Caracteristici model Rutherford si experimentul lui Bohr

Caracteristicile fundamentale ale modelului atomic ale lui Ernest Rutherford sunt următoarele:

a. atomii au în mijloc un nucleu foarte mic ce conţine cea mai mare parte a masei atomului;

b. cea mai mare parte a atomului este spaţiu gol; c. electronii orbitează în jurul nucleului;   d. nucleul este format din protoni, care sunt încărcaţi pozitiv; e. numărul protonilor este egal cu cel al electronilor.În decursul a 100 de ani, de la modelul lui John Dalton la cel al lui Ernest Rutherford, ideea structurii atomului a evoluat semnificativ de la înţelegerea modului cum atomii interacţionează unul cu altul până la descifrarea mecanismelor intra-atomice. Modelul lui Rutherford, ce, credem, deşi depăşit, încă persistă în imaginaţia multor "nespecialişti", simulează sistemul solar, cu diferenţa semnificativă că dacă sistemul solar se susţine pe forţa de gravitaţie, atomul are ca forţa aglutinantă forţa electromagnetică.Ulterior, lucrând cu Niels Bohr, Rutherford a avansat ipoteza existenţei neutronilor pentru a compensa efectul de respingere al sarcinilor pozitive ale neutronilor. Niels Bohr este cel care va îmbunătăţi modelul atomic al lui Rutherford peste numai câţiva ani...

NIELS BOHR

Niels Bohr a fost in egala masura un om extraordinar si un om de stiinta extraordinar. Si este greu de imaginat cum ar arata stiinta de astazi, mai ales fizica, daca el nu ar fi existat. Probabil ca ar fi fost intrucatva diferita... Contributiile sale la intelegerea lumii la toate cele trei niveluri, macroscopic, microscopic si submicroscopic, adica cel al lumii subatomice, au fost decisive. Desi el ramane in primul rand cunoscut pentru...

Modelul atomic

Lucrand in laboratorul lui Ruhterford si impreuna cu acesta, Bohr a ajuns sa ia foarte in serios modelul atomic al lui Rutherford - mai in serios chiar decat autorul sau! De ce? Pentru ca el vedea in acest model nu doar un bun si oportun instrument de cercetare pentru o serie de fenomene si experimente din domeniul radioactivitatii, ci ca fiind legat de ceea ce se intampla in profunzimile materiei, ale carei porti incepeau sa fie deschise in special prin cercetarile lui Planck si ale lui Rutherford. Bohr gandea, discuta, dar nu publica. Rutherford, pe de alta parte, nu parea pregatit sa elaboreze concluzii prea detaliate pornind de la modelul sau, convins ca mai avea nevoie de foarte mult material, de foarte multe experimente, pentru a se simti in siguranta si a putea prelungi afirmatiile pe care le facuse pana atunci. Bohr facuse insa pasul decisiv: realizase ca stabilitatea atomilor - evidenta si necesitand prima a fi luata in consideratie - nu putea fi explicata prin mijloace clasice si pe baza modelului lui Rutherford. Motivul este astazi cunoscut de oricine: rotindu-se in jurul nucleului, electronii pierd energie la fiecare rotatie si in final... se prabusesc pe nucleu! Atomul ar fi instabil!

Si atunci Bohr se gandeste la straniile idei ale lui Planck privind existenta cuantelor de energie. Oricat de artificiala probabil ca a parut la inceput, oricat de indrazneata, solutia este cea pe care o propune el: electronii nu se pot misca "oricum", ci doar pe anumite orbite, corespunzand unei anumite energii; iar daca "vor" sa-si schimbe orbita, sigur ca se poate face, dar cu conditia sa emita diferenta de energie, cand saltul are loc pe o orbita inferioara, sau sa "ceara" si sa primeasca un surplus de energie, cand saltul se efectueaza pe o orbita superioara! Atomul este acum stabil. Iar mecanica cuantica elaborata de Planck cu nici 20 de ani mai devreme isi face intrarea triumfala in fizica atomica!

Farmecul mecanicii cuantice: corespondenta si complementaritate 

In vremea aceea patriarhul indiscutabil al fizicii teoretice in Germania (si unul dintre cei mai importanti din lume) era Arnold Sommerfeld. Bohr astepta cu infrigurare reactiile fizicienilor la modelul sau. Prima a venit chiar de la Sommerfeld, in ciuda faptului ca, asa cum ii spunea intr-o scrisoare, era "relativ sceptic in privinta modelelor atomice in general". Ceea ce nu l-a oprit sa-i spuna unui alt mare fizician, francezul Leon Brillouin, ca in ultimul numar al faimoasei Philosophical Magazine fusese publicat "un important articol al lui Niels Bohr. Este un articol care marcheaza o data istorica in fizica!".

Mai exista insa inca ceva in aceste lucrari si in general in intreaga atitudine a lui Bohr. Ceva care la inceput nu a fost remarcat, nu a fost sesizat in intreaga sa profunzime, dar care avea sa influenteze profund intreaga gandire si cercetarea din fizica care aveau sa urmeze: acest "ceva" avea sa fie cunoscut drept principiul de corespondenta. Mecanismul emisiei de lumina (cititi, daca preferati, de energie), spunea Bohr, este complet diferit de principiul clasic; rezultatele obtinute insa aproximeaza din ce in ce mai bine rezultatele clasice, corespund cu acestea. Inca de la acest stadiu al cercetarilor sale, Bohr se bazeaza pe acest concept de "corespondenta", de analogie, daca vreti, care in anii urmatori avea sa devina cheia constructiei formidabilului esafodaj al mecanicii cuantice. Asa cum el insusi ii scrie lui Rutherford, aici se gaseste "cea mai frumoasa analogie intre electrodinamica clasica si consideratiile facute in articol". Fizicienii vremii sunt impresionati in primul rand (in toate timpurile a fost si este asa) de acordul superior al noii teorii a lui Bohr cu datele experimentale - ideea de corespondenta trece pentru ei pe planul doi. Desi este una din cele mai profunde si mai purtatoare de rod din intreaga istorie a fizicii!

Celalalt pilon, pe care mecanica cuantica de mai tarziu a fost construita, a fost complementaritatea. In mod normal - dar ce este mai putin remarcat decat normalul in orice domeniu de activitate din lume? -, aceasta idee apare ori de cate ori avem de ales intre doua puncte de vedere diferite. Chiar daca acestea se afla in conflict, de multe ori ambele sunt sau par a fi justificate. Ce facem? Ne lasam coplesiti de emotii si alegem una din ele, respingand-o, chiar daca rational nu ne vine sa o facem, pe cealalta? Om a carui structura a gandirii este eminamente dialectica, Bohr constientizeaza ambiguitatea intrinseca si in domeniul psihicului si in cel al fizicii si face un lucru foarte simplu: o accepta. Avem - se stia inca din anul 1924, cand Luis de Broglie elaborase principiul dualismului unda-corpuscul - pe de o parte, aspectele ondulatorii ale luminii, pe de alta parte aspectele sale corpusculare (lumina privita ca o secventa de fotoni, cuantele sale). Alegerea lui Bohr: realitatea nu are o singura fata, are mai multe. Si aceste fete sunt complementare, fiecare "ne spune ceva". Tabloul pe care trebuie sa-l admiram este incomplet fara oricare din aceste fete. Si el nu se opreste aici, generalizeaza: complementaritatea devine un principiu fundamental de gandire in orice problema, in legatura cu orice subiect sau noua descoperire. Este primul pas real care se face spre descrierea obiectiva a Universului.

Scoala de la Copenhaga 

Intr-un fel, acesta este si darul cel mai important pe care grupul de ilustri cercetatori care se strang in jurul lui Bohr la Copenhaga l-au facut omenirii.

Si totul s-a intamplat in Institutul fondat de Bohr. A inceput modest, in batranele cladiri ale Politehnicii din Copenhaga, dupa intoarcerea lui Bohr de la Manchester, unde fusese lector la Universitate. Erau impreuna Bohr, secretara sa Betty Schultz (care nu l-a parasit toata viata) si un tanar venit din Olanda, Hans Kramers. Pentru Bohr un lucru era clar: daca era ca fizica sa se dezvolte, aceasta nu se putea intampla decat intr-o stransa cooperare intre teorie si experienta. (Si nu vedem aici unul din aspectele complementaritatii pe care atat de mult s-a luptat sa o impuna?) Pasul urmator era aproape evident: cooperarea trebuie extinsa la cooperarea oamenilor. Grupul trebuie sa creasca. Trebuie sa depaseasca granitele nationale. Ii trebuie un Institut!

Prima cladire a acestuia se inaugureaza in 1921, nu departe de Blegdamsvej, pe un loc achizitionat cu fonduri obtinute de la diversi cetateni. Cine stia atunci, in afara specialistilor, ce este fizica, si daca sau nu este importanta? Dar exista Bohr, iar Bohr avea o uriasa putere de convingere. Si privea in viitor. Stiind cum sa-si calculeze astfel pasii.

Putin cate putin Institutul creste. Extinderea zonei experimentale urmareste modificarile si dezvoltarea fizicii insasi. Marii fizicieni devin oaspeti permanenti. Tinerii care aveau sa se dovedeasca a fi de geniu isi fac aparitia si "cresc" alaturi de ceilalti. De fiecare Craciun, Bohr isi strange toti colaboratorii, tot personalul Institutului in fata Pomului, se serveste o masa modesta, cu carnati si bere, si Bohr vorbeste. Despre ce se petrecuse in anul care se incheia. De la cei mai importanti cercetatori ai vremii, la cel mai nou venit ucenic dintr-un atelier al Institutului, toata lumea asculta. Si mai ales este acolo.

Se cladea spiritul de la Copenhaga. Se cladea o scoala. Si an dupa an Bohr vorbeste despre lucruri din ce in ce mai complicate, fizica creste in importanta, se dovedeste unul din instrumentele indispensabile pentru intelegerea naturii. Institutul din Blegdamsvej devine un punct de referinta al Europei. Si asa avea sa si ramana chiar si in anii grei si negri ai razboiului, care se apropia inexorabil.

 

Experimentul Rutherford

În 1909 Ernest Rutherford a sugerat efectuarea unui experiment folosind particule alfa şio foiţă de aur. Rezultatele acestui experiment au condus la schimbarea modului deînţelegere a structurii atomului. "Noul" atom era în cea mai mare parte spaţiu gol şiconstituit din nucleu şi electroni orbitând în jurul acestuia.

Experimentul Rutherford

Experimentul "Rutherford" a fost cel care a condus la "reproiectarea" atomului şi a fost înfapt efectuat, la sugestia lui Rutherford, de către Hass Geiger şi Ernest Marsden în anul1909. Experimentul a constat în bombardarea unei foiţe de aur cu particule alfa emise prin descompunerea radioactivă a atomilor de radiu. Recepţia particulelor alfa s-a făcut prin intermediul unei plăcuţe detectoare din sulfat de zinc. Bazându-se pe cunoştinţelevremii privind structura atomului (vezi modelul atomic al lui J.J.Thomson), Geiger şiMarsden se aşteptau ca cea mai mare parte a particulelor alfa să călătorească drept prinfoiţa de hârtie, în timp ce numai o foarte mică parte va fi deviată sub un unghi foarte mic.Aceste aşteptări erau fundamentate prin presupunerea că sarcinile pozitive şi negative ceformau atomul erau distribuite uniform în interiorul acestuia şi că asupra particulelor alfase va exercita o forţă electrică foarte slabă.Ce au descoperit cei doi cercetători, Hass Geiger şi Ernest Marsden, a fost surprinzător:cele mai multe particule alfa treceau de foiţa de aur fără a suferi devieri, indicând căatomul este, în cea mai mare parte, spaţiu gol. O mică parte din particulele alfa au fostdeviate sub diverse unghiuri, arătând astfel că sarcina pozitivă a atomului trebuie să fie

concentrată într-o zonă foarte restrânsă a atomului. În sfârşit, o foarte mică parte a particulelor alfa au fost reflectate în direcţia din care veneau.Particulele alfa au o masă de aproximativ 8000 de ori mai mare decât masa unui electron.Prin urmare, pentru a devia sub unghiuri mari particulele alfa erau necesare forţe foartemari; electronul nu putea fi bănuit ca fiind cauza acestor devieri. Avansând ideea unuinucleu atomic, foarte mic în comparaţie cu dimensiunea atomului, dar care reprezenta ceamai mare parte a masei atomului, Rutherford a putut explica de ce numai unele particulealfa întâlneau în drumul lor nuclee care să le devieze. Caracteristicile fundamentale ale modelului atomic ale lui Ernest Rutherford sunturmătoarele:a. atomii au în mijloc un nucleu foarte mic ce conţine cea mai mare parte a maseiatomului; b. cea mai mare parte a atomului este spaţiu gol;c. electronii orbitează în jurul nucleului;d. nucleul este format din protoni, care sunt încărcaţi pozitiv;e. numărul protonilor este egal cu cel al electronilor.

Cum arată modelul atomic al lui Rutherford?

Particulele alfa au o masă de aproximativ 8000 de ori mai mare decât masa unui electron. Prin urmare, pentru a devia sub unghiuri mari particulele alfa erau necesare forţe foarte mari; electronul nu putea fi bănuit ca fiind cauza acestor devieri. Avansând ideea unui nucleu atomic, foarte mic în comparaţie cu dimensiunea atomului, dar care reprezenta cea mai mare parte a masei atomului, Rutherford a putut explica de ce numai unele particule alfa întâlneau în drumul lor nuclee care să le devieze.

Introducere in fizica atomica

Atomul este o unitate a materiei sau cea mai mica unitate a unui element, care consta într-un nucleu central, dens si încărcat pozitiv, care este înconjurat de un sistem de electroni (numărul de electroni este egal cu numărul de protoni). Întreaga structură are un diametru de aproximativ de 1 Ångström (100 pico metri sau 1/10000000000 metri) si ramane indivizibila in reactii chimice, exceptand indepartarea limitata, transferul sau schimbul anumitor electroni.

O scurta istorie a atomului:

Ideea de electricitate a aparut inaintea celei de atom, astfel in aproximativ 600 î.Hr. Thales din Milet a descoperit ca o bucata de chihlimbar, după ce este frecate de blana, atrage fire de păr și pene și alte obiecte ușoare. El a sugerat că această forță misterioasă a venit de la chihlimbar. Thales, cu toate acestea, nu a pus in relatie această forță cu atomul.

In jurul anului 460 î.Hr., filosoful grec, Democrit, dezvolta ideea de atomi.El si-a pus această întrebare: Dacă se sparge o bucată de materie în jumătati, și apoi se sparge în jumătati din nou, de cate ori ar trebui sa se sparga in jumatati pana se va ajunge la un stadiu in care nu se mai poate sparge? Democrit a crezut că se va termina la un moment dat, cea mai mica bucatica de materie. El a numit aceste particule de materie de bază, atomi.

Pentru 2000 de ani nimeni nu a mai continuat sa exploreze incercarile pe care grecii le incepusera in studiul naturii materiei. Abia la inceputul secolului al XIX-lea oamenii pun iarasi la indoiala structura materiei. 

Prin 1800 un chimist englez, John Dalton, a efectuat experimente cu diferite substante chimice care au arătat că materia, într-adevăr, pare să fie alcătuită din particule elementare cu forme neregulate (atomii). Deși el nu a putut sa deduca nimic despre structura lor, el a știut că dovezile au dus la ceva fundamental.

În 1897, fizicianul englez JJ Thomson a descoperit electronul și a propus un model pentru structura atomului. Thomson știa că electronii au avut o sarcină negativă și a crezut că materia trebuie să aibă o sarcină pozitivă. Modelul său semăna cu stafide lipite pe suprafața de o bucată de prajitura.

În 1900 Max Planck, un profesor de fizica teoretica din Berlin a arătat că, atunci când atomii vibreaza suficient de puternic, ca de exemplu atunci când se încălzeste un obiect până când luminează, energie nu se poate masura decat în unități discrete. El a numit aceste pachete de energie, cuante.

Fizicienii de la momentul respectiv credeau că lumina consta doar din unde, dar, potrivit lui Albert Einstein, cuantele se comporta ca particule discrete. Fizicienii numesc particula discreta de lumina a lui Einstein, un " foton "

În 1911 Ernest Rutherford s-a gandit ca ar fi interesant sa se bombardeze atomii cu raze alfa, asta pentru ca el isi imagina că acest experiment ar putea sa investigheze interiorul atomului (ca un fel de sondă). El a folosit radiu ca sursa de particule alfa și le-a "aruncat" catre atomii dintr-o folie de aur. În spatele foliei era așezat un ecran fluorescent, pe care putea sa observe unde faceau impactul particulele alfa.