Експериментът на Ръдърфорд със златно фолио

Това е цитат от един физик като коментар за резултатите от един от експериментите му. За този експеримент той казал: "Все едно си изстрелял 15-инчова черупка към парче носна кърпичка и тя се е върнала и те е ударила." Нека поговорим за експеримента му и какво е правил той. По това време Ръдърфорд е правел много изследвания върху радиоактивността. Той е бил приятел с Мария Кюри и нейния съпруг Пиер. И е правел много проучвания, като разглеждал различни видове реактивност. По-точно, по това време се интересувал от алфа частиците. Тогава той не е знаел какво са, но днес знаем, че са Хелий 2+. Това означава, че имаме 2 протона в ядрото, след като това е Хелий, и има също 2 неутрона. И няма никакви електрони, следователно има заряд 2+. Ръдърфорд взел парче радий и го поставил в оловна кутия. Оловната кутия имала малка дупка в едната от страните си, така че радиоактивните алфа частици можели да излязат от тази дупка в исканата от Ръдърфорд посока. Той изстрелял алфа частиците към много тънък лист златно фолио. И е бил любопитен дали може да научи нещо за структурата на атомите чрез този експеримент. Ако погледнем обратно към цитата, можем да кажем, че алфа частиците тук са куршумите, които излизат от пистолета с алфа частици, и златното фолио е носната ни кърпичка. И имаме тези доста бързи и масивни алфа частици, които изстрелваме към него. Но защо Ръдърфорд е очаквал това да се случи тук? Не е толкова очевидно, поне за мен – защо ще си помислиш, че алфа частиците просто ще преминат право напред през златното фолио? По това време Ръдърфорд е тествал модела "пудинг със стафиди". Това е доста рано в исторически план – ние сме учени от миналото и знаем, че Джей Джей Томпсън, друг физик, току-що е открил електроните. Знаем, че атомът има тези частици, които са малки, които са много малки. И знаем, че те са по-малко от 1% от масата на един водороден атом, тоест много по-малки от един атом. И знаем, че те са отрицателно заредени, ще ги нарека електрони, понеже сега знаем, че те са електрони. Джей Джей Томпсън знаел, че електроните съществуват от резултатите от експериментите си и въз основа на резултатите си той предположил, че един атом изглежда подобно на пудинг със стафиди. И ако не знаеш какво е пудинг със стафиди, понеже може би не си от Великобритания, или може би просто не обичаш десерти, можеш да си представиш, че изглежда като бисквита с шоколадови парченца. Имаме тези малки отрицателно заредени частици, които са в самия атом, но по-голямата част от атома е изградена от положително заредена "супа". И това е така, понеже атомът като цяло трябва да е неутрален. Учените знаели, че атомите са неутрални, така че трябвало да има нещо, което да неутрализира отрицателния заряд на електрона. Понеже Ръдърфорд имал тази идея за вида на златните атоми, той можел да направи математически прогнози за това какво ще направят алфа частиците. И той прогнозирал, че те просто ще преминат право напред. Можеш да използваш физични уравнения, за да разгледаш електричното поле, което се генерира от тази положително заредена "супа", и се оказва, че това поле, понеже зарядът е разпространен по целия атом, полето е много слабо. Затова той помислил, че всички частици ще преминат право напред и, от време навреме, една от тях може малко да е изкривена, след като имаме положително зареден атом. В зависимост от това през къде преминава алфа частицата, той е предположил, че може да видиш малко отклонение, но по-голямата част ще преминат право напред. И предполагам, че започваме със спойлер, понеже знаем, че не се е получило точно това, което той е очаквал. Какво точно е видял Ръдърфорд? Той е изстрелял алфа частиците си по тази носна кърпичка и видял, че повечето от частиците преминали право напред, точно както очаквал. Всъщност той видял, че почти всички частици преминали право напред. Видял, че няколко от тях били малко отклонени, така че те били отклонени от пътя си с около може би един градус, толкова леко отклонени, че това едва се забелязвало. И ако той не е бил любопитен химик, може би все още щяхме да мислим, че атомът изглежда точно така. Но за щастие Ръдърфорд е бил много умен химик и сметнал, че може да е интересно да засече дали частиците идват, не само тук, той не само поставил детекторен екран тук, той е поставил детекторен екран около цялото поле. Почти около цялото поле, като дал достатъчно пространство на алфа частиците да навлязат в полето. И е бил много внимателен, понеже не очаквал да види нещо тук или тук, или тук, или където и да е другаде, освен тук. Но се оказало, че за всяка... за 1 от 20 000 алфа частици или някакъв налудничаво малък брой, за всяка 1 от 20 000 алфа частици видял частици, които удрят златното фолио и отскачат назад. Не е ли това налудничаво? Точно това, което не очакваш, когато удариш носна кърпичка с куршум. Първото нещо, което направил, било не да си помисли: "това е много шантаво, току-що спечелих Нобелова награда!" Сигурна съм, че първото нещо, което направил, е да си каже, че това е странно. И после вероятно е проверил резултатите от експеримента си. И е опитал да го повтори, и проверил всичко, за да се увери, че нищо не е погрешно. И се оказало, че, да, нещо наистина се случвало. Тази 1 от 20 000 алфа частици била истинска. Какво означавало това? Това означавало, че ни трябва нов атомен модел. Трябвало да обясним някак, че една малка част от алфа частиците била отклонявана назад. Как направил това? Той знаел, че в атома имало нещо, което било малко, масивно и положително заредено. И знаел, че трябва да е малко, понеже алфа частиците, които взаимодействали с него, били малко, понеже повечето от тях преминали право напред. Той знаел, че трябва да е масивно и положително заредено, понеже електроните са много малки и повечето от частиците преминали право напред. Това, с което тези частици взаимодействали, трябвало да бъде много малко, но доста тежко, защото ги карало да отскочат право назад. Така че той направил нов модел на атома, който включвал тези изисквания. И казал, че там вътре трябва да има нещо с тези свойства, нещо, което днес наричаме ядро. И то е много малко. Успял е да изчисли приблизително колко е голямо, въз основа на това колко алфа частици го уцелили, и казал, че то е приблизително 1/10 000 от обема на атома. И после какво друго имаме? Знаем, че имаме това ядро, което е положително заредено, малко и масивно. А също имаме и електрони. И какво прави останалата част от атома? Въз основа на всичко това, това означава, че по-голямата част от атома всъщност е празно пространство. След като електроните са много малки и ядрото заема само 1/10 000 от радиуса, останалото пространство е просто нищо, което е странно. И въз основа на този модел, който Ръдърфорд изработил след това, той е успял да обясни резултатите си. Той успял да обясни, че повечето от алфа частиците просто преминавали право напред и от време на време една алфа частица ще се доближи до ядрото, а после ще бъде малко отклонена, и в дори по-редки случаи една алфа частица може да уцели ядрото и тогава тя ще бъде изблъскана назад, понеже ядрото е много тежко и понеже е положително заредено, така че ще отблъсне положително заредената алфа частица. Ръдърфорд нарекъл този модел – или ние сега го наричаме така, не съм сигурна – нарекъл го Нуклеарен (ядрен) модел. Той всъщност изглежда доста подобен на модерното изображение на атома, което повечето хора си представят. Тук има много все още неотговорени въпроси, като например какво точно правят електроните. Или къде са те? Къде са електроните? Но понеже Ръдърфорд предложил този нов модел, други учени успели да създадат нови експеримент, за да го тестват. И след не много дълго време сме имали доста добра представа за това какво се случва на атомно ниво.