Esperimento di Rutherford

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L'esperimento di Rutherford (anche detto esperimento di Geiger e Marsden) fu un esperimento effettuato per sondare la struttura dell'atomo eseguito da Hans Wilhelm Geiger e Ernest Marsden nel 1909,[1] sotto la direzione di Ernest Rutherford al laboratorio di fisica dell'Università di Manchester. Concepito per provare la validità del modello atomico di Thomson, detto modello a panettone (plum pudding model), diede dei risultati contrastanti rispetto a quel modello e portò alla concezione del modello atomico di Rutherford o modello planetario dell'atomo. L'atomo planetario proposto da Rutherford a seguito di quest'esperimento contrastava quanto previsto dalle leggi dell'elettrodinamica classica e pose le basi per la costruzione da parte di Niels Bohr del suo modello atomico spiegabile attraverso la meccanica quantistica. Quest'esperimento, pertanto, contribuì alla creazione della vecchia teoria dei quanti.

Esperimento e risultati[modifica | modifica wikitesto]

In alto - Risultato atteso (modello di Thomson): particelle alpha attraversano l'atomo venendo deflesse minimamente.
In basso - Risultato osservato: Alcune particelle vengono deflesse a grandi angoli (anche maggiori di 90°). Nota: l'immagine non è in scala in quanto il nucleo ha dimensioni di alcuni ordini di grandezza più piccole rispetto alla nuvola elettronica.

Un fascio di particelle alfa generate dal decadimento radioattivo di Polonio fu diretto ortogonalmente ad un foglio sottile d'oro. Il foglio d'oro era circondato da un foglio circolare ricoperto di solfuro di Zinco (ZnS) usato come rivelatore: il solfuro di Zinco emette scintille luminose quando viene colpito da particelle alfa.

Secondo il modello di Thomson, allora maggioritario, le particelle alfa avrebbero dovuto attraversare il foglio d'oro venendo deflesse al più di pochi gradi, anche considerando la possibilità di diffusione multipla: misurando la deflessione delle particelle si potevano ricavare informazioni sulla distribuzione di carica elettrica all'interno dell'atomo. Tuttavia venne osservato che alcune particelle (1/8000) venivano riflesse ad angoli anche maggiori di 90°. Questo era un evento completamente imprevisto, come risulta dalle parole di Rutherford:

(EN)
« It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you. On consideration, I realized that this scattering backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you took a system in which the greater part of the mass of the atom was concentrated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a minute massive centre, carrying a charge. »
(IT)
« Fu l'evento più incredibile mai successomi in vita mia. Era quasi incredibile quanto lo sarebbe stato sparare un proiettile da 15 pollici[2] a un foglio di carta velina e vederlo tornare indietro e colpirti. Pensandoci, ho capito che questa diffusione all'indietro doveva essere il risultato di una sola collisione e quando feci il calcolo vidi che era impossibile ottenere qualcosa di quell'ordine di grandezza a meno di considerare un sistema nel quale la maggior parte della massa dell'atomo fosse concentrata in un nucleo molto piccolo. Fu allora che ebbi l'idea di un atomo con un piccolissimo centro massiccio e carico. »
(Ernest Rutherford [3])

Conclusioni[modifica | modifica wikitesto]

Rutherford interpretò i risultati sperimentali in un lavoro del 1911 intitolato "The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom" (La diffusione di particelle α e β e la struttura dell'atomo)[4] .

Nell'articolo Rutherford rigettò definitivamente il "modello a panettone" di Thomson dato che secondo quel modello né le particelle con carica negativa (ossia gli elettroni), né la distribuzione di carica positiva che doveva contenerli sarebbero stati in grado di produrre deflessioni così marcate.

Rutherford quindi propose che la carica positiva dell'atomo fosse concentrata in uno spazio con un volume molto minore delle dimensioni atomiche, in questo modo era possibile spiegare le deflessioni osservate. Questa concentrazione centrale di carica, successivamente denominata nucleo atomico, portava a concludere che la maggior parte del volume atomico fosse costituito da spazio vuoto. Infatti, dalla conservazione dell'energia cinetica, fu in grado di calcolare che il raggio della carica centrale negli atomi d'oro doveva essere più piccolo di 3.4 x 10−14 m, mentre l'atomo d'oro aveva un raggio noto di 1.5 x 10−10. Nello stesso articolo Rutherford affermava che non era possibile escludere che delle particelle con carica positiva ruotassero anch'esse attorno al nucleo, insieme agli elettroni tuttavia dichiarava anche:

(EN)
« For concreteness, consider the passage of a high speed Alpha particle through an atom having a positive central charge Ne, and surrounded by a compensating charge of N electrons. »
(IT)
« Per concretezza, consideriamo il passaggio di una particella alfa ad alta velocità attraverso un atomo che abbia una carica centrale positiva Ne e circondata dalla carica di N elettroni a compensare. »
(Ernest Rutherford, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom)

Rutherford usò per i suoi calcoli le leggi della meccanica classica dato che a quell'epoca non era disponibile la teoria quantistica. Quest'esperimento e la successiva incompatibilità del modello atomico di Rutherford con la teoria classica dell'elettromagnetismo portarono alla formulazione da parte di Bohr di un nuovo modello atomico che costituì la base delle prime teorie quantistiche. Rifacendo i calcoli usando la teoria quantistica si ottiene lo stesso risultato trovato da Rutherford.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Geiger H. & Marsden E., On a Diffuse Reflection of the α-Particles in Proceedings of the Royal Society, Series A, vol. 82, 1909, pp. 495–500, DOI:10.1098/rspa.1909.0054.
  2. ^ circa 38 cm
  3. ^ citato da David C. Cassidy, Gerald James Holton, Gerald Holton, Floyd James Rutherford, (2002) Understanding Physics Harvard Project Physics Published by Birkhäuser, p. 632 ISBN 0387987568, ISBN 9780387987569
  4. ^ (EN) Rutherford E., The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom in Philosophical Magazine, Series 6, vol. 21, 1911, pp. 669–688.

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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