Eksperyment Rutherforda (rok 1911) – odkrycie jądra atomowego

W roku 1897 fizyk angielski, profesor Uniwersytetu Cambridge, noblista sir Joseph John Thomson odkrył elektron. Odkrycie ujemnie naładowanego elektronu, który można oderwać od atomu, zachwiało poglądami na temat budowy atomu – wcześniej uważano, że atomy to niepodzielne kulki bez struktury wewnętrznej. Skoro elektron ma ładunek ujemny, to reszta musi mieć ładunek dodatni. Ilości tych ładunków równoważą się tak, że atom w całości ma ładunek obojętny. Kwestią sporną było jak to jest rozłożone w przestrzeni atomu. Koncepcji, jak zawsze w takim przypadku, pojawiło się sporo, ale w końcu przeważyła hipoteza samego Thomsona, zwana modelem ciasta z rodzynkami. Głosiła ona, że dodatnio naładowany ładunek rozłożony jest w całej objętości atomu a elektrony tkwią w nim punktowo tak, jak rodzynki w cieście. Teoria ta wydawała się najbardziej mechanicznie stabilnym i wiarygodnym opisem materii. A poza tym najbardziej przystawała do "zdroworozsądkowej" obserwacji tzw. zwykłego człowieka, że materia jest w gruncie rzeczy ciągła i spoista. Odkrycie promieniowania znanego obecnie jako promieniowanie jądrowe, m.in. promieniowania alfa, wprowadziło kolejną nierozwiązaną kwestię: jak to się dzieje, że niektóre atomy emitują inne atomy. W maju roku 1909 miało się jednak okazać, że nie wszystko, co na pierwszy rzut oka uważamy za oczywistość, jest nią w istocie.

Hipotezę Thomsona miał podważyć nie kto inny, ale jego dawny zdolny uczeń i następca na katedrze fizyki, sir Ernest Rutherford. Gburowaty, porywczy (miał silne przekonanie, "poparte" praktyką, że nic tak nie wspomaga eksperymentów fizycznych jak częste obrzucanie ich wiązką przekleństw) z wielkim sumiastym wąsem Nowozelandczyk był pierwszym cudzoziemskim studentem na katedrze im. Cavendisha i pierwszym cudzoziemcem, który objął tę katedrę. Jednak to nie on sam przeprowadzał eksperyment zwany teraz jego imieniem, lecz jego stażysta Hans Geiger (ten sam, którego nazwisko znalazło się w nazwie licznika Geigera) i student Ernest Marsden (późniejszy znany fizyk nowozelandzki).


Górny rysunek: według teorii Thomsona cząstki alfa swobodnie pokonują wnętrze atomu.
Dolny rysunek: obserwowany rezultat eksperymentu: niewielka część cząstek jest odbijana ukazując mały skoncentrowany w niewielkiej przestrzeni ładunek dodatni.

Eksperyment polegał na bombardowaniu bardzo cienkiej złotej folii promieniowaniem alfa i obserwacji charakteru rozkładu kątowego przechodzących przez nią cząstek alfa, co pozwoliłoby określić strukturę budowy atomu. Już wówczas wiedziano, że promieniowanie alfa to po prostu atomy helu pozbawione elektronów, w tym eksperymencie uzyskiwane z radioaktywnego radonu. Przyrząd do badania zjawiska zawierał źródło tych cząstek w ołowianym pojemniku z niewielkim otworem skierowanym na złotą folię. Podczas eksperymentu detektor scyntylacyjny umieszczano pod różnymi kątami do pierwotnego kierunku promieni alfa. Detektorem tym był ekran pokryty siarczkiem cynku. Obserwacja ekranu przez lupę umożliwiała zobaczenie błysków, gdy cząstka alfa trafiała w scyntylator.

Idea była prosta: cząstka alfa leci w kierunku złotej folii, przechodząc przez atom, oddziałuje z elektronami które nieznacznie zmieniają kierunek jej biegu, następnie uderza ona w ekran, który w tym miejscu na moment rozbłyska. Eksperymentatorzy wyznaczają zależność liczby cząstek od kąta rozpraszania, uzyskując w ten sposób informację o nierównomierności rozkładu ładunku w atomie, w tym i o liczbie elektronów w atomie.

Według teorii Thomsona cząstki te powinny przejść przez złotą folię jak "przez masło". Ku zaskoczeniu eksperymentatorów okazało się jednak, że 1 cząstka na około 8000 wystrzelonych odbija się od złotej folii. Rutherford zareagował na tę wiadomość słynnym zdaniem: "To było chyba najbardziej niewiarygodne zdarzenie w moim życiu. To tak, jakby pocisk artyleryjski wielkiego kalibru, wystrzelony w kierunku serwetki, odbił się od niej i powrócił do strzelającego”.

Rutherford, pomysłodawca tego eksperymentu, przystąpił teraz do rozwiązania zagadki. A zajęło mu to aż 18 miesięcy, ponieważ chciał, by zaproponowana hipoteza była możliwie kompletna i wiarygodna. Dopiero na początku 1911 roku opublikował rozwiązanie problemu. Atom w ogromnej większości jest pusty. W środku atomu jest duże (w proporcji do rozmiarów elektronów) jądro, a w ogromnej odległości (w stosunku do wielkości jądra), po ściśle określonych orbitach, krążą niewielkie elektrony. Tylko w ten sposób można wytłumaczyć występujące te rzadkie odbicia masywnej cząstki alfa: odbijała się ona tylko w przypadku trafienia w jądro atomu złota.

Od razu nasuwała się analogia pomiędzy budową atomu i budową Układu Słonecznego. Inna jest tylko skala zjawiska. Stąd pochodzi nazwa koncepcji Rutherforda: budowa planetarna atomu.

Ciągłość materii to złuda. Jądro zajmuje mniej niż jedną bilionową część objętości atomu. To siły elektryczne działające między atomami utrzymują względną spoistość materii.

Tak skończyła się epoka fizyki klasycznej, a zaczęła się era fizyki jądrowej. Model atomu zaproponowany przez Rutherforda stanowił ważny krok w poznaniu budowy atomu i stanowił punkt wyjścia do skonstruowania współczesnego modelu atomu.