Che cos'è l'esperimento della lamina d'oro di Rutherford?

Sommario:

Esperimento della lamina d'oro di Rutherford – Principali osservazioni e conclusioni

Esperimento della lamina d'oro di Rutherford (esperimento di scattering di particelle alfa di Rutherford) si riferisce a un esperimento condotto da Ernest Rutherford, Hans Geiger ed Ernest Marsden all'Università di Manchester all'inizio del 1900. Nell'esperimento, Rutherford ei suoi due studenti hanno studiato come venivano deviate le particelle alfa sparate contro un sottile pezzo di lamina d'oro. Secondo i popolari modelli atomici dell'epoca, tutte le particelle alfa avrebbero dovuto viaggiare dritte attraverso la lamina d'oro. Tuttavia, con loro sorpresa, Rutherford e i suoi studenti scoprirono che circa 1 su 8000 particelle alfa veniva deviata verso la sorgente (cioè ad angoli maggiori di 90^o). Per spiegare questo effetto, hanno dovuto inventare un nuovo modello (ora noto come "Modello Rutherford“) per l'atomo.

Ernest Rutherford

Per l'esperimento, una sorgente radioattiva che emette particelle alfa è stata tenuta davanti a una sottile lamina d'oro. La sorgente e la lamina d'oro erano circondate da uno schermo con un rivestimento di solfuro di zinco e l'aria veniva pompata fuori per garantire che l'attrezzatura fosse tutta nel vuoto. (Se non lo avessero fatto, le particelle alfa avrebbero consumato la loro energia per ionizzare le molecole d'aria e potrebbero non aver mai raggiunto la lamina d'oro).

Ci si aspettava che le particelle alfa emesse dalla sorgente passassero direttamente attraverso la lamina d'oro. Ogni volta che colpivano lo schermo rivestito di solfuro di zinco, dovevano produrre una piccola macchia luminosa sullo schermo.

Il modello popolare per l'atomo all'epoca era conosciuto come il “Modello di budino di prugne“. Questo era un modello sviluppato da J.J. Thomson, che aveva scoperto gli elettroni pochi anni prima. Secondo il suo modello, gli atomi erano oggetti sferici, con la carica positiva distribuita uniformemente come un impasto e piccoli frammenti di carica negativa (elettroni) attaccati come prugne. Se questo "modello di budino di prugne" fosse stato corretto, tutte le particelle alfa avrebbero dovuto passare direttamente attraverso gli atomi d'oro nella lamina d'oro, mostrando una deflessione minima. Tuttavia, ciò che Rutherford ei suoi studenti osservarono era molto diverso.

La maggior parte delle particelle alfa è passata direttamente attraverso la lamina d'oro. Tuttavia, alcune delle particelle alfa sembravano essere deviate a grandi angoli. Raramente, alcune particelle alfa sembravano essere state deviate da angoli maggiori di 90⁰. Per spiegare questo risultato, Rutherford propose che la massa di un atomo dovesse essere concentrata in un'area molto piccola al centro, che chiamò "nucleo". Dalle deviazioni, era anche chiaro che il nucleo era carico:

Esperimento della lamina d'oro di Rutherford - Aspettativa e risultato dell'esperimento Geiger-Marsden

Esperimento della lamina d'oro di Rutherford – Principali osservazioni e conclusioni

Osservazione	Interpretazione
La maggior parte delle particelle alfa è passata direttamente attraverso la lamina d'oro	Queste particelle alfa devono viaggiare senza avvicinarsi al centro (carico) dell'atomo. Perciò, la maggior parte dell'atomo deve essere vuoto.
Poche delle particelle alfa sono state deviate ad angoli grandi	Questi devono avvicinarsi al centro dell'atomo, dove vengono deviati dalla carica al centro. Così, il nucleo deve essere carico.
Raramente, le particelle alfa venivano deviate indietro verso il rivelatore	Questi devono essersi scontrati frontalmente con il nucleo. Così, il nucleo deve contenere la maggior parte della massa dell'atomo.

Rutherford non determinò necessariamente che il nucleo fosse caricato positivamente durante questi primi esperimenti (le deviazioni potrebbero essere state prodotte da cariche negative attraenti piuttosto che da cariche positive repulsive al centro). Rutherford alla fine scoprì che il nucleo di un atomo era caricato positivamente, ma ciò fu fatto in un esperimento diverso.

Alla fine, Niels Bohr ed Erwin Schrödinger hanno escogitato modelli migliori per gli atomi, ma l'esperimento della lamina d'oro di Rutherford rimane uno degli esperimenti più innovativi nella storia della fisica.