Rutherford aranyfólia kísérlete

Egy fizikustól származik a következő idézet, melyet egy kísérletében tapasztaltakról mondott. Így fogalmazott: „Ez olyan, mintha egy 40 centis ágyúgolyóval meglőnénk egy selyempapírt, és az visszapattanva eltalálna minket.” Nézzük meg, miről is van szó ebben a kísérletben! Rutherford akkoriban a radioaktivitást kutatta. Barátja volt Marie Curie-nek, és férjének, Pierre-nek. Tanulmányozta a radioaktivitás különböző formáit, és különösen foglalkoztatták az alfa-részecskék, melyek – bár akkor ő ezt még nem tudhatta – nem mások, mint 2+ töltésű héliumatommagok. Mivel hélium, a mag 2 protont tartalmaz, és van benne még 2 neutron is. Elektronja nincs, ezért 2+ a töltése. Rutherford fogott egy darabka rádiumot, és egy ólomdobozba tette. A doboz egyik oldalán volt egy kis lyuk, így az alfa-részecskékből álló sugárzás kijöhetett a kívánt irányba. Ezután az alfa-részecskékkel megcélzott egy nagyon vékony aranyfóliát. Kíváncsi volt, kiderül-e ebből valami az atom felépítéséről. Ha visszagondolunk az idézetre, az alfa-részecskék a lövedékek, melyek az „alfarészecske-ágyúból” kijönnek, és az aranyfólia a hasonlat selyempapírja. Az alfa-részecskék, melyeket rálövünk, igen fürgék és nehezek. De vajon miért számított itt erre Rutherford? Nem teljesen magától értetődő szerintem, miért is gondolnánk, hogy az alfa-részecskék egyenesen átmehetnek az aranyfólián. Rutherford a Thomson-féle „mazsoláspuding”-atommodellt akarta vizsgálni. Ez elég korai része az atomfizika történetének, amikor annyit tudtak a tudósok, hogy egy másik fizikus, J. J. Thomson éppen felfedezte az elektront. Tudtak az atomról, és arról, hogy abban kicsi részecskék vannak. Igazán aprók, tudták azt is, hogy a hidrogénatom tömegének 1%-át sem tették ki, tehát sokkal kisebbek az atomnál. Azt is tudták, hogy negatív töltésűek. Maradjunk is az „elektron” megnevezésnél, hiszen róluk van szó. J. J. Thomson tehát tudta a kísérleteiből, hogy léteznek elektronok, és a megfigyelései alapján arra jutott, hogy az atom egy mazsoláspudingra hasonlít. Ha esetleg nem tudod, mi az, mert nem vagy brit, vagy csak nem szereted a desszerteket, elképzelhetsz helyette egy csokidarabokat tartalmazó süteményt is. Vannak tehát a kis negatív töltésű részecskék, melyek az atomban találhatók, de az atom nagy része egy pozitív töltésű massza. Az atom egészének ugyanis semlegesnek kell lennie. Ezt tudták a tudósok, így valaminek ki kellett egyenlítenie az elektronok negatív töltését. Rutherford ezekből kiindulva felállított egy elképzelést, hogy hogy is nézhetnek ki az aranyatomok. Kiszámította, hogy milyen viselkedést vár az alfa-részecskéktől. Számításai szerint csak egyszerűen át kellett volna menniük a fólián. A fizika egyenleteit használva az elektromos mező tulajdonságait ki lehet számolni, amelyet a pozitív töltésű massza hozott létre, és kiderül, hogy mivel a pozitív töltés eloszlik, a mező igen gyenge. Így azt gondolta, hogy minden részecske simán átmegy a fólián, esetleg némelyik kicsit elkanyarodik. Mivel egy pozitív töltésű masszánk van, attól függően, hogy hol halad át a részecske, kis eltérülésre számított némelyiknél, de nagy részüknél sima áthaladásra számított. Azt hiszem, elárultam a titkot, hiszen tudjuk, hogy nem azt kapta, amit várt. Mit is látott pontosan Rutherford? A „selyempapírra” lőtt alfa-részecskék nagy része egyenesen átment, ahogy várta. Igazság szerint szinte mindegyik részecske egyenesen átjutott. Néhány kissé elkanyarodott, letértek az útjukról, talán kb. egy fokkal, így éppen csak lehetett észlelni. Ha nem lett volna kíváncsi kémikus, talán a mai napig is azt gondolnánk, hogy így néz ki egy atom. De szerencsére Rutherford nagyon alapos kémikus volt, és eszébe jutott, hogy talán érdemes megnézni, nem jönnek-e véletlenül részecskék nem csak erre, nem csak ide helyezett detektáló ernyőt, hanem körbe, mindenhova. Majdnem teljesen körbevette a fóliát, csak a bejövő részecskéknek hagyott helyet. Nagyon gondos volt annak ellenére, hogy igazából nem várt semmit itt, vagy itt, vagy itt, vagy bárhol, kivéve itt elöl. De kiderült, hogy kb. minden... minden húszezredik alfa-részecske, vagy valami hasonló őrülten kicsi szám... szóval minden 20 000. részecskénél azt látta, hogy eltalálják az aranyfóliát, és visszapattannak. Őrület, nem? Ez pont az, amit legkevésbé várnánk, ha rálövünk egy darab selyempapírra. Bizonyára nem az volt az első gondolata, hogy hm, ez igazán elképesztő, meg is van a Nobel-díj. Szinte biztos vagyok benne, hogy az első gondolata az volt, hogy ez nagyon fura. És bizonyára ellenőrizte az eredményeket. És megpróbálta megismételni, mindenre odafigyelve, nehogy valami hiba legyen a mérésben. És kiderült, hogy igen, tényleg történik valami különös. Nem hiba volt az az 1 részecske a 20 000-ből. Mit jelentett ez? Azt, hogy új atommodell kellett. Valahogy meg kellett magyarázni, hogy az alfa-részecskéknek egy kis hányada hogyan pattanhat vissza. Hogy is csinálta? Rájött, hogy van az atomban valami, ami apró, nehéz és pozitív töltésű. Tudta, hogy nagyon kicsinek kell lennie, mert kevés alfa-részecske lépett vele kölcsönhatásba, hiszen a nagy részük csak átszaladt. Tudta, hogy nehéznek kell lennie és pozitív töltésűnek, mivel az elektronok könnyűek, és a részecskék nagy része egyenesen átment. Tehát bármi is az, amivel a részecskék kölcsönhatnak, mindenképpen kicsi és nehéz, ezért pattanhattak róla vissza a részecskék. Így alkotta meg Rutherford az új atommodellt, ezen követelmények figyelembe vételével. Azt mondta, hogy kell ott lennie valaminek a megadott tulajdonságokkal. Ezt hívjuk atommagnak. Tényleg kicsi, ki is számolta, mekkora, bár nem pontosan. Közelítő értéket tudott megadni arról, hogy mennyi alfa-részecske találta el a magot. Úgy számolta, hogy a mag kb. az atom térfogatának 1/10 000 részét teszi ki. (helyesen: sugarának) Mit tudunk még? Tudjuk, hogy van a mag, mely pozitív töltésű, kicsi és nehéz. Vannak még az elektronok. Mi van a többi résszel? Az derült ki, hogy az atom jelentős része egy nagy üresség. Mivel az elektronok igen kicsik, és a mag sugara csak 1/10 000 része az atoménak, a maradék a nagy semmi, ami elég furcsa, de ennek alapján Rutherford meg tudta magyarázni a kísérleti eredményeket. Meg tudta magyarázni, hogy az alfa-részecskék nagy része átmegy a fólián, de néha egyikük nagyon közel megy egy atommaghoz, és kicsit eltérül, és még ritkábban egy alfa-részecske telibe talál egy magot és visszapattan, mivel a mag nagyon nehéz és pozitív töltésű, így taszítja a szintén pozitív töltésű alfa-részecskét. Rutherford ezt a modellt úgy nevezte... Vagy mi hívjuk úgy? Nem vagyok benne biztos, szóval úgy hívta, hogy atommag-modell. Ez eléggé hasonlít az atomról alkotott mai képünkhöz, ami a legtöbb embernek eszébe juthat. Sok kérdésre nem válaszoltunk még, például hogy mit is csinálnak pontosan az elektronok, vagy hol vannak. Hol vannak az elektronok? Rutherford új modelljére alapozva más tudósok új kísérleteket dolgoztak ki, hogy ezt vizsgálják. Nem sokkal később már elég jó képet kaptunk arról, hogy mi is történik az atomokban.