Alfa Částice a Atom

Rutherford v Manchesteru, 1907-1919

Ernest Rutherford objevil jádro atomu v roce 1911. Čteme to v učebnicích a v populárních spisech. Co to ale znamená? Geografický objev obvykle znamená, že člověk vidí místo poprvé. Ale může být objev stejný pro říši skrytou před zrakem? V tomto smyslu nelze vidět atom., Takže to naznačuje, že možná příběh objevu jádra byl komplikovanější. Příběh, jak se rozvinul v Rutherfordově laboratoři na univerzitě v Manchesteru, se točil kolem skutečných lidí. Jednalo se o frustrace a triumfy. Jednalo se o tvrdou práci, zmatenost a inspiraci.

když se Rutherford stal profesorem v Manchesteru v roce 1907, našel moderní laboratoře pro výuku i výzkum. Na naléhání svého předchůdce Arthura Schustera bylo vybráno více než 40 000 liber, aby poskytl fyzikální program. Pro srovnání, rutherfordův velkorysý plat byl £1,600 / rok., Kredit: z knihy: fyzické laboratoře University of Manchester: záznam 25 let práce University of Manchester, Manchester: na University Press, 1906. Vizuální archivy AIP Emilio Segrè, kolekce křehkých knih.

Rutherford dorazil do Manchesteru v létě 1907, měsíce před začátkem funkčního období univerzity. Byl jmenován profesorem fyziky Langworthy, nástupcem Arthura Schustera (1851-1934), který odešel do důchodu ve věku 56 let, aby najal Rutherforda. Schuster postavil moderní fyzikální budovu, najal Hanse Geigera, Ph.D., (1882-1945), protože jeho experimentální dovednosti, a obdařen novou pozici v matematické fyzice zaokrouhlit kompletní fyzikální program. Rutherford vstoupil do středu světa fyziky. Vědci k němu přišli tucet.

Rutherford dorazil s mnoha výzkumnými otázkami. Nebyl proveden s hádankami rozpadových rodin thoria, radia atd., ale většinu této práce předával Boltwoodovi, Hahnovi a Soddymu. Boltwood a Hahn oba pracovali s Rutherfordem v Manchesteru, Boltwood v 1909-1910 a Hahn v 1907-1908., Rutherford postupně obrátil svou pozornost mnohem více na α (alfa), β (beta) a γ (gama) paprsky samotné a na to, co by mohly odhalit o atomu. To znamená, že nechal radio-chemii ostatním a obrátil se k fyzice.

Rutherford vždy shromáždil kolem sebe skupinu jasných mladých vědců. V této skupinové fotografii z roku 1910 jsou Ernest Marsden a Hans Geiger. Přední a střed jsou profesoři Schuster a Rutherford, a soustředěný v zadní části je William Kay, talentovaný a užitečný laboratorní Správce. Kredit: J. B. Birks, ed.,, Rutherford v Manchesteru (Londýn: Heywood & Co., 1962), s. 38.

Rutherford brzy tým v Manchesteru zahrnuty Geiger a William Kay (1879-1961), junior laboratorní asistent od roku 1894. Rutherford povýšil Kaye na laboratorního správce v roce 1908, aby spravoval laboratorní vybavení a pomáhal mu v jeho výzkumu. V roce 1957 si Kay v rozhovoru vzpomněl na své mládí s Rutherfordem. Jazyk je kuriózní, ale popis je tak blízko Rutherfordova přístupu, jak se dostaneme., Tazatel byl Samuel Devons (1914-2006), který byl jedním z Rutherford poslední studenti v roce 1930.

Hans Geiger byl Rutherford je hlavním partnerem v alfa-ray výzkumu z roku 1907 až 1913. Společně vyvinuli několik způsobů detekce alfa paprsků. Prokázali, že alfa paprsky jsou dvojnásobně ionizovaná jádra helia. CA. 1908. Kredit: vizuální archivy AIP Emilio Segre, sbírka fyziky dnes.

Rutherford a Hans Geiger úzce spolupracovali v letech 1907 a 1908 na detekci a měření α částic., Pokud měli použít α částice pro sondu atomu, museli nejprve vědět více o těchto částicích a jejich chování. Rutherford se snažil a selhal zpět na McGill počítat α částice.

o rok později v Manchesteru uspěl se dvěma způsoby pozorování α částic. První metoda zahrnovala scintilace excitované částicemi α na tenké vrstvě sulfidu zinečnatého. Pozorovali je mikroskopem a počítali scintilace v různých úhlech disperze., Vyvinuli také „elektrometr“, který by mohl prokázat průchod jednotlivé α částice velkému publiku. Přístroj, který se vyvinul do „Geigerova pultu“, měl částečně evakuovaný kovový válec s drátem dolů ve středu. Aplikovali napětí mezi válcem a drátem dostatečně vysoké, aby jiskřily. Přijali α částice tenkým slídovým oknem, kde se tyto částice srazily s plyny a vytvářely plynové ionty. Ty se pak srazily s jinými molekulami a produkovaly více iontů a tak dále., Každá α částice produkovala kaskádu iontů, která částečně vypustila válec a naznačila průchod α částice. Geiger a Rutherford publikovali v letech 1908 a 1909 několik článků o těchto metodách a jejich použití.

Rutherford napsal Henry Zjistil (1870-1920), Americký fyzik, dne 11. července 1908:

Geiger je dobrý člověk, a pracoval jako otrok. Nikdy jsem nemohl najít čas na drudgery, než jsme se dostali věci v dobrém stylu. Nakonec všechno šlo dobře, ale rozptyl je ďábel. Naše trubka fungovala jako kouzlo a mohli jsme snadno dostat hod 50 mm., pro každou částici. … Geiger je démon v práci počítání scintilací a mohl počítat v intervalech po celou noc, aniž by narušil jeho vyrovnanost. Rázně jsem se propadl a po dvou minutách jsem odešel do důchodu. (Citováno v Eve, s. 180.)

přestože Rutherford již v roce 1906 předpokládal, že α částice jsou atomy helia zbavené jejich elektronů, požadoval vysoký standard důkazu. Jeden druh experimentu nestačil. Jeden druh detektoru nestačil. Chtěl víc důkazů., Pro to, Rutherford požadovaný „velké napětí“ a velké elektromagnety pro přesměrování α částice, ale tato metoda ještě nebyla zralá. Laboratoře správce William Kay připomněl v citovaném orální historie rozhovor, který Rutherford v roce 1908 trval na tom, že silné elektrické a magnetické pole bylo potřeba změřit více přímo náboj a hmotnost α a β částic:

Kay řekl Rutherford chtěla velkou, vodou chlazený magnet, ale že se mu „vypadl jako horké koláče“, když zjistil, že jeho náklady. Takže potřeboval novou linii útoku. Nová linie byla velmi jednoduchá, chemický postup smíchaný s fyzikou., Za tuto práci Rutherford rekrutoval Thomase Roydse (1884-1955), který v roce 1906 získal titul Physics Honours. Sbírali částice α v uzavřené skleněné trubici, stlačovali je a procházeli elektrickou jiskrou. Studovali emitované světlo ve spektroskopu a zjistili, že je totožné se spektrem helia. Během několika měsíců získal Rutherford Nobelovu cenu za chemii, “ za jeho vyšetřování rozpadu prvků a chemii radioaktivních látek.,“(Nobelova citace) Rutherford a Royds založili identitu a primární vlastnosti α částic. Rutherford dále obrátil svou pozornost k jejich použití k prozkoumání atomu.

podzim roku 1908 začal důležitou sérii výzkumů. Geiger procházel paprsky α částic zlatem a jinými kovovými fóliemi, pomocí nových detekčních technik pro měření toho, jak moc byly tyto paprsky rozptýleny atomy v fóliích. Geiger si myslel, že Ernest Marsden (1889-1970), 19letý student fyziky vyznamenání, byl připraven pomoci při těchto experimentech a navrhl to Rutherfordovi., Vzhledem k tomu, Rutherford často tlačil studenty třetího ročníku do výzkumu, říká, že to byl nejlepší způsob, jak se dozvědět o fyzice, ochotně souhlasil.

Tento náčrt, z Geiger a Marsden 1909 článek, ukazuje, kónické skleněné trubice plné „radia emanace“ (radon), uzavřená v B s tenkou panelu ze slídy. To byl jejich zdroj alfa (α) částic. S byl síran zinečnatý, který se scintiloval, když byl zasažen α částicí. P byla olověná obrazovka, která zablokovala jakékoli částice α, aby cestovaly přímo na síran zinečnatý., RR byla fólie (nebo fólie) různých kovů (včetně zlata), které „difuzně odrážely“ dopadající α částice. Geiger a Marsden pozorovali výsledné scintilace pomocí pozorovacího mikroskopu, m. Credit: h. Geiger a e. Marsden,“ na difúzním odrazu α-částic“, Sborník královské společnosti,1909, 82:495-500.

Geiger a Marsden začal s malým úhlem rozptylu a zkoušel různé tloušťky fólie, hledám matematické vztahy mezi disperze a tloušťka fólie nebo počet atomů projet., Marsden později připomněl, že Rutherford mu řekl uprostřed těchto experimentů: „uvidíme, jestli můžete získat nějaký účinek alfa-částic přímo odražených od kovového povrchu.“(Hlášeno Marsdenem v Birks, 1962, s. 8). Marsden nepochyboval, že Rutherford očekává zpětného rozptylu α částice, ale jako Marsden napsal

…to byl jeden z těch ‚tušení‘, že snad nějaký efekt může být pozorován, a že v každém případě, že sousední území, o Tom si pimpulu je zem může být prozkoumány na průzkum., Rutherford byl vždy připraven setkat se s neočekávaným a využít ho, kde příznivý, ale také věděl, kdy se zastavit na takových exkurzích. (Birks, 1962, s. 8)

to byl rutherfordův hravý přístup v akci. Jeho studenti a další si vyzkoušeli jeho nápady, z nichž mnohé byly slepé uličky. Tato myšlenka hledat zpětný rozptyl α částic se však vyplatila., Rutherford napsal:

Experiment, režie disciplinovaný představivost buď jednotlivce, nebo, ještě lépe, skupiny jedinců rozmanité duševní outlook, je schopen dosáhnout výsledků, které daleko přesahují představivost sám, i toho největšího filozofa. (Citováno v Eve, 1939, Frontmatter)

někdy později v 1908 nebo 1909, Marsden řekl, hlásil své výsledky Rutherfordovi. Rutherford si to vzpomněl trochu jinak:

vzpomínám si …později ke mně Geiger ve velkém vzrušení přišel a řekl: „podařilo se nám dostat některé α-částice zpět…, Byla to ta nejneuvěřitelnější událost, která se mi kdy v životě stala. Bylo to téměř neuvěřitelné, jako byste vystřelili 15palcovou skořápku na kus hedvábného papíru a vrátil se a zasáhl vás. (Rutherford, 1938, s. 68)

lidská paměť je omylná. Ať už to řekl Marsden nebo Geiger Rutherfordovi, účinek byl stejný. Rutherford řekl, že by měli připravit publikaci z tohoto výzkumu, kterou předložili v květnu 1909. Navíc to začalo Rutherford přemýšlet o tom, co nakonec, téměř o dva roky později, publikoval jako teorie atomu.,

Co Rutherford dělal po zbytek roku 1909 a po celý rok 1910? Pro jednu věc, jeho blízký přítel Boltwood byl v Manchesteru pro akademický rok práce s Rutherford na radioaktivním rozpadu radia. Zkoumal a hovořil také o dřívějších představách o atomové struktuře. A co je nejdůležitější, bral fenomén rozptylu α částic systematicky a testoval každý kus. Rutherford neměl svůj odvážný nápad — jaderný atom — okamžitě, ale přišel k němu postupně tím, že zvažoval problém z mnoha stran.,

Na podzim roku 1910 přivedl Marsdena zpět do Manchesteru, aby dokončil přísné experimentální testování svých nápadů s Geigerem. Znovu stanovili míru emisí a rozsah α částic radioaktivními zdroji a znovu prozkoumali jejich statistické analýzy. Rutherford snažil sladit rozptyl výsledků s různými atomovými modely, zejména j. J. Thomson, ve kterém pozitivní elektřiny byl považován za rovnoměrně rozptýlené po celé oblasti atomu.

stránka rutherfordovy rané, nedatované (1910 nebo 1911), hrubé poznámky., Prvních několik řádků zní: „teorie struktury atomu. Předpokládám, že atom se skládá z + poplatek ne na střed & – náboj jako elektron distribuovány po celém koule o poloměru r.“ On pak načrtnut představy o výpočet síly vychýlení na nabitou částici procházející v blízkosti této nabité centrum. Kredit: J. B. Birks, ed., Rutherford v Manchesteru (Londýn: Heywood & Co., 1962), s. 70.

v určitém okamžiku v zimě 1910-1911 Rutherford vypracoval základní myšlenku atomu s “ nabitým středem.,“Jako Geiger a Marsden poukázal na jejich 1909 článek:

Pokud je vysoká rychlost a hmotnost α-částice být vzaty v úvahu, se zdá překvapivé, že některé z α-částice, jako experiment ukazuje, může být obrácená do vrstvy 6 x 10-5 cm. zlata pod úhlem 90° a ještě více. K vytvoření podobného účinku magnetickým polem by bylo zapotřebí obrovské pole 109 absolutních jednotek. (Birks, str., 179)

Rutherford uzavírá v Květnu 1911 papír, že tyto pozoruhodné odchylka v cestě masivní nabitých částic může být dosaženo pouze tehdy, pokud je většina hmoty, řekněme, atom zlata a většina jeho starosti byly soustředěny ve velmi malém ústřední orgán. Poznámka: v tomto okamžiku v roce 1911 Rutherford toto nenazýval „jádrem“.“

Ve skutečnosti, Rutherford byl nesmírně opatrný ve vyvozování závěrů o této centrální náboj: „jednoduchý výpočet ukazuje, že atom musí být sedadlo intenzivní elektrické pole, aby bylo možné vyrobit takový velký deflexion na jednoho setkání.“(Birks, s. 183). Vypracoval rychle a zhruba, že několik kvantitativních vztahů by mělo být pravdivé, pokud by tato základní teorie byla správná., Za prvé, počet částic α rozptýlených daným úhlem by měl být úměrný tloušťce fólie. Za druhé, toto číslo by mělo být úměrné čtverci jaderného náboje. Nakonec by měla být nepřímo úměrná čtvrté síle rychlosti α částice. Tyto tři nápady stanovily experimentální program Geiger a Marsden pro příští rok.

Rutherford bavil možnost, že nabité centrum je negativní. Dnes to zní divně, tak proč to bylo rozumné? Za prvé, nebylo to příliš odlišné od Thomsonova modelu. Za druhé, protože Rutherford věděl, že α částice nesou dvojité + poplatek, myslel si, že by to mohlo chovat stejně jako Slunce na komety zametání blízkosti. To by prak α částice kolem a zpět k jeho zdroji. Je také považována za téměř zapomenutý model navrhl Japonský fyzik Hantaro Nagaoka (1865-1950) — Saturnian model., Nagaoka a Rutherford byli v kontaktu v roce 1910 a 1911 a Rutherford se zmínil, Nagaoka je model „centrální přitahuje hmotnost obklopují kruhy rotující elektrony“ (Birks, p. 203). Konečným výsledkem tohoto kritického papíru Rutherford však bylo Rutherfordovo oznámení, že zda atom byl disk nebo koule, a zda centrální náboj byl kladný nebo záporný, neovlivní výpočty. Rutherford byl vždy opatrný, aby netvrdil víc, než by jeho výsledky mohly podpořit.,

V Rutherford nyní-slavný dokument z Května 1911 na rozptyl alfa-částic zlatou fólií, že součástí této skici z hyperbolické dráhy částice. Kredit: e. Rutherford,“ rozptyl α a β částic hmotou a strukturou hmoty“, filozofický časopis, 1911, 21:669-688.

Rutherford viděl možné testy povahy centrálního náboje. Absorpce β částic by podle něj měla být odlišná s negativním středem oproti pozitivnímu., Pozitivní centrum by vysvětlovalo velkou rychlost, kterou částice α dosahují během emise z radioaktivních prvků. Ale to byly jen náznaky.

toto schéma představuje rafinované experimenty 1912-13 provedené Geigerem a Marsdenem. R byl zdrojem alfa částic, E byla zlatá fólie, a M byl mikroskop otočný kolem svislé osy zaměřené na zlatou fólii. Alfa částice ze zdroje procházely membránou D, byly rozptýleny fólií a byly pozorovány jako scintilace na obrazovce s., Geiger a Marsden pozorovali úhly rozptýlených částic otáčením sestavy mikroskopu a obrazovky. Kredit: h. Geiger a e. Marsden,“ zákony Deflexe α částic velkými úhly“, filozofický časopis, 1913, 25:604-623.

Geiger a Marsden skutečně systematicky pracovali prostřednictvím testovatelných důsledků rutherfordovy hypotézy centrálního náboje. První velká publikace jejich výsledků byla v němčině ve sborníku vídeňské Akademie věd (Sitzungberichte der Wiener Akademie der Wissenschaften) v roce 1912., Tato 30stránková verze následovala v angličtině v roce 1913 ve filozofickém časopise:“ zákony Deflexe α částic velkými úhly “ anglická verze je známější. Mírné rozdíly mezi nimi vedly jednoho historika k tomu, že Rutherford rozhodl ve prospěch pozitivně nabitého centra do srpna 1912 (Trenn, 1974). Rutherford je ostatní členové týmu, a to zejména Charles Galton Darwin (1887-1962), H. G. J. Moseley (1887-1915), a Niels Bohr (1885-1962) excelovala v konečné vytvoření Rutherford jaderné atom.,

mladý Henry G. J. Moseley, v laboratoři Balliol-Trinity, Oxford, ca. 1910. Později téhož roku Moseley začal výzkum v Rutherfordově Manchester lab. Jeho brilantní kariéra byla zkrácena v boji v první světové válce. kredit: University of Oxford, Muzeum dějin vědy, zdvořilost AIP Emilio Segrè Visual Archives, fyzika dnes Collection.

„Velká válka“ zcela narušila práci v Rutherfordově Manchesterském oddělení. Bohr se vrátil do Dánska. Marsden přijal profesuru na Novém Zélandu. Moseley zemřel v bitvě u Gallipoli., James Chadwick (1891-1974), který pracoval s Geiger na Technické Univerzitě v Berlíně, když válka vypukla, strávil několik let internován v Ruhleben tábora pro válečné zajatce. Další studenti také odešli do války a Rutherford věnoval značnou energii mobilizaci vědy pro válečné úsilí a konkrétně protiponorkovým technikám.

Niels Bohr poprvé spolupracoval s Rutherfordem na
Manchester v roce 1912. Tato fotografie ukazuje mladé Niels a Margrethe Bohr, ca., 1914, kdy Bohr uspěl Charles Galton Darwin jako Schuster čtenář v matematické fyzice v Manchesteru. Kredit: AIP Emilio Segre Visual Archives, kolekce Margrethe Bohr.

na tomto rozptýleném pozadí Rutherford a jeho laboratorní Správce William Kay začali v roce 1917 zkoumat průchod α částic vodíkem, dusíkem a dalšími plyny. Když skončila světová Válka, Ernest Marsden krátce pomáhal s nudné scintilační vyjádření, které poskytl vodítka k povaze jádra. Rutherford oznámil předběžné výsledky těchto rozsáhlých experimentů v roce 1919., Rutherford umístil zdroj radia C (vizmut-214) do uzavíratelné mosazné nádoby, namontované tak, aby bylo možné změnit polohu zdroje a aby bylo možné zavést různé plyny nebo vytvořit vakuum podle potřeby. Α částic pohybuje vnitřku nádoby a prochází štěrbinou, na které se vztahuje stříbrné desky nebo jiného materiálu, a hit zinku sulfid obrazovky, kde scintilační byl pozorován v zatemněné místnosti. Když byl do nádoby zaveden vodíkový plyn a před dopadem na obrazovku byla věnována pozornost absorpci α částic, byly stále pozorovány scintilace., Rutherford předpokládal, že když částice α procházely vodíkovým plynem, občas se srazily s jádry vodíku. Jak napsal Rutherford, toto produkovalo „rychlé atomy vodíku“, které byly většinou promítány dopředu ve směru původního pohybu α částic.

Rutherford měl během těchto experimentů na mysli několik jemných otázek, většinou se zabývajících povahou jádra., Zeptal se jeho kolega Darwin analyzovat tyto kolize založené na jednoduché teorii‘ z elastické kolize mezi bodem jádry odpuzovány podle inverzní náměstí zákon, α částice nesoucí náboj 2 krát elektron (a opačného znaménka) a vodíkových jader 1 krát. Darwin zjistil, že všechny α částice blíží do 2.4×10-13 cm by produkovat ‚swift atom vodíku.“Tato jednoduchá teorie však předpovídala mnohem méně urychlených atomů vodíku, než bylo pozorováno v experimentech.,

Rutherford odmítl vysvětlení této odchylky založené na různých nábojích na částicích nebo jiných zákonech než inverzní čtvercové zákony. Spíše dospěl k závěru, že pro vzdálenosti v řádu průměru elektronu “ struktura jádra helia již nemůže být považována za bod…“. Předpokládal, že jádro helia (α částice) má složitou strukturu čtyř vodíkových jader plus dvou záporně nabitých elektronů. (Řekli bychom, že se skládá ze dvou protonů.,) Rutherford došel k závěru, že deformace složitých jader během kolizí bylo více pravděpodobné vysvětlení, změna síly mezi jádry se liší v komplexní cestu na blízký přístup.

vzhledem k intenzivním silám, které se při takových srážkách objevily, by nebylo překvapující, kdyby se jádro helia rozpadlo. Žádný důkaz takového rozpadu … nebyl pozorován, což naznačuje, že jádro helia musí mít velmi stabilní strukturu.,

musíme si uvědomit, že Rutherford nemohl přímo sledovat strukturu jádra, takže jeho závěry byly předběžné. Nicméně otevřeně zvažoval možnosti komplexního jádra, schopného deformace a dokonce i možného rozpadu. Tyto myšlenky formovaly toto intenzivní období experimentálních výzkumů.