12-19 Marzo 2012 L'esperimento di Rutherford 103 anni dopo

Data pubblicazione: Mar 12, 2012 12:41:26 AM

Facciamo un salto indietro nel tempo di poco più di un secolo e spostiamoci di 800 kilometri a nord, per entrare in un laboratorio universitario di Monaco, in Germania, dove una macchina è a nostra disposizione per realizzare l'esperimento.

Cosa sapevano sugli atomi i fisici e i chimici più importanti all'inizio del secolo scorso?

Essi erano convinti che l'atomo fosse "pieno", e Joseph Thomson era il fautore di questa teoria.

Da non molto tempo si sapeva anche che gli elettroni, carichi negativamente, provenivano dagli atomi ed erano molto piccoli e leggeri. Infatti in alcuni esperimenti si era visto che essi riuscivano ad attraversare lamine sottili di alluminio e la loro massa era una frazione minima della massa dell'atomo.

Quindi ciò che riempiva gli atomi non potevano essere i piccoli elettroni, ma la carica positiva, della quale non si sapeva nulla, e che secondo Thomson doveva riempire tutto l'atomo come la polpa rossa riempie un cocomero. Gli elettroni dovevano essere immersi nella carica positiva, respingendosi a distanze regolari e immobili, o al più potevano roteare in gruppo.

Modello di Thomson dell'atomo

Ernest Rutherford nel 1909 si trovava a Manchester ed aveva ricevuto da poco il Nobel per la chimica, per aver dimostrato che la radioattività consiste nella disintegrazione degli atomi e, tra le altre cose, che le misteriose particelle alfa avevano una carica doppiamente positiva e massa uguale agli atomi di elio.

Rutherford e i suoi collaboratori avevano misurato l'energia e la velocità delle particelle alfa emesse dagli atomi radioattivi, e avevano visto che essa era enorme (circa 20000 km orari)

Quindi non si stupirono affatto nel constatare che dei sottili fasci di tali particelle attraversassero sottili lamine metalliche con minime perdite di energia e subendo solo piccoli allargamenti.

Un'analogia potrebbe essere sparare con un mitra attraverso un mucchio di cocomeri. Non ci aspettiamo grandi deviazioni dei proiettili.

Il fatto è che fino al 1908 i fasci di particelle alfa emergenti erano osservati dalle tracce che nel loro insieme essi lasciavano in una lastra fotografica.

Le immagini fotografiche erano sfumate e non permettevano di riconoscere l'impatto delle singole particelle.

Nel 1908 Geiger, collaboratore di Rutherford (non aveva ancora inventato il famoso "contatore Geiger") introdusse un nuovo metodo, uno schermo fluorescente, per contare le particelle alfa una ad una, osservando con un microsopio e al buio la piccola luce fluorescente emessa ogni volta che una di esse colpiva lo schermo.

Questo nuovo metodo permetteva di vedere se per caso ci fossero particelle alfa deviate ad angoli elevati. L'incarico di verificare questo tipo di deviazione fu dato ad uno studente, allora ventenne, Ernest Marsden, nel 1909.

Prima di vedere come continua la storia, effettueremo noi l'esperimento con un tipo più moderno di rivelatore, capace di contare da solo le particelle alfa.

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Video di un esperimento simile

Lezione del 14 marzo

LA CONCLUSIONE DEGLI ESPERIMENTI SVOLTI E' CHE Con il detector a 20°Gradi il conteggio delle particelle con la fenditura è 0, mentre con l' oro il conteggio è di media 4, quindi in generale ciò che si vede è che quando c'è l'oro ci sono poche particelle alfa che deviano ad angoli elevati.

Una spiegazione di queste grandi e rare deviazioni è stata tentata da uno di voi (Nicholas),

forse per analogia alla diffusione delle molecole di ammoniaca nel tubo:

le particelle alfa deviate potrebbero essere state urtate dagli atomi dell'oro, anche essi in movimento.

Lezione del 16 Marzo 2012

Questa interpretazione è molto intelligente.

Però, azionando il macchinario a distanza, essa non può essere verificata:

bisognerebbe abbassare molto la temperatura riducendo così il moto degli atomi di oro.

Ripetendo l'esperimento a temperatura bassa, se l'ipotesi fosse giusta,

dovremmo trovare molte meno particelle alfa deviate a 20 gradi. Viceversa, a temperatura

più alta dovrebbero aumentare le particelle alfa deviate a 20 °.

In realtà, se potessimo fare queste prove a temperature più basse o più alte,

non troveremmo mai nessun cambiamento.

Il motivo è che, per essere deviate, le particelle alfa, che viaggiano a 20 mila km/h, dovrebbero

essere urtate da atomi di oro che si muovono vibrando anch'essi a qualche migliaio di chilometri orari.

Se il moto degli atomi d'oro fosse a questa velocità, l'oro dovrebbe volatilizzarsi in pochi giorni o ore,

perché gli atomi tenderebbero a sfuggire da soli all'attrazione reciproca.

In realtà, per la fortuna di chi possiede oggetti d'oro,

questo metallo non si volatilizza da solo come acqua che evapora.

Inoltre l'esperimento dimostra che gli atomi sembrano essere "soffici" cioè sono attraversati dalle particelle alfa

anche quando sono colpiti in pieno. Se anche si muovessero a velocità simili alle particelle alfa, non le devierebbero,

ma sarebbero semplicemente "trapassati" da esse.

Gli atomi d'oro non sono distanti tra loro come le molecole d'aria nel gas.

Anche stando fermi immobili,

se fossero abbastanza duri da deviare le particelle alfa per il loro movimento,

allora quelli fermi dovrebbero essere espulsi dalle particelle alfa: dovrebbero schizzare via

come quando si tira una boccia sul pallino.

E alla fine si dovrebbe bucare il foglio d'oro.

Ma ciò non si verifica.

Ciò che alla fine ci troviamo a dover spiegare, che Rutherford impiegò due anni a capire, è:

"Perché mai le particelle alfa riescono ad attraversare gli atomi d'oro senza distruggerli o espellerli, come se fossero vuoti o fatti di una gelatina che si riattacca da sola, tranne in alcuni rari casi in cui le particelle stesse sono deviate di 20, 30 o più gradi?"

Continuando le misure, Marsden, Rutherford e Geiger trovarono anche rarissimi casi in cui le particelle rimbalzavano all'indietro!

Era chiaro che l'atomo come era immaginato da Thomson, cioè pieno di "polpa" positiva e minuscoli elettroni, doveva essere diverso dagli atomi veri.

Ma certamente la mente di quegli scienziati cercava delle spiegazioni che non andassero a modificare ciò che si credeva sull'atomo (e solo oggi possiamo dire: perdendo tempo).

Se fosse stato così chiaro che il modello di Thomson doveva essere cambiato, allora essi si sarebbero subito sforzati di immaginare qualcosa, negli atomi, che fosse stato abbastanza duro da far deviare o rimbalzare le particelle alfa.

Se questa materia dura avesse riempito tutto l'atomo, probabilmente le particelle alfa non sarebbero riuscite a passare attraverso la lamina, se non nei rari casi in cui si fossero infilate nei piccoli spazi tra un atomo e l'altro, e solo se esse fossero state abbastanza piccole da passarci.

Rutherford e i suoi collaboratori non potevano supporre che le particelle alfa fossero così piccole: essi sapevano che le particelle alfa erano atomi di elio privati dei due elettroni.

Forse immaginavano che gli atomi di elio positivi-particelle alfa potessero essere circa 50 volte più piccole degli atomi di oro, perché sapevano che un atomo d'oro pesa 49 volte più di uno di elio. Ma le moltissime particelle alfa che escono dalla lamina senza essere deviate dovevano in qualche modo attraversare (trapassare) l'interno degli atomi. Erano troppe per passare tutte negli spazi tra gli atomi, e andavano anche troppo dritte.

Come modifichereste, voi, il modello di Thomson per far quadrare i risultati degli esperimenti di scattering (diffusione, dispersione) che abbiamo fatto? Discutetene ora nei gruppi, prendete nota di ciò che avete deciso, e poi singolarmente, a casa, rispondete al seguente questionario.

LEZIONE 19 Marzo 2012

Dai pochi risultati del questionario si capisce che ci siamo arenati sulla seguente questione:

che cosa c'è dentro agli atomi che causa la deviazione di solo pochissime particelle alfa?

Oggi tenteremo di tirarcene fuori.

RISPOSTE DEI GRUPPI

Argon: Secondo noi alcune particelle alfa deviano perché gli atomi sono composti da un nucleo positivo e da una parte esterna vuota. Quando alcune particelle alfa si scontrano con il nucleo deviano. Le altre che non deviano vanno contro (attraversano) la parte vuota

Boro

Ogni atomo ha carica positiva ma non sparsa, ma concentrata in un unico punto (in uno spazio estremamente piccolo)

Carbonio

La spiegazione più ovvia è quella che la carica positiva è compatta e (solo) quando le particelle alfa colpiscono questa carica positiva deviano.

Deuterio

Noi siamo d'accordo che gli atomi non sono pieni di polpa come nel caso del cocomero, ma in un certo punto si concentra più carica positiva che fa deviare le particelle alfa.

Elio

Perché le particelle (gli atomi di oro) segnate con ? vibrano e vibrando urtano le particelle alfa che deviano e vanno verso il contatore geiger

Obiezioni: l'ipotesi era già stata fatta da Nicholas il 14 marzo ed era stata discussa e scartata il 16 marzo (vedi sopra).

Fluoro (-Giuseppe)

Secondo noi gli elettroni non sono molto sparsi ma più o meno raggruppati insieme, e quando gli atomi (le particelle alfa) si scontrano con essi sono deviate.

Obiezioni: avete inventato il modello a melone (i semetti tutti al centro)!!! Un atomo di oro ha 79 elettroni, ciascuno dei quali pesa un 7300-esimo di una particella alfa. Anche mettendo assieme tutti i 79 elettroni, ammesso che ciò sia possibile, dato che essi si respingono, otterremmo un corpo che pesa appena un centesimo della particella alfa. Perciò il gruppo di elettroni non riuscirebbe a deviare molto le particelle alfa.

Quattro gruppi su sei hanno stabilito ciò che Rutherford impiegò 2 anni a capire, cioè che negli atomi la carica positiva, quindi la maggior parte della materia dell'atomo (visto che gli elettroni sono molto piccoli) si raduna e si compatta in uno spazio molto piccolo.

La maggior parte dell'atomo rimane praticamente vuota, dato che gli elettroni sono piccolissimi e leggeri.

Le particelle alfa vanno quasi sempre dritte nell'attraversare l'atomo, tranne in quei casi in cui esse colpiscono la piccola concentrazione di massa carica positivamente.

Con i nostri esperimenti abbiamo capito che l'atomo ha un nòcciolo: non somiglia a un'anguria, ma ad una pesca o un'albicocca.

Come Rutherford, abbiamo scoperto che gli atomi d'oro hanno un nucleo,

TUTTI GLI ATOMI HANNO UN NUCLEO POSITIVO.

Rutherford nel 1911 scoprì il nucleo degli atomi. Rutherford non era molto bravo in matematica, perciò fece calcolare a Marsden (lo studente) le dimensioni del nucleo che combaciassero con la bassa probabilità degli urti delle particelle alfa.

Essi trovarono così che il nucleo è grande circa un centomillesimo delle dimensioni dell'atomo e che le particelle alfa erano anche esse piccolissime. Mentre fino al 1911 si diceva che la particella alfa era un atomo di elio senza i due elettroni, oggi diciamo che la particella alfa è il nucleo dell'atomo di elio.

Ora però abbiamo un problema: nel modello di Thomson gli elettroni si respingevano ed erano attratti da tutte le parti dalla carica positiva che li circondava, per cui si piazzavano a distanze regolari tra loro come i semi del cocomero. Ora che la carica positiva si è concentrata nel nucleo, che cosa li tiene fermi?