Difuzia Rutherford: masurarea ratei de difuzie in functie de unghiul de difuzie si numarul atomic

Difuzia Rutherford: masurarea ratei de difuzie in functie de unghiul de difuzie si numarul atomic

Obiectivele experimentului:

• Inregistrarea ratei directe de numarare Nd a particulelor α dispersate de o folie de aur in functie de unghiul θ.
• Determinarea ratei corectate de numarare N in raport cu distributia de dispersie in spatiu.
• Validarea “formulei de dispersie Rutherford”.

Principii:

Daca particulele α sunt lasate sa loveasca o foaie subtire de aur, ele sunt deviate de la traiectoria lor (“dispersie”), fiecare cu un unghi θ. Majoritatea particulelor α sunt dispersate la unghiuri mai mici de 1° . Cu toate acestea, cateva particule arata unghiuri de dispersie substantial mai mari, θ, in cazuri extreme pana la 180° (“dispersie inapoi”). Aceste observatii initial calitative pot fi explicate doar prin presupunerea ca atomii de aur au un nucleu foarte mic, continand practic intreaga masa atomica si fiind incarcati pozitiv.

Pe baza acestei idei, Rutherford a calculat distributia angulara a ratei de dispersie N(θ). Rata de dispersie este numarul de particule care sunt dispersate in timpul unei unitati de timp intr-un interval determinat dθ in jurul unghiului mediu θ. Rezultatul acestui calcul este “formula de dispersie Rutherford”. Experimentul isi propune sa reproduca aceste observatii folosind o pregatire de Am-241 intr-o camera cu vid. Rata de dispersie N(θ) este masurata ca functie de unghiul de dispersie θ folosind un detector semiconductor. Ca materiale de dispersie, sunt furnizate o foaie de aur (Z = 80) si folie de aluminiu (Z = 13). Obiectivul este sa se confirme aceasta formula si sa se inteleaga mecanismele din spatele difuziei particulelor α.

Difractia lui Rutherford este unul dintre experimentele fundamentale care au revolutionat intelegerea structurii atomice. Experimentul presupune bombardarea unei foi subtiri de aur cu particule alfa (α), care sunt nuclee de heliu (He2+) accelerate. Atunci cand aceste particule trec prin atomii de aur, ele sunt deviate din calea lor de campul electric al atomilor.

Majoritatea particulelor alfa sunt usor deviate la unghiuri mici, dar un mic numar dintre ele sunt deviate cu unghiuri mari sau chiar reflectate inapoi, un fenomen cunoscut sub numele de “dispersie inapoi”. Aceasta observatie era contrara asteptarilor teoriei atomice din acea vreme, care sugera ca atomii au o structura uniforma si ca particulele ar trebui sa treaca prin ei cu usurinta.

Rutherford a explicat aceste observatii prin presupunerea ca atomii au un nucleu mic si dens, care contine aproape toata masa atomului si incarcatura electrica pozitiva. Particulele alfa care trec aproape de nucleu sunt deviate semnificativ din calea lor, ceea ce a dus la observatia dispersiei inapoi.

Formula de dispersie Rutherford a fost dezvoltata pentru a descrie aceasta distributie a unghiurilor de dispersie. Ea arata modul in care numarul de particule deviate variaza in functie de unghiul de dispersie si a reprezentat o realizare semnificativa in dezvoltarea teoriei atomice.

Experimentul reproduce aceste observatii si masoara ratele de dispersie pentru particulele alfa in functie de unghiul de dispersie si numarul atomic al materialului de dispersie (aur si aluminiu). Masuratorile experimentale sunt apoi comparate cu predictiile formulei de dispersie Rutherford pentru a valida aceasta teorie fundamentala in domeniul fizicii atomice.