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, diede dei risultati contrastanti rispetto a quest'ultimo, confermando al contempo alcune previsioni fatte dal modello atomico di Nagaoka, portando alla concezione del modello atomico di Rutherford, in seguito detto modello planetario dell'atomo. L'atomo concepito secondo il modello planetario, però, contrastava con 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, contribuendo, pertanto, alla creazione della vecchia teoria dei quanti.

Esperimento e risultati[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svgLo stesso argomento in dettaglio: Scattering Rutherford.
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.

Nell’esperimento, Geiger e Marsden indirizzarono un fascio di particelle alfa, prodotte da una sorgente radioattiva, contro una sottilissima lamina d’oro, dello spessore di poche migliaia di atomi. Uno schermo fluorescente venne posizionato tutt’intorno alla lamina d’oro, in modo da evidenziare l’arrivo di ogni particella alfa. In questo modo fu possibile ricostruire la traiettoria percorsa dalle particelle dopo l’impatto con la lamina.

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 venivano respinte. Questo era un evento completamente imprevisto, poiché i leggerissimi elettroni non potevano deviare le pesanti particelle alfa lanciate a grandissima velocità. Rutherford stesso, convinto che il modello atomico di Thomson fosse corretto, affermò:

(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] .

Si scoprì che la grandissima maggioranza delle particelle attraversava la lamina senza subire deviazioni, ma un certo numero di esse subiva deviazioni più o meno consistenti, tra 1° e 90°, e circa 1 su 10.000 venivano deflesse con angoli maggiori di 90°. Pertanto dichiarò che:

(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)

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. Inoltre dimostrò l'esistenza del nucleo atomico, teorizzato da Hantarō Nagaoka nel suo "modello saturniano", pur confutando la stabilità di un eventuale anello di elettroni in orbita attorno ad esso. Tuttavia il nucleo era estremamente piccolo rispetto a quanto teorizzato fino quel momento, essendo circa 100.000 volte più piccolo dell'atomo stesso, facendo risultare l'atomo essenzialmente vuoto.

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. Attraverso calcoli basati sulla teoria quantistica si ottiene lo stesso risultato trovato da Rutherford.

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 0-387-98756-8, ISBN 978-0-387-98756-9
  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.

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