1.2 Elemente de fizica atomica si nucleara

Din echilibrarea efectelor celor două câmpuri, Thomson a putut calcula sarcina specifică (q/m) a particulelor ce alcătuiau razele catodice. Aceasta a fost de peste 1000 de ori mai mare decât cea întâlnită în experimentele de electroliză. În plus, ea era constantă şi independentă de gazul utilizat. În acest fel, Thomson a dedus faptul că razele catodice nu erau atomi cu sarcină electrică, ci particule noi, rezultate din fragmentarea atomului. Aceste particule au fost numite electroni. Pe baza neutralităţii electrice a atomului, după identificarea electronilor, Thomson presupune existenţa în atom a sarcinii electrice pozitive. Cum electronii s-au dovedit a fi atât de uşori, rezulta că cea mai mare parte a masei atomului trebuia să fie asociată cu electricitatea pozitivă şi, de aceea, aceasta trebuia să ocupe partea cea mai mare din volumul atomic. Thomson şi-a imaginat atomul ca pe o sferă materială de electricitate pozitivă, în interiorul căreia se găseau electronii, în număr suficient pentru ca ansamblul rezultat să fie neutru. 

Fig. 3 Modelul Thomson al atomului – sarcina negativă era distribuită uniform într-un volum cu sarcină pozitivă care era responsabil de masa atomului

Descoperirea razelor canal (raze pozitive) de către Goldstein, în 1886, a dus la ideea că, în anumite împrejurări, atomii pot pierde electroni, formând ioni pozitivi. La aplicarea câmpului electric, ionii pozitivi sunt acceleraţi spre catod. Dacă aceştia întâlnesc în drumul lor prin tub un catod perforat (fig. 4), îl traversează dând naştere unor raze numite: „raze pozitive“ sau „raze canal“. Fiind alcătuite din ioni pozitivi, ele depind de gazul care se găseşte în tub. Dacă gazul este hidrogenul, raportul q/m are valoarea cea mai mare dintre cele cunoscute pentru acest tip de raze. Aceasta a sugerat că ionul pozitiv al atomului de hidrogen era o altă particulă fundamentală: protonul.

Fig. 4 Dispozitiv de producere a razelor canal (raze pozitive)

Modificarea modelului de atom propus de Thomson s-a produs ca efect al experimentului de împrăştiere a particulelor alfa (a – ioni de heliu He²⁺) pe foiţe metalice, realizat de E. Rutherford. În experienţele sale, un fascicul de particule alfa de înaltă energie era trimis asupra unor foiţe metalice de cupru, plumb, aur etc. (fig. 5). În experiment, se stabileau deviaţiile suferite de aceste particule.

Fig. 5 Experimentul  lui Rutherford Deviaţiile mari ale unor particule alfa nu pot fi explicate de modelul de atom Thomson cu cel al lui Rutherford.

În ipoteza lui Thomson, se prevedea că fasciculul de particule alfa trecând prin lamele se dispersează slab, producând pe ecran o pată fluorescentă, coliniară cu fasciculul. Surprinzător a fost rezultatul acestor experimente, în care, în afară de pata centrală, apăreau şi altele, laterale, deviate la unghiuri mult mai mari decât prevedea teoria ciocnirilor. Unele dintre acestea sufereau deviaţii chiar de 180°, deviaţii ce nu puteau fi explicate decât prin ciocnirea cu o particulă de masă foarte mare. Acest lucru l-a făcut pe Rutherford să presupună că toată sarcina pozitivă a atomului este concentrată într-o „granulă“ în care se găseşte aproape toată masa atomului – este vorba despre nucleu – de dimensiuni mult mai mici decât cele ale atomului.

Atomul nu era deci o sferă cu masa şi sarcina uniform distribuite. Datele experimentale indicau faptul că raza nucleului este de 10⁴ ori mai mică decât cea a atomului. Acesta este deci aproape gol. În jurul nucleului, pe orbite circulare, în modelul de atom propus de Rutherford, se rotesc electroni, menţinuţi în atom de forţe electrostatice care se manifestă între sarcinile negativeale acestora şi sarcina pozitivă a nucleului (Fig. 6).

 

Cum masa atomică a elementelor avea o valoare mai mare decât cea calculată pe baza protonilor din nucleu, tot Rutherford a sugerat că nucleul mai conţinea şi alte particule, de masă aproape egală cu cea a protonilor, dar neutre din punct de vedere electric – neutronii. Neutronul a fost descoperit experimental abia în 1932, de Chadwick.

O altă clasă de fenomene avea însă să contribuie esenţial la dezvoltarea fizicii atomice, şi anume – studiul spectrelor atomice.