Geiger-Marsden deneyi

Geiger-Marsden deneyleri (Rutherford altın levha deneyi olarak da bilinir), bilim insanlarının her atomun tüm pozitif yükünün ve kütlesinin çoğunun yoğunlaştığı bir çekirdeğe sahip olduğunu keşfettikleri önemli bir deney serisidir. Bu sonucu, ince bir metal folyoya çarptığında bir alfa parçacık ışınının nasıl dağıldığını ölçerek çıkardılar. Deneyler, 1908-1913 arasında Hans Geiger ve Ernest Marsden tarafından Manchester Üniversitesi Fizik Laboratuvarlarında Ernest Rutherford başkanlığında yapıldı.

Özet

Çağdaş atomik yapı teorileri

Rutherford'un deneyi zamanında popüler atomik yapı teorisi "erikli puding modeli" idi. Bu model, Lord Kelvin tarafından tasarlanmış ve J. J. Thomson tarafından geliştirilmişti. Thomson, elektronu keşfeden bilim insanıydı ve elektron her atomun parçasıydı. Thomson, atomun bir Noel pudingindeki erikler gibi elektronların dağıldığı küre bir pozitif yük alanı olduğuna inanıyordu. Proton ve nötronların varlığı o anda bilinmiyordu. Atomların çok küçük olduğunu biliyorlardı (Rutherford yarıçapında 10 ⁻⁸ m civarında olduklarını varsayıyordu^[1]). Bu model tamamen klasik (Newton) fiziğe dayanıyordu; Mevcut kabul gören modelde kuantum mekaniği kullanılır.

Thomson'ın modeli, Rutherford'un deneylerinden önce bile, evrensel olarak kabul görmedi. Thomson, kavramının tam ve istikrarlı bir modelini asla geliştiremedi. Japon bilim insanı Hantaro Nagaoka, karşı yüklerin birbirlerine nüfuz edemediklerinden dolayı, Thomson'ın modelini reddetti.^[2] Bunun yerine elektronların Satürn'ün etrafındaki halkalar gibi pozitif yüklü yörüngelerde dağıldığı "gezegen modelini" önerdi.^[3]

Erik pudingi modelinin etkileri

Bir alfa parçacığı, mikroskobik, pozitif yüklü madde parçacığıdır. Thomson'ın modeline göre, eğer bir alfa parçacığı bir atomla çarpışacak olsaydı, sadece düz bir şekilde uçardı, yolu en fazla bir derecenin bir parçası kadar sapacaktı. Atom ölçeğinde "katı madde" kavramı anlamsızdır, bu yüzden alfa parçacığı atomdan bir bilye gibi sıçrayamazdı. Sadece atomun elektrik alanından etkilenecekti ve Thomson'ın modeli, bir atomdaki elektrik alanından geçen bir alfa partikülünü etkilemek için atomun elektrik alanının çok zayıf olduğunu tahmin etti (alfa partikülleri çok hızlı hareket etme eğilimindedir). Thomson atomundaki hem negatif hem de pozitif yükler, atomun tüm hacmi boyunca yayılır. Coulomb kanununa göre, daha az konsantre küresel bir elektrik yükü alanının, yüzeyindeki elektrik alanı daha zayıf olacaktır.^[4]^[5]

Bir çalışmış örnek olarak, bir alfa parçacığının altın atomunu teğet geçtiğini düşünün, tam atomun etki alanına teğet olduğu noktada, parçacık en güçlü elektrik alanı etkileşimine tabi olur ve yörüngesinden maksimum sapma, "θ" ile ayrılır. Elektronlar alfa parçacıklarına kıyasla çok hafif oldukları için, etkileri ihmal edilebilir^[6] ve atom ağır bir pozitif yüklü küresel alan olarak görülebilir.

Q_g = Altın atomunun pozitif yükü = 79 e = 1,266×10^-17 C

Q_α = alfa partikülü yükü = 2 e = 3,204×10^-19 C

r = bir altın atomunun yarıçapı = 1,44×10^-10 m

v = alfa parçacığının hızı = 1,53×10⁷ m/s

m = alfa parçacığının kütlesi = 6,645×10^-27 kg

k = Coulomb sabiti = 8,987×10⁹ N·m²/C²

Klasik fiziği kullanarak, alfa partikülünün momentumunda yanal değişim, Δp, Coulomb kuvvet ifadesi kullanılarak tahmin edilebilir:

\Delta p_{y}={\bar {F}}t<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}

\tan \theta ={\frac {\Delta p_{y}}{p_{x}}}<k{\frac {Q_{\alpha }Q_{g}}{r^{2}}}\cdot {\frac {2r}{v}}\cdot {\frac {1}{mv}}=8.987\times 10^{9}\cdot {\frac {3.204\times 10^{-19}\times 1.266\times 10^{-17}}{(1.44\times 10^{-10})^{2}}}\cdot {\frac {2\times 1.44\times 10^{-10}}{1.53\times 10^{7}}}\cdot {\frac {1}{6.645\times 10^{-27}\times 1.53\times 10^{7}}}

\theta <0.000325~{\text{radyan}}~({\text{veya}}~0.0186^{\circ })

Yukarıdaki hesaplama, bir alfa parçacığı bir Thomson atomuna yaklaştığında ne olacağının bir tahminidir, ancak sapmanın en fazla bir derecenin küçük bir yüzdesi düzeyinde olacağı açıktır. Alfa parçacığı, yaklaşık 0.0004 cm kalınlığında (2410 atom)^[7] altın bir folyodan geçecek olsa, gerçekleşecek maksimum sapma aynı yönde (düşük olasılıkla), yine de küçük bir sapma olacaktır.

Deneylerin sonucu

Rutherford'un gözetiminde, Geiger ve Marsden, ince bir metal folyoya bir alfa parçacıkları demeti gönderip saçılma modelini bir floresan ekran kullanarak ölçtüğü bir dizi deney yaptı. Metal folyodan her yöne sıçrayan alfa parçacıklarını ve parçaların bir kısmının da kaynağına geri sıçradığını gözlemlemişlerdi. Thomson'ın modeline göre bu imkânsız olmalıydı; Alfa parçacıklarının hepsinin doğrudan folyonun içinden geçmesi gerekirdi. Açıktı ki, bu parçacıklar Thomson modelinin önerdiğinden çok daha büyük bir elektrostatik kuvvetle karşılaştı, bu da atomun pozitif yükünün Thomson'un hayal ettiğinden çok daha küçük bir hacimde yoğunlaştığını ortaya koydu.^[8]

Geiger ve Marsden metal parçacıklarına alfa parçacıklarını vurduğunda, alfa parçacıklarının sadece küçük bir kısmının 90 °'den fazla saptırıldığını fark ettiler. Çoğu folyo içinden dümdüz geçti. Bu, yoğun pozitif yüklü küçücük kürenin içinde boş alanların bulunduğu geniş hacimlere ayrıldığını ortaya koydu.^[8] Parçacıklar çoğu boş alandan geçti ve ihmal edilebilir bir sapma yaşarken, bir avuç parçacık ise atomun çekirdeğine yakın bir yerinden geçti ve büyük açılardan saptı.

Rutherford bu nedenle Thomson'un atom modelini reddetti ve bunun yerine atomun büyük oranda boş alandan oluştuğu, tüm pozitif yükü merkezinde çok küçük bir hacimde, bir elektron bulutuyla çevrili olan bir model önerdi.

Mirası

Geiger Rutherford'a alfa parçacıklarının kuvvetli bir şekilde saptığını tespit ettiğini bildirdiğinde, Rutherford şaşırmıştı. Rutherford Cambridge Üniversitesinde verilen bir konferansta şöyle dedi:

“	Hayatımda başıma gelen en inanılmaz olaydı. Tıpkı bir kağıt mendile ateşlediğiniz 40 cm'lik bir merminin geriye dönüp sizi vurması kadar şaşırtıcı. Bana göre, geriye doğru bu saçılımın tek bir çarpışmanın sonucu olması gerektiğini fark ettim ve hesaplamaları yaptığımda, atomun kütlesinin büyük kısmının merkezde konsantre şekilde olmadığı sürece, bu büyüklükte bir sonuç almanın imkansız olduğunu gördüm. O zaman, merkezde büyük bir hacme sahip yük taşıyan bir atom fikri oluştu. (It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. On consideration, I realized that this scattering backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you took a system in which the greater part of the mass of the atom was concentrated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a minute massive centre, carrying a charge.)	„
—Ernest Rutherford^[9]

Kısa süre sonra tebrikler yağmaya başladı. Bir zamanlar atomun yapılandırması için bir Satürn atom modeli önermiş olan Hantaro Nagaoka, 1911'de Tokyo'dan Rutherford'a şöyle yazmıştı: "Kullandığınız cihazın sadeliği ve elde ettiğiniz mükemmel sonuçlar için tebrikler". Bu deneylerin sonuçları, Dünya'daki tüm maddenin nasıl yapılandırıldığını ve böylece tüm bilimsel ve mühendislik disiplinlerini etkilediğini ve böylece tüm zamanların en önemli bilimsel keşiflerinden biri yaptığını ortaya koydu. Gök bilimci Arthur Eddington, "Democritos'un atomu keşfetmesinden bu yana, Rutherford'un keşfi en önemli bilimsel başarı" olarak adlandırdı.^[10]

Çoğu bilimsel model gibi, Rutherford'un atom modeli de mükemmel ya da eksiksiz değildi. Klasik Newton fiziğine göre, aslında imkânsızdı. Hızlandırılmış yüklü parçacıklar, elektromanyetik dalgaları yayar; bu nedenle atom çekirdeğinin yörüngesinde yer alan bir elektron, teoride enerji kaybederken çekirdeğin merkezine doğru sarmal yapar. Bu sorunu çözmek için, bilim adamları Rutherford'un modeline kuantum mekaniğini dahil etmek zorunda kaldı.