Experimentos Geiger-Marsden - Geiger–Marsden experiments

Uma réplica de um dos aparelhos de Geiger e Marsden

Os experimentos Geiger-Marsden (também chamados de experimento de folha de ouro de Rutherford ) foram uma série de experimentos marcantes pelos quais os cientistas aprenderam que cada átomo tem um núcleo onde toda sua carga positiva e a maior parte de sua massa estão concentradas. Eles deduziram isso depois de medir como um feixe de partícula alfa é espalhado quando atinge uma folha de metal fina . Os experimentos foram realizados entre 1908 e 1913 por Hans Geiger e Ernest Marsden sob a direção de Ernest Rutherford nos Laboratórios Físicos da Universidade de Manchester .

Resumo

Teorias contemporâneas da estrutura atômica

O modelo do átomo do pudim de ameixa, imaginado por Thomson.

A teoria popular da estrutura atômica na época do experimento de Rutherford era o " modelo do pudim de ameixa ". Este modelo foi idealizado por Lord Kelvin e posteriormente desenvolvido por JJ Thomson . Thomson foi o cientista que descobriu o elétron e que ele era um componente de cada átomo. Thomson acreditava que o átomo era uma esfera de carga positiva através da qual os elétrons eram distribuídos, um pouco como passas em um pudim de Natal . A existência de prótons e nêutrons era desconhecida neste momento. Eles sabiam que os átomos eram muito pequenos (Rutherford presumiu que eles tinham um raio da ordem de 10-8 m). Este modelo foi baseado inteiramente na física clássica (newtoniana); o modelo atual aceito usa a mecânica quântica .

O modelo de Thomson não foi universalmente aceito mesmo antes dos experimentos de Rutherford. O próprio Thomson nunca foi capaz de desenvolver um modelo completo e estável de seu conceito. O cientista japonês Hantaro Nagaoka rejeitou o modelo de Thomson alegando que cargas opostas não podem penetrar umas nas outras. Ele propôs, em vez disso, que os elétrons orbitam a carga positiva como os anéis em torno de Saturno.

Implicações do modelo do pudim de ameixa

Uma partícula alfa é uma partícula submicroscópica de matéria carregada positivamente. De acordo com o modelo do pudim de ameixa de Thomson , se uma partícula alfa colidisse com um átomo, ela simplesmente voaria direto, seu caminho sendo desviado em no máximo uma fração de grau. Na escala atômica, o conceito de "matéria sólida" não tem sentido. O átomo de Thomson é uma esfera de carga elétrica positiva, ancorada no lugar por sua massa. Assim, a partícula alfa não rebateria no átomo como uma bola, mas poderia passar direto se os campos elétricos do átomo fossem fracos o suficiente para permitir isso. O modelo de Thomson previu que os campos elétricos em um átomo são muito fracos para afetar muito uma partícula alfa (partículas alfa tendem a se mover muito rápido). Ambas as cargas negativas e positivas dentro do átomo de Thomson estão espalhadas por todo o volume do átomo. De acordo com a Lei de Coulomb , quanto menos concentrada for uma esfera de carga elétrica, mais fraco será seu campo elétrico em sua superfície.

Espalhamento de partículas alfa do modelo Thomson.

Como um exemplo prático, considere uma partícula alfa passando ao longo da borda de um átomo de ouro, onde experimentará o campo elétrico em sua forma mais forte e, portanto, experimentará a deflexão máxima θ . Como os elétrons são muito leves em comparação com a partícula alfa, sua influência pode ser desprezada, de modo que o átomo pode ser visto como uma esfera pesada de carga positiva.

Q n = carga positiva do átomo de ouro =79  e =1,266 × 10 −17  C
Q α = carga da partícula alfa =e =3,204 × 10 −19  C
r = raio de um átomo de ouro =1,44 × 10 −10  m
v α = velocidade da partícula alfa =1,53 × 10 7  m / s
m α = massa da partícula alfa =6,645 × 10 −27  kg
k = constante de Coulomb =8,998 × 10 9  N · m 2 / C 2

Usando a física clássica, a mudança lateral da partícula alfa no momento Δp pode ser aproximada usando o impulso da relação de força e a expressão de força de Coulomb :

O cálculo acima é apenas uma aproximação do que acontece quando uma partícula alfa se aproxima de um átomo de Thomson, mas é claro que a deflexão será, no máximo, da ordem de uma pequena fração de grau. Se a partícula alfa passasse por uma folha de ouro com cerca de 4 micrômetros de espessura (2.410 átomos) e sofresse deflexão máxima na mesma direção (improvável), ainda seria uma pequena deflexão.

O resultado dos experimentos

Esquerda: Se o modelo de Thomson estivesse correto, todas as partículas alfa deveriam ter passado pela folha com o mínimo de espalhamento.
À direita: O que Geiger e Marsden observaram foi que uma pequena fração das partículas alfa sofreu forte deflexão.

A pedido de Rutherford, Geiger e Marsden realizaram uma série de experimentos em que apontaram um feixe de partículas alfa para uma folha fina de metal e, usando o método de cintilação desenvolvido por Crookes, Elster e Geitel, mediram o padrão de espalhamento com o uso de uma lâmpada fluorescente tela . Eles avistaram partículas alfa ricocheteando na folha de metal em todas as direções, algumas bem na origem. Isso deveria ser impossível de acordo com o modelo de Thomson; as partículas alfa devem ter passado direto. Obviamente, essas partículas encontraram uma força eletrostática muito maior do que o modelo de Thomson sugeriu. Além disso, apenas uma pequena fração das partículas alfa foi desviada em mais de 90 °. A maioria voou direto através da folha com deflexão insignificante.

Para explicar esse resultado bizarro, Rutherford imaginou que a carga positiva do átomo estava concentrada em um minúsculo núcleo em seu centro, o que significava que a maior parte do volume do átomo era espaço vazio.

Linha do tempo

Fundo

Ernest Rutherford foi Langworthy Professor de Física na Victoria University of Manchester (hoje Universidade de Manchester ). Ele já havia recebido inúmeras homenagens por seus estudos de radiação. Ele havia descoberto a existência de raios alfa , raios beta e raios gama , e provado que eram conseqüência da desintegração dos átomos . Em 1906, ele recebeu a visita de um físico alemão chamado Hans Geiger , e ficou tão impressionado que pediu a Geiger que ficasse e o ajudasse em suas pesquisas. Ernest Marsden era um estudante de graduação em física que estudava com Geiger.

Partículas alfa são minúsculas partículas carregadas positivamente que são emitidas espontaneamente por certas substâncias, como urânio e rádio . Rutherford os havia descoberto em 1899. Em 1908, ele estava tentando medir com precisão sua razão carga / massa . Para fazer isso, ele primeiro precisava saber quantas partículas alfa sua amostra de rádio estava emitindo (após o que ele mediria sua carga total e dividiria uma pela outra). As partículas alfa são muito pequenas para serem vistas em um microscópio, mas Rutherford sabia que as partículas alfa ionizam as moléculas de ar e, se o ar estiver dentro de um campo elétrico, os íons produzirão uma corrente elétrica. Com base neste princípio, Rutherford e Geiger projetaram um dispositivo de contagem simples que consistia em dois eletrodos em um tubo de vidro. Cada partícula alfa que passasse pelo tubo criaria um pulso de eletricidade que poderia ser contado. Era uma versão inicial do contador Geiger .

O contador que Geiger e Rutherford construíram provou não ser confiável porque as partículas alfa estavam sendo fortemente desviadas por suas colisões com as moléculas de ar dentro da câmara de detecção. As trajetórias altamente variáveis ​​das partículas alfa significam que nem todas geraram o mesmo número de íons quando passaram pelo gás, produzindo leituras erráticas. Isso deixou Rutherford intrigado, porque ele pensava que as partículas alfa eram pesadas demais para serem desviadas com tanta força. Rutherford pediu a Geiger que investigasse quanta matéria poderia espalhar os raios alfa.

Os experimentos que eles projetaram envolviam bombardear uma folha de metal com partículas alfa para observar como a folha as espalhava em relação à espessura e ao material. Eles usaram uma tela fluorescente para medir as trajetórias das partículas. Cada impacto de uma partícula alfa na tela produzia um minúsculo flash de luz. Geiger trabalhou em um laboratório às escuras por horas a fio, contando essas minúsculas cintilações usando um microscópio. Rutherford não tinha resistência para este trabalho (ele estava com quase 30 anos), e é por isso que ele o deixou para seus colegas mais jovens. Para a folha de metal, eles testaram uma variedade de metais, mas preferiram o ouro porque podiam torná-la muito fina, já que o ouro é muito maleável. Como fonte de partículas alfa, a substância escolhida por Rutherford era o radônio , uma substância vários milhões de vezes mais radioativa do que o urânio.

A experiência de 1908

Este aparelho foi descrito em um artigo de 1908 por Hans Geiger. Ele só conseguia medir deflexões de alguns graus.

Um artigo de 1908 de Geiger, On the Scattering of α-Particles by Matter , descreve a seguinte experiência. Ele construiu um longo tubo de vidro, com quase dois metros de comprimento. Em uma extremidade do tubo havia uma quantidade de " emanação de rádio " (R) que servia como fonte de partículas alfa. A extremidade oposta do tubo foi coberta com uma tela fosforescente (Z). No meio do tubo havia uma fenda de 0,9 mm de largura. As partículas alfa de R passaram pela fenda e criaram uma mancha brilhante de luz na tela. Um microscópio (M) foi usado para contar as cintilações na tela e medir sua propagação. Geiger bombeou todo o ar para fora do tubo para que as partículas alfa ficassem desobstruídas e deixaram uma imagem nítida e compacta na tela que correspondia ao formato da fenda. Geiger então permitiu um pouco de ar no tubo, e a mancha brilhante tornou-se mais difusa. Geiger então bombeou o ar e colocou um pouco de folha de ouro sobre a fenda em AA. Isso também fez com que a mancha de luz na tela ficasse mais espalhada. Este experimento demonstrou que tanto o ar quanto a matéria sólida podem espalhar partículas alfa de maneira marcante. O aparelho, no entanto, só conseguia observar pequenos ângulos de deflexão. Rutherford queria saber se as partículas alfa estavam sendo espalhadas por ângulos ainda maiores - talvez maiores do que 90 °.

A experiência de 1909

Nesses experimentos, partículas alfa emitidas por uma fonte radioativa (A) foram observadas ricocheteando em um refletor de metal (R) e em uma tela fluorescente (S) do outro lado de uma placa de chumbo (P).

Em um artigo de 1909, On a Diffuse Reflection of the α-Particles , Geiger e Marsden descreveram o experimento pelo qual eles provaram que as partículas alfa podem de fato ser espalhadas por mais de 90 °. Em seu experimento, eles prepararam um pequeno tubo de vidro cônico (AB) contendo "emanação de rádio" ( radônio ), "rádio A" (rádio real) e "rádio C" ( bismuto -214); sua extremidade aberta selada com mica . Este era o emissor de partículas alfa. Eles então montaram uma placa de chumbo (P), atrás da qual colocaram uma tela fluorescente (S). O tubo foi mantido no lado oposto da placa, de forma que as partículas alfa emitidas não pudessem atingir a tela diretamente. Eles notaram algumas cintilações na tela, porque algumas partículas alfa contornaram a placa refletindo nas moléculas de ar. Eles então colocaram uma folha de metal (R) ao lado da placa de chumbo. Eles apontaram o tubo para a folha para ver se as partículas alfa ricocheteariam e atingiriam a tela do outro lado da placa, e observaram um aumento no número de cintilações na tela. Contando as cintilações, eles observaram que metais com maior massa atômica, como o ouro, refletiam mais partículas alfa do que os mais leves, como o alumínio.

Geiger e Marsden queriam então estimar o número total de partículas alfa que estavam sendo refletidas. A configuração anterior era inadequada para fazer isso porque o tubo continha várias substâncias radioativas (rádio mais seus produtos de decomposição) e, portanto, as partículas alfa emitidas tinham intervalos variados e porque era difícil para eles determinar a que taxa o tubo estava emitindo partículas alfa . Dessa vez, eles colocaram uma pequena quantidade de rádio C (bismuto-214) na placa de chumbo, que ricocheteou em um refletor de platina (R) e caiu na tela. Eles descobriram que apenas uma pequena fração das partículas alfa que atingiram o refletor saltou para a tela (neste caso, 1 em 8.000).

O experimento de 1910

Este aparelho foi descrito no artigo de 1910 por Geiger. Ele foi projetado para medir com precisão como a dispersão variava de acordo com a substância e a espessura da folha.

Um artigo de 1910 de Geiger, The Scattering of the α-Particles by Matter , descreve um experimento pelo qual ele procurou medir como o ângulo mais provável através do qual uma partícula A é desviada varia com o material por onde passa, a espessura do referido material e a velocidade das partículas alfa. Ele construiu um tubo de vidro hermético do qual o ar era bombeado. Em uma extremidade estava um bulbo (B) contendo "emanação de rádio" ( radônio -222). Por meio do mercúrio, o radônio em B foi bombeado pelo estreito tubo de vidro cuja extremidade em A estava obstruída com mica . Na outra extremidade do tubo havia uma tela fluorescente de sulfeto de zinco (S). O microscópio que ele usou para contar as cintilações na tela foi fixado em uma escala milimétrica vertical com um nônio, o que permitiu a Geiger medir com precisão onde os flashes de luz apareciam na tela e assim calcular os ângulos de deflexão das partículas. As partículas alfa emitidas de A foram reduzidas a um feixe por um pequeno orifício circular em D. Geiger colocou uma folha de metal no caminho dos raios em D e E para observar como a zona de flashes mudou. Ele também pode variar a velocidade das partículas alfa, colocando folhas extras de mica ou alumínio em A.

A partir das medições que fez, Geiger chegou às seguintes conclusões:

  • o ângulo de deflexão mais provável aumenta com a espessura do material
  • o ângulo de deflexão mais provável é proporcional à massa atômica da substância
  • o ângulo de deflexão mais provável diminui com a velocidade das partículas alfa
  • a probabilidade de que uma partícula seja defletida em mais de 90 ° é muito pequena

Rutherford modela matematicamente o padrão de espalhamento

Considerando os resultados dos experimentos acima, Rutherford publicou um artigo de referência em 1911 intitulado "A dispersão de partículas α e β pela matéria e a estrutura do átomo", em que ele propôs que o átomo contém em seu centro um volume de carga elétrica que é muito pequeno e intenso (na verdade, Rutherford o trata como uma carga pontual em seus cálculos). Para o propósito de seus cálculos matemáticos, ele presumiu que essa carga central era positiva, mas admitiu que não poderia provar isso e que teve de esperar por outros experimentos para desenvolver sua teoria.

Rutherford desenvolveu uma equação matemática que modelava como a folha deveria espalhar as partículas alfa se toda a carga positiva e a maior parte da massa atômica estivessem concentradas em um único ponto no centro de um átomo.

Equação de dispersão de Rutherford ilustrada.svg

s = o número de partículas alfa caindo na área da unidade em um ângulo de deflexão Φ
r = distância do ponto de incidência dos raios α no material de espalhamento
X = número total de partículas caindo no material de dispersão
n = número de átomos em uma unidade de volume do material
t = espessura da folha
Q n = carga positiva do núcleo atômico
Q α = carga positiva das partículas alfa
m = massa de uma partícula alfa
v = velocidade da partícula alfa

A partir dos dados de espalhamento, Rutherford estimou a carga central Q n em cerca de +100 unidades (ver modelo de Rutherford )

O experimento de 1913

Em um artigo de 1913, The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles , Geiger e Marsden descrevem uma série de experimentos pelos quais eles procuraram verificar experimentalmente a equação acima que Rutherford desenvolveu. A equação de Rutherford previu que o número de cintilações por minuto s que serão observadas em um determinado ângulo Φ deve ser proporcional a:

  1. csc 4 (Φ / 2)
  2. espessura da folha t
  3. magnitude do quadrado da carga central Q n
  4. 1 / (mv 2 ) 2

Seu artigo de 1913 descreve quatro experimentos pelos quais eles provaram cada uma dessas quatro relações.

Este aparelho foi descrito em um artigo de 1913 por Geiger e Marsden. Ele foi projetado para medir com precisão o padrão de espalhamento das partículas alfa produzidas pela folha de metal (F). O microscópio (M) e a tela (S) foram fixados em um cilindro giratório e podiam ser movidos um círculo completo ao redor da folha para que pudessem contar as cintilações de todos os ângulos.

Para testar como o espalhamento variava com o ângulo de deflexão (isto é, se s ∝ csc 4 (Φ / 2) ) Geiger e Marsden construíram um aparelho que consistia em um cilindro de metal oco montado em uma plataforma giratória. Dentro do cilindro havia uma folha de metal (F) e uma fonte de radiação contendo radônio (R), montada em uma coluna destacada (T) que permitia ao cilindro girar independentemente. A coluna também era um tubo pelo qual o ar era bombeado para fora do cilindro. Um microscópio (M) com sua lente objetiva coberta por uma tela fluorescente de sulfeto de zinco (S) penetrou na parede do cilindro e apontou para a folha de metal. Virando a mesa, o microscópio poderia ser movido um círculo completo ao redor da folha, permitindo que Geiger observe e conte as partículas alfa desviadas em até 150 °. Corrigindo o erro experimental, Geiger e Marsden descobriram que o número de partículas alfa que são desviadas por um dado ângulo Φ é de fato proporcional a csc 4 (Φ / 2) .

Esse aparelho foi usado para medir como o padrão de espalhamento das partículas alfa variava em relação à espessura da folha, o peso atômico do material e a velocidade das partículas alfa. O disco giratório no centro tinha seis orifícios que podiam ser cobertos com papel alumínio.

Geiger e Marsden então testaram como a dispersão variava com a espessura da folha (isto é, se s ∝ t ). Eles construíram um disco (S) com seis furos nele. Os furos foram cobertos com folha de metal (F) de espessura variável, ou nenhuma para controle. Este disco foi então selado em um anel de latão (A) entre duas placas de vidro (B e C). O disco pode ser girado por meio de uma haste (P) para colocar cada janela na frente da fonte de partículas alfa (R). Na vidraça traseira havia uma tela de sulfeto de zinco (Z). Geiger e Marsden descobriram que o número de cintilações que apareciam na tela de sulfeto de zinco era de fato proporcional à espessura, desde que essa espessura fosse pequena.

Geiger e Marsden reutilizaram o aparato acima para medir como o padrão de espalhamento variava com o quadrado da carga nuclear (isto é, se s ∝ Q n 2 ). Geiger e Marsden não sabiam qual era a carga positiva do núcleo de seus metais (eles tinham acabado de descobrir que o núcleo existia), mas presumiram que era proporcional ao peso atômico, então testaram se o espalhamento era proporcional para o peso atômico ao quadrado. Geiger e Marsden cobriram os orifícios do disco com folhas de ouro, estanho, prata, cobre e alumínio. Eles mediram o poder de parada de cada folha comparando-o a uma espessura equivalente de ar. Eles contaram o número de cintilações por minuto que cada folha produziu na tela. Eles dividiram o número de cintilações por minuto pelo equivalente de ar da respectiva folha, então dividiram novamente pela raiz quadrada do peso atômico (Geiger e Marsden sabiam que para folhas de igual poder de parada, o número de átomos por unidade de área é proporcional ao raiz quadrada do peso atômico). Assim, para cada metal, Geiger e Marsden obtiveram o número de cintilações que um número fixo de átomos produz. Para cada metal, eles dividiram esse número pelo quadrado do peso atômico e descobriram que as proporções eram mais ou menos as mesmas. Assim, eles provaram que s ∝ Q n 2 .

Finalmente, Geiger e Marsden testaram como o espalhamento variava com a velocidade das partículas alfa (ou seja, se s ∝ 1 / v 4 ). Usando o mesmo aparelho novamente, eles reduziram a velocidade das partículas alfa, colocando folhas extras de mica na frente da fonte da partícula alfa. Eles descobriram que, dentro da faixa de erro experimental, o número de cinitilações era de fato proporcional a 1 / v 4 .

Rutherford determina que o núcleo está carregado positivamente

Em seu artigo de 1911 ( veja acima ), Rutherford presumiu que a carga central do átomo era positiva, mas uma carga negativa também teria se encaixado em seu modelo de espalhamento. Em um artigo de 1913, Rutherford declarou que o "núcleo" (como ele agora o chamava) era de fato carregado positivamente, com base no resultado de experimentos explorando o espalhamento de partículas alfa em vários gases.

Em 1917, Rutherford e seu assistente William Kay começaram a explorar a passagem de partículas alfa através de gases como hidrogênio e nitrogênio. Em um experimento em que dispararam um feixe de partículas alfa através do hidrogênio, as partículas alfa empurraram os núcleos de hidrogênio para a frente na direção do feixe, não para trás. Em um experimento em que atiraram partículas alfa através do nitrogênio, ele descobriu que as partículas alfa expulsavam os núcleos de hidrogênio (ou seja, prótons) dos núcleos de nitrogênio.

Legado

Quando Geiger relatou a Rutherford que avistou partículas alfa sendo fortemente desviadas, Rutherford ficou surpreso. Em uma palestra que Rutherford proferiu na Universidade de Cambridge , ele disse:

Foi o evento mais incrível que já aconteceu na minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse uma bala de 15 polegadas contra um pedaço de papel de seda e ela voltasse e acertasse você. Pensando bem, percebi que esse espalhamento para trás deve ser o resultado de uma única colisão e, quando fiz os cálculos, vi que era impossível obter qualquer coisa dessa ordem de magnitude a menos que se tomasse um sistema em que a maior parte da massa do átomo foi concentrado em um núcleo minúsculo. Foi então que tive a ideia de um átomo com um minúsculo centro massivo, carregando uma carga.

-  Ernest Rutherford

Os elogios logo surgiram . Hantaro Nagaoka , que certa vez propôs um modelo saturniano do átomo, escreveu a Rutherford de Tóquio em 1911: "Parabéns pela simplicidade do aparelho que você emprega e pelos resultados brilhantes que obteve". As conclusões desses experimentos revelaram como toda a matéria na Terra está estruturada e, portanto, afetou todas as disciplinas científicas e de engenharia, tornando-se uma das descobertas científicas mais importantes de todos os tempos. O astrônomo Arthur Eddington considerou a descoberta de Rutherford a conquista científica mais importante desde que Demócrito propôs o átomo eras antes.

Como a maioria dos modelos científicos, o modelo atômico de Rutherford não era perfeito nem completo. De acordo com a física newtoniana clássica , era de fato impossível. Partículas carregadas em aceleração irradiam ondas eletromagnéticas, de modo que um elétron orbitando um núcleo atômico, em teoria, entraria em espiral no núcleo à medida que perde energia. Para corrigir esse problema, os cientistas tiveram que incorporar a mecânica quântica ao modelo de Rutherford.

Veja também

Referências

Bibliografia

links externos