδια επηρεάζονται επίσης από ένα συγκεντρωμένο θετικό φορτίο. Ορίστηκε ότι η συγκέντρωση της μάζας και του θετικού φορτίου είναι στην ίδια θέση στο άτομο και αυτό είναι στο κέντρο του άτομου και το ονόμασε πυρήνα του άτομου. Ορίστηκε επίσης ότι, εκτός από τον κεντρικό πυρήνα, ολόκληρος ο χώρος στο άτομο είναι κενός.

Μετά από αυτό το πείραμα με το φύλλο χρυσού, ο Rutherford έδωσε ένα πιο ρεαλιστικό μοντέλο του άτομου. Αυτό το μοντέλο είναι επίσης γνωστό ως Νοηματικό Ατομικό Μοντέλο ή Πλανητικό Μοντέλο Ατόμου. Αυτό το μοντέλο δόθηκε το 1911. Σύμφωνα με το μοντέλο Rutherford του άτομου, σχεδόν ολόκληρη η μάζα του άτομου είναι συγκεντρωμένη σε αυτόν τον πυρήνα. Αυτός ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος και περιβάλλεται από μικρά ελαφρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα οποία ονομάζονται ηλεκτρόνια. Αυτά τα ηλεκτρόνια κυκλοφορούν γύρω από τον πυρήνα με τον ίδιο τρόπο που οι πλανήτες κυκλοφορούν γύρω από τον ήλιο στο πλανητικό σύστημα. Γι' αυτό, αυτό το μοντέλο είναι επίσης γνωστό ως το Πλανητικό Μοντέλο Ατόμου.

Ο ακτίνας του πυρήνα είναι περίπου 10-13 cm. Ο ακτίνας της κυκλικής τροχιάς που ταξιδεύουν τα ηλεκτρόνια γύρω από τον πυρήνα είναι περίπου 10-12 cm, ο οποίος είναι μεγαλύτερος από την διάμετρο ενός ηλεκτρονίου. Ο ακτίνας του άτομου είναι περίπου 10-8 cm. Έτσι, όπως ένα πλανητικό σύστημα, το άτομο είναι επίσης απίθανα ανοιχτό, λόγω του οποίου μπορεί να διασχιστεί από υψηλόταχα σωματίδια διάφορων τύπων. Το Πλανητικό Μοντέλο Ατόμου Rutherford φαίνεται στο παρακάτω σχήμα-

Υπάρχει μια δύναμη ελκύσεως μεταξύ του θετικά φορτισμένου πυρήνα και των αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων που ταξιδεύουν γύρω από τον πυρήνα. Αυτή η ηλεκτροστατική δύναμη μεταξύ θετικά φορτισμένου πυρήνα και αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων είναι παρόμοια με την βαρυτική δύναμη ελκύσεως μεταξύ Ηλίου και πλανητών που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Ο μεγαλύτερος μέρος αυτού του πλανητικού ατόμου είναι κενός χώρος, ο οποίος δεν προσφέρει καμία αντίσταση για την πάροδο θετικά φορτισμένων μικρών σωματιδίων όπως τα α-σωματίδια.
Ο πυρήνας του άτομου είναι πολύ μικρός, πυκνός και θετικά φορτισμένος, το οποίο αποτελεί σε σκέδαση θετικά φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό το φαινόμενο για τη σκέδαση θετικά φορτισμένων α-σωματιδίων από θετικά φορτισμένο πυρήνα, εξηγεί τη σκέδαση θετικά φορτισμένων α-σωματιδίων από το φύλλο χρυσού, όπως παρατηρήθηκε από τον Ernest Rutherford. Το μοντέλο Rutherford του άτομου επιτύχει να αντικαταστήσει το ατομικό μοντέλο Thomson’s Plum Pudding model που δόθηκε από τον αγγλικό φυσικό Sir J.J. Thomson.

Σύμφωνα με το μοντέλο Rutherford, τα ηλεκτρόνια δεν είναι ενσωματωμένα στη μάζα του άτομου. Τα ηλεκτρόνια είτε είναι σταθερά στο χώρο είτε περιστρέφονται σε κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Αλλά αν τα ηλεκτρόνια είναι σταθερά, πρέπει να έχουν πέσει στον πυρήνα λόγω της δύναμης ε