Model atom Rutherford: sejarah, eksperimen, karakteristik, dan postulat

Model atom Rutherford adalah deskripsi atom yang dibuat oleh fisikawan Inggris Ernest Rutherford (1871-1937) ketika pada tahun 1911 ia menemukan inti atom, berkat eksperimen dispersi terkenal yang menyandang namanya.

Gagasan atom (" tak terpisahkan " dalam bahasa Yunani) sebagai komponen terkecil dari materi, adalah ciptaan intelektual yang lahir di Yunani Kuno, sekitar 300 SM. Seperti banyak konsep Yunani lainnya, konsep atom dikembangkan berdasarkan logika dan argumentasi, tetapi bukan eksperimen.

Filsuf atom yang paling terkenal adalah Democritus of Abdera (460-360 SM), Epicurus of Samos (341-270 SM) dan Tito Lucretius (98-54 SM). Orang-orang Yunani mengandung empat jenis atom yang sesuai dengan empat unsur yang menurut mereka merupakan materi: udara, air, bumi dan api.

Kemudian Aristoteles akan menambahkan elemen kelima: eter yang membentuk bintang-bintang, karena empat elemen lainnya murni terestrial.

Penaklukan Alexander Agung, yang darinya Aristoteles adalah seorang guru, memperluas kepercayaannya oleh dunia kuno, dari Spanyol ke India dan dengan demikian, selama berabad-abad, gagasan atom menciptakan tempat di dunia sains.

Atom tidak lagi tak terpisahkan

Gagasan para filsuf Yunani tentang struktur materi tetap benar selama ratusan tahun, sampai seorang ahli kimia dan guru sekolah bahasa Inggris bernama John Dalton (1776-1844) menerbitkan hasil eksperimennya pada tahun 1808.

Dalton setuju bahwa unsur-unsur terdiri dari partikel yang sangat kecil, yang disebut atom. Tetapi dia melangkah lebih jauh dengan menyatakan bahwa semua atom dari unsur yang sama adalah sama, memiliki ukuran yang sama, massa yang sama, dan sifat kimia yang sama, yang membuat mereka tetap tidak berubah selama reaksi kimia.

Ini adalah model atom pertama dengan dasar ilmiah. Seperti halnya orang-orang Yunani, Dalton masih menganggap atom tidak dapat dibagi, oleh karena itu, kekurangan struktur. Namun, jenius Dalton membawanya untuk mengamati salah satu prinsip besar konservasi fisika:

Dalam reaksi kimia, atom tidak diciptakan atau dihancurkan, mereka hanya mengubah distribusinya.

Dan dia menemukan cara di mana senyawa kimia dibentuk oleh "senyawa atom" (molekul):

Ketika dua atau lebih atom dari unsur yang berbeda bergabung untuk membentuk senyawa yang sama, mereka selalu melakukannya dalam proporsi massa yang pasti dan konstan .

Abad ke-19 adalah abad besar listrik dan magnetisme. Beberapa tahun setelah publikasi Dalton, hasil beberapa eksperimen menebarkan keraguan di antara para ilmuwan tentang ketidakterpisahan atom.

Tabung bengkok

Tabung Crookes adalah perangkat yang dirancang oleh ahli kimia dan meteorologi Inggris William Crookes (1832-1919). Percobaan yang dilakukan Crookes pada tahun 1875, terdiri dari menempatkan, di dalam tabung penuh gas pada tekanan rendah, dua elektroda, satu disebut katoda dan lainnya disebut anoda .

Dengan menetapkan perbedaan potensial antara kedua elektroda, gas bercahaya dengan warna yang merupakan karakteristik dari gas yang digunakan. Fakta ini membuat kami berpikir bahwa ada organisasi tertentu di dalam atom dan bahwa, karena itu, tidak terbagi.

Selain itu, radiasi ini menghasilkan fluoresensi lemah di dinding tabung kaca di depan katoda, memotong bayangan tanda berbentuk silang yang terletak di dalam tabung.

Itu adalah radiasi misterius yang dikenal sebagai "sinar katoda", yang bergerak dalam garis lurus ke anoda dan sangat energik, mampu menghasilkan efek mekanis, dan yang dialihkan ke piring bermuatan positif atau juga dengan magnet.

Penemuan elektron

Radiasi di dalam tabung Crookes tidak bisa berupa gelombang, karena membawa muatan negatif. Joseph John Thomson (1856 - 1940) muncul dengan jawaban pada tahun 1887 ketika dia menemukan hubungan antara muatan dan massa radiasi ini, dan menemukan bahwa itu selalu sama: 1, 76 x 1011 C / Kg., Terlepas dari gas yang tertutup dalam tabung atau bahan yang digunakan untuk membuat katoda.

Thomson menyebut partikel-partikel ini sel - sel . Dengan mengukur massanya sehubungan dengan muatan listriknya, ia menyimpulkan bahwa setiap sel jauh lebih kecil dari atom. Karena itu, ia menyarankan agar mereka menjadi bagian dari ini, sehingga menemukan elektron .

Ilmuwan Inggris adalah orang pertama yang membuat sketsa model grafis atom, dengan menggambar sebuah bola dengan beberapa titik dimasukkan, yang dengan bentuknya diberi nama "puding prem." Tetapi penemuan ini membawa pertanyaan lain:

Jika materi itu netral, dan elektron memiliki muatan negatif: di bagian mana dari atom adalah muatan positif yang menetralkan elektron?
Jika massa elektron lebih kecil dari massa atom, lalu berapakah sisa atom itu?
Mengapa partikel-partikel yang diperoleh selalu elektron dan tidak pernah dari jenis lain?

Percobaan hamburan Rutherford: inti atom dan proton

Pada 1898 Rutherford telah mengidentifikasi dua jenis radiasi dari uranium, yang disebutnya alfa dan beta .

Radioaktivitas alami telah ditemukan oleh Marie Curie pada tahun 1896. Partikel alfa bermuatan positif dan hanyalah inti helium, tetapi pada saat itu konsep inti belum diketahui. Rutherford akan menemukannya.

Salah satu percobaan yang dilakukan Rutherford pada tahun 1911 di Universitas Manchester, dengan bantuan Hans Geiger, terdiri dari membombardir selembar emas tipis dengan partikel alfa, yang muatannya positif. Di sekitar kertas emas ia meletakkan layar fluorescent yang memungkinkan mereka memvisualisasikan efek dari pemboman.

Pengamatan

Mempelajari dampak pada layar fluorescent, Rutherford dan asistennya mengamati bahwa:

Persentase partikel alfa yang sangat tinggi melintasi lembaran tanpa penyimpangan yang nyata.
Beberapa menyimpang pada sudut yang cukup curam
Dan sangat sedikit yang benar-benar bangkit kembali

Pengamatan 2 dan 3 mengejutkan para peneliti dan membuat mereka berasumsi bahwa orang yang bertanggung jawab atas hamburan sinar harus memiliki muatan positif dan bahwa berdasarkan pengamatan nomor 1, orang itu jauh lebih kecil daripada partikel alfa. .

Rutherford sendiri mengatakan bahwa itu adalah "... seolah-olah Anda menembakkan peluru laut 15 inci pada selembar kertas dan proyektil itu memantul ke belakang dan mengenai Anda". Ini jelas tidak bisa dijelaskan oleh model Thompson.

Menganalisis hasil-hasilnya dari sudut pandang klasik, Rutherford telah menemukan keberadaan inti atom, di mana muatan positif atom yang memberinya netralitas terkonsentrasi.

Rutherford melanjutkan eksperimen-eksperimennya yang tersebar. Pada 1918 target baru partikel alfa adalah atom gas nitrogen.

Dengan cara ini ia mendeteksi inti hidrogen dan segera tahu bahwa satu-satunya tempat dari mana inti ini dapat berasal adalah dari nitrogen itu sendiri. Bagaimana mungkin inti hidrogen adalah bagian dari nitrogen?

Rutherford kemudian menyarankan bahwa inti hidrogen, suatu unsur yang nomor atomnya telah ditetapkan, harus menjadi partikel mendasar. Dia menyebutnya proton, kata bahasa Yunani yang ditunjuk terlebih dahulu . Dengan demikian, penemuan nukleus atom dan proton disebabkan oleh orang Selandia Baru yang cerdas ini.

Postulat dari model atom Rutherford

Model baru itu sangat berbeda dari Thompson. Ini adalah postulatnya:

Atom mengandung inti bermuatan positif, yang meskipun sangat kecil, mengandung hampir seluruh massa atom.
Elektron mengorbit inti atom pada jarak yang jauh dan dalam orbit lingkaran atau elips.
Muatan bersih atom adalah nol, karena muatan elektron mengkompensasi muatan positif yang ada dalam nukleus.

Perhitungan Rutherford menunjuk ke inti bola dan jari-jari sekecil 10-15 m, nilai jari-jari atom menjadi 100.000 kali lebih besar, karena nukleus secara komparatif sangat berjauhan: pada urutan 10-10 m.

Ini menjelaskan mengapa sebagian besar partikel alfa melintasi lembaran tanpa ketidaknyamanan atau hampir tidak mengalami defleksi yang sangat kecil.

Dilihat pada skala benda sehari-hari, atom Rutherford akan terdiri dari inti seukuran bola bisbol, sedangkan jari-jari atomnya sekitar 8 km, sehingga atom dapat dianggap hampir semuanya sebagai ruang kosong.

Berkat kemiripannya dengan miniatur tata surya, ia dikenal sebagai "model atom planet". Gaya tarik elektrostatik antara inti dan elektron akan dianalogikan dengan gaya tarik gravitasi antara matahari dan planet-planet.

Keterbatasan

Namun, ada beberapa ketidaksepakatan mengenai beberapa fakta yang diamati:

Jika kita menerima gagasan bahwa elektron mengorbit di sekitar nukleus, itu terjadi bahwa nukleus harus terus memancarkan radiasi sampai bertabrakan dengan nukleus, dengan konsekuensi penghancuran atom dalam waktu kurang dari satu detik. Untungnya, ini bukan yang sebenarnya terjadi.
Selain itu, dalam kesempatan tertentu atom memancarkan frekuensi tertentu dari radiasi elektromagnetik ketika ada transisi antara keadaan energi yang lebih besar ke energi yang lebih sedikit, dan hanya frekuensi itu, bukan yang lain. Bagaimana cara menjelaskan fakta bahwa energi dikuantifikasi?

Terlepas dari keterbatasan ini, karena saat ini ada banyak model yang lebih canggih dan menurut fakta yang diamati, model atom Rutherford masih berguna bagi siswa untuk memiliki pendekatan atom pertama yang berhasil dan partikel-partikel penyusunnya.

Dalam model atom ini tidak muncul neutron, konstituen lain dari nukleus, yang tidak ditemukan sampai 1932.

Tak lama setelah Rutherford mengusulkan model planetnya, pada tahun 1913 fisikawan Denmark Niels Bohr akan memodifikasinya untuk menjelaskan mengapa atom tidak dihancurkan dan kami masih di sini untuk menceritakan kisah ini.