– Alfa-Partikler og Atom

Rutherford i Manchester, 1907-1919

Ernest Rutherford oppdaget kjernen i et atom i 1911. Vi leser om dette i lærebøkene og i populære skrifter. Men hva betyr dette utsagnet betyr? Geografisk discovery betyr som regel at man ser et sted for første gang. Men oppdagelsen kan være den samme for en verden skjult fra synet? En kan ikke se et atom i den forstand., Så dette hint om at kanskje historien om oppdagelsen av kjernen var mer komplisert. Historien slik den utfoldet seg i Rutherford s lab ved Universitetet i Manchester dreide seg om virkelige mennesker. Det involvert frustrasjoner og triumfer. Det involvert hardt arbeid og vanskelighetene og inspirasjon.

Når Rutherford ble professor ved Manchester i 1907, og han fant moderne laboratorier for både undervisning og forskning. På oppfordring av sin forgjenger, Arthur Schuster, over £40,000 ble hevet til å gi gave til fysikk-programmet. For sammenligning, Rutherford sjenerøse lønn var kr 1,600/år., Kreditt: Fra boken: Den fysiske laboratorier ved Universitetet i Manchester: en oversikt over 25 års arbeid ved University of Manchester, Manchester: Ved University Press, 1906. AIP Emilio Segrè Visuelle Arkiver, Sprø Bøker i Samlingen.

Rutherford kom til Manchester i løpet av sommeren 1907, måneder før universitetets sikt begynte. Han hadde fått navnet Langworthy Professor i Fysikk, etterfølgeren til Arthur Schuster (1851-1934), som pensjonerte seg i en alder av 56 å rekruttere Rutherford. Schuster hadde bygget en moderne fysikk bygning, ansatt Hans Geiger, Ph. D., (1882-1945) på grunn av hans eksperimentelle ferdigheter, og ga en ny posisjon i matematisk fysikk for å runde ut en hel fysikk programmet. Rutherford angitt sentrum av fysikkens verden. Forskerne kom til ham ved dusin.

Rutherford kom med mange problemstillinger i tankene. Han ble ikke ferdig med oppgaver av forfall familier av thorium, radium, etc. men han var passert mye av dette arbeidet til Boltwood, Hahn, og Soddy. Boltwood og Hahn begge jobbet med Rutherford i Manchester, Boltwood i 1909-1910 og Hahn i 1907-1908., Rutherford ble gradvis å slå sin oppmerksomhet mye mer til α (alpha), β (beta), og γ – (gamma) stråling seg og kva dei kan avsløre om atomet. Det vil si at han forlot radio-kjemi til andre og slå til fysikk.

Rutherford alltid samlet seg en gruppe av lyse unge forskere rundt ham. I denne gruppen bilde av 1910 er Ernest Marsden og Hans Geiger. Front og center er Professorer Schuster og Rutherford, og sentrert i den bakre er William Kay, dyktige og hjelpsomme laboratorium forvalter. Kreditt: J. B. Birks, ed.,, Rutherford på Manchester (London: Heywood & Co., 1962), motsatt side. 38.

Rutherford er tidlig team på Manchester inkludert Geiger og William Kay (1879-1961), junior laboratorie-assistent siden 1894. Rutherford fremmet Kay til laboratorium forvalter i 1908, til å administrere lab utstyr og for å hjelpe ham i hans forskning. I 1957, Kay tenkte tilbake på sin ungdom med Rutherford i et intervju. Språket er gammelmodig, men beskrivelsen er så nær Rutherford tilnærming som vi får., Spørsmålsstilleren var Samuel Devons (1914-2006), som var en av Rutherford siste elevene i 1930-årene.

Hans Geiger ble Rutherford viktigste partner i alfa-ray forskning fra 1907 til 1913. Sammen har de utviklet flere måter å oppdage alpha-stråler. De viste seg å være alfa-stråler er dobbelt-ionisert Helium-kjerner. Sertifiseringsinstans. 1908. Kreditt: AIP Emilio Segre Visuelle Arkiver, Fysikk i Dag Samling.

Rutherford og Hans Geiger jobbet tett sammen i 1907 og 1908 på deteksjon og måling av α-partikler., Hvis de var til å bruke α-partikler, for å undersøke atom, hadde de første til å vite mer om disse partiklene og deres atferd. Rutherford hadde prøvd og feilet tilbake på McGill å telle α-partikler.

Et år senere i Manchester, han og Geiger lyktes med to metoder for å observere α-partikler. Den første metoden er involvert scintillations begeistret av α-partikler på et tynt lag sink sulfide. De observerte disse gjennom et mikroskop, og regnet scintillations i forskjellige vinkler for spredning., De har også utviklet en «electrometer» som kunne demonstrere passering av en individuell α-partikkel til et stort publikum. Instrumentet, som utviklet seg til «geigerteller,» hadde delvis evakuert metall sylinder med en ledning ned på midten. De søkte en spenning mellom sylinder og wire høy nok nesten til gnist. De innrømmet α-partikler gjennom en tynn glimmer-vinduet, hvor disse partiklene kolliderte med gasser, og produserer gass-ioner. Disse så kolliderte med andre molekyler og produsert mer ioner, og så videre., Hver α-partikkel produsert en kaskade av ioner, som delvis utladet sylinderen og indikert passering av en α-partikkel. Geiger og Rutherford publisert flere artikler i 1908 og 1909 på disse metoder og deres bruk.

Rutherford skrev til Henry Bumstead (1870-1920), en Amerikansk fysiker, 11 juli 1908:

Geiger er en god mann og jobbet som en slave. Jeg kunne aldri ha funnet tid for slitet før vi fikk ting til å gå i god stil. Til slutt gikk bra, men spredning, er djevelen. Våre rør virket som en sjarm, og vi kan lett få et kast på 50 mm., for hver partikkel. … Geiger er en demon i arbeidet med å telle scintillations og kunne stole på intervaller for en hel natt uten å forstyrre hans sinnsro. Jeg fordømt energisk og trakk seg etter to minutter. (Sitert i Aften, s. 180.)

Selv om Rutherford mistenkte så tidlig som i 1906 at α-partikler som ble helium atomer fratatt sine elektroner, han krevde en høy standard av bevis. En slags eksperiment var ikke nok. Én type detektor var ikke nok. Han ville ha mer bevis., For dette, Rutherford ønsket «stor spenning» og store electromagnets for å viderekoble α-partikler, men denne metoden var ennå ikke moden. Lab forvalter William Kay tilbakekalt i de siterte oral history intervju at Rutherford i 1908 insisterte på at sterke elektriske og magnetiske felt var nødvendig for å måle mer direkte kostnader og masse av α-og β-partikler:

Kay sa Rutherford ønsket en stor, vannkjølte magnet, men at han «falt det ut som en hot cake» når han lærte sine kostnader. Så han trengte en ny linje av angrep. Den nye linjen var svært enkel, en kjemisk prosedyre blandet med fysikk., For dette arbeidet Rutherford rekruttert Thomas Royds (1884-1955), som hadde tjent sin Fysikk Laud grad i 1906. De samlet α-partikler i et lukket glassrør, komprimert dem, og gått en elektrisk gnist gjennom. De studerte lyset i en spektroskopet og funnet det å være identiske med det spekteret av helium. Innen et par måneder, Rutherford ble tildelt nobelprisen i Kjemi, «for hans undersøkelser i oppløsningen av elementer, og kjemien av radioaktive stoffer.,»(Nobels sitat) Rutherford og Royds hadde etablert identitet og primære egenskaper av α-partikler. Rutherford neste vendte sin oppmerksomhet til å bruke dem til å undersøke atom.

høsten 1908 begynte en viktig rekke undersøkelser. Geiger hadde vært forbi bjelker av α-partikler via gull og andre metalliske foils, ved hjelp av den nye oppdagelsen teknikker for å måle hvor mye disse bjelker var spres av atomene i foils. Geiger trodde Ernest Marsden (1889-1970), en 19 år gammel student i Laud Fysikk, var klar til å hjelpe på disse eksperimentene og antydet at det å Rutherford., Siden Rutherford ofte presset tredje års studenter i forskning, sa dette var den beste måten å lære om fysikk, han lett avtalt.

Denne skisse, fra Geiger og Marsden er 1909 artikkelen, viser en konisk glass rør full av «radium utstråling» (radon), stengt av på B med en tynn ruten av glimmer. Dette var deres kilde til alfa (α) partikler. S var en sink-sulfide skjermen, som scintillated når truffet av en α-partikkel. P var en føre-skjermen, som blokkerte alle α-partikler fra å reise direkte til sink-sulfide skjermen., RR var en folie (eller foils) av ulike metaller (inkludert gull) som «diffust reflektert» hendelsen α-partikler. Geiger og Marsden observert den resulterende scintillations gjennom en observere mikroskop, M. Kreditt: H. Geiger og E. Marsden, «På en Diffus Refleksjon av α-Partikler,» Proceedings of the Royal Society,1909, 82:495-500.

Geiger og Marsden begynte med liten vinkel spredning og prøvd ulike tykkelser av foils, søker matematiske relasjoner mellom utbredelsen og tykkelsen av folie eller antall atomer krysset., Marsden fortalte senere at Rutherford sa til ham midt i disse eksperimentene: «Se om du kan få noen effekt av alfa-partikler direkte reflekteres fra en overflate av metall.»(Rapportert av Marsden i Birks, 1962, s. 8). Marsden tvilte på at Rutherford ventet tilbake scatter av α-partikler, men som Marsden skrev

…det var en av de ‘innskytelser’ at kanskje noen effekten kan observeres, og at det i alle fall at eus territorium av denne Tom Tiddler er bakken kan utforskes med rekognosering., Rutherford var alltid klar til å møte det uventede og utnytte det, hvor gunstig, men han visste også når du skal stoppe på slike utflukter. (Birks, 1962, s. 8)

Dette var Rutherford er lekende tilnærming i aksjon. Hans studenter og andre prøvd ut sine ideer, og mange av dem var døde-ender. Dette idé å se etter backscattering av α-partikler, men betalt av., Rutherford skrev:

Eksperiment, regissert av den disiplinerte fantasi enten av en person eller, enda bedre, av en gruppe av personer med variert mental outlook, er i stand til å oppnå resultater som langt overgår fantasien alene av de største filosof. (Sitert i Eva, 1939, Frontmatter)

en Gang senere i 1908 eller 1909, Marsden sa, fortalte han sine resultater til Rutherford. Rutherford fortalte om denne litt annerledes:

jeg husker …senere Geiger kommer til meg i stor spenning og sa: ‘Vi har vært i stand til å få noen av α-partikler som kommer baklengs…,»Det var litt av de mest utrolige hendelsen som har hendt meg i hele mitt liv. Det var nesten utrolig som om du skjøt en 15-tomme skall på et stykke tørkepapir og den kom tilbake og traff deg. (Rutherford, 1938, s. 68)

Menneskelige hukommelse er ufeilbarlige. Om Marsden eller Geiger fortalte Rutherford, effekten var den samme. Rutherford sa de skulle forberede en publikasjon fra denne forskningen, som de sendte i Mai 1909. Videre, denne gang Rutherford tenkning mot det som til slutt, nesten to år senere, publiserte han som en teori av atom.,

Hva var Rutherford gjorde for resten av 1909 og alle 1910? For én ting, at hans nære venn Boltwood var i Manchester for det akademiske året som arbeider med Rutherford på radioaktiv nedbrytning produkter av radium. Han var også gå gjennom og sett på tidligere ideer om atom-strukturen. Viktigst av alt, han var å ta fenomenet spredning av α-partikler fra hverandre systematisk og testing av hver brikke. Rutherford hadde ikke hans fet idé — den kjernefysiske atom — kjapt, men han kom til det gradvis ved å betrakte problemet fra mange sider.,

I løpet av høsten 1910 han brakte Marsden tilbake til Manchester for å fullføre strenge eksperimentell testing av sine ideer med Geiger. De re-etableres priser på utslipp og områder av α-partikler av radioaktive kilder og de re-undersøkt sine statistiske analyser. Rutherford prøvde å forene spredning resultater med forskjellige atom-modeller, spesielt at av J. J. Thomson, der den positive elektrisitet ble ansett som spredt jevnt utover hele sfæren av atom.

En side av Rutherford er tidlig, udatert (1910 eller 1911), grovt notater., De første linjene lese: «Teori om struktur av atom. Anta at atomet består av + kostnad ne i sentrum & av – avgift som electron, fordelt over hele kule med radius r.» Han så roughed ut ideer om beregning av kraft utslag på en ladet partikkel som passerer nær denne belastet center. Kreditt: J. B. Birks, ed., Rutherford på Manchester (London: Heywood & Co., 1962), s. 70.

På et tidspunkt i løpet av vinteren 1910-1911, Rutherford jobbet ut den grunnleggende ideen om et atom med en «ladet center.,»Som Geiger og Marsden påpekte i sin 1909 artikkelen:

Dersom den høye hastighet og masse av α-partikkel tas i betraktning, kan det synes overraskende at noen av α-partikler, som eksperimentet viser, kan være slått på et lag 6 x 10-5 cm. gull gjennom en vinkel på 90°, og enda mer. For å produsere en lignende effekt av et magnetisk felt, det enorme feltet av 109 absolutte enheter ville være nødvendig. (Birks, s., 179)

Rutherford konkluderte i sin Mai 1911 papir at en slik bemerkelsesverdig avvik i veien for en massiv ladet partikkel kan bare oppnås hvis mesteparten av massen av, si, en atom-av gull, og de fleste av ladningen var konsentrert i en svært liten sentrale organ. Merk: på dette punktet i 1911, Rutherford gjorde ikke kalle dette en «kjerne.»

faktisk, Rutherford var meget forsiktige med å trekke konklusjoner om dette sentrale kostnad: «En enkel beregning viser at atom må være et sete på en intens elektrisk felt for å produsere en så stor deflexion på et enkelt møte.»(Birks, s. 183). Han jobbet raskt og omtrent som flere kvantitative relasjoner bør være sann hvis denne grunnleggende teori var riktig., For det første er antallet av α-partikler spredt gjennom en gitt vinkel bør være proporsjonal til tykkelsen av folien. For det andre, at antallet bør være proporsjonal med kvadratet av kjernefysisk ladning. Til slutt, bør det være omvendt proporsjonal med den fjerde kraft av hastigheten av α-partikkel. Disse tre ideer som er lagt ut den eksperimentelle programmet av Geiger og Marsden for neste år.

Rutherford underholde muligheten for at de siktede center, er negativ. Det høres merkelig i dag, så hva var det som gjorde det rimelig? For det første, det var ikke veldig forskjellig fra Thomson ‘ s modell. For det andre, siden Rutherford visste at α-partikler som bærer en dobbel + kostnad, han trodde dette kunne opptre på samme måte som Solen gjør på en komet feiing i nærheten av det. Det ville sprettert de α-partikkel rundt og tilbake til sin kilde. Han er også ansett som en nesten glemt modell foreslått av Japansk fysiker Hantaro Nagaoka (1865-1950) — Saturn-modell., Nagaoka og Rutherford var i kontakt med i 1910 og 1911 og Rutherford nevnt Nagaoka modell av «en sentral tiltrekke masse surround ved ringene på roterende elektroner» (Birks, s. 203). Sluttresultatet i denne kritiske Rutherford papir, men ble Rutherford kunngjøring om at atomet var en disk eller en kule, og faktisk om den sentrale lade var positive eller negative, vil ikke påvirke beregningene. Rutherford var alltid nøye med å ikke kreve mer enn hans resultater kan støtte.,

I Rutherford er nå berømte papir Mai 1911 på spredning av alfa-partikler av gull folie, han har tatt dette skisse av hyperbolske banen til en partikkel. Kreditt: E. Rutherford, «Spredning av α-og β-Partikler av Saken og Struktur av Saken,» Filosofisk Tidsskrift, 1911, 21:669-688.

Rutherford gjorde se mulige tester av arten av den sentrale kostnad. Absorpsjon av β-partikler, sa han, skulle det være annerledes med en negativ center, kontra en som er positiv., En positiv center ville forklare den store hastigheten som α-partikler oppnå i løpet av stråling fra radioaktive elementer. Men disse var bare tips.

Denne skjematisk representerer raffinert eksperimenter av 1912-13 foretatt av Geiger og Marsden. R var kilden til alfa-partikler, E var gull folie, og M var mikroskop roterbar rundt en vertikal akse, sentrert på gull folie. Alfa-partikler fra kilden gått gjennom membranen D, ble spredt av folien, og ble observert som scintillations på skjermen S., Geiger og Marsden observert vinkler av spredt partikler ved å rotere mikroskop-tv med montering. Kreditt: H. Geiger og E. Marsden, «Lovgivningen i Deflexion av α-Partikler gjennom Store Vinkler,» Filosofisk Tidsskrift, 1913, 25:604-623.

Geiger og Marsden gjorde faktisk arbeider systematisk gjennom testbare implikasjoner av Rutherford sentrale lade hypotese. Den første store utgivelsen av deres resultater var i tysk i Saksbehandlingen av Wien Academy of Sciences (Sitzungberichte der Wiener Akademie der academy of sciences) i 1912., Denne 30-side versjon ble etterfulgt av en presentasjon på engelsk i 1913 i Philosophical Magazine: «Lovgivningen i Deflexion av α-Partikler gjennom Store Vinkler» den engelske versjonen er Den bedre kjent. Små forskjeller mellom de to førte til at en historiker til å foreslå at Rutherford avgjort i favør av en positivt ladet midten av August 1912 (Trenn, 1974). Rutherford er andre team-medlemmer, spesielt Charles Galton Darwin (1887-1962), H. G. J. Moseley (1887-1915), og Niels Bohr (1885-1962) stått sentralt i den endelige etableringen av Rutherford kjernefysiske atom.,

Den unge Henry G. J. Moseley, i Balliol-Trinity Laboratorium, Oxford, ca. 1910. Senere det året, Moseley begynte forskningen i Rutherford Manchester lab. Hans strålende karriere ble kuttet kort i kamp i World War I. Kreditt: University of Oxford, Museum of the History of Science, courtesy AIP Emilio Segrè Visuelle Arkiver, Fysikk i Dag Samling.

«Great War» helt forstyrret arbeidet i Rutherford Manchester avdeling. Bohr kom tilbake til Danmark. Marsden akseptert et professorat i New Zealand. Moseley døde i Slaget ved Gallipoli., James Chadwick (1891-1974), som jobbet med Geiger ved det Tekniske Universitetet i Berlin da krigen brøt ut, tilbrakte flere år internert i Ruhleben leir for krigsfanger. Andre studenter gikk til krig, også, og Rutherford brukt mye energi for å mobilisere vitenskap for krigsinnsatsen og spesielt til anti-ubåt teknikker.

Niels Bohr første jobbet med Rutherford på
Manchester i 1912. Dette bildet viser den unge Niels og Margrethe Bohr, ca., 1914, da Bohr lyktes Charles Galton Darwin som Schuster Leser i Matematisk Fysikk ved Manchester. Kreditt: AIP Emilio Segre Visuelle Arkiver, Margrethe Bohr Samling.

Mot dette distrahert bakgrunn, Rutherford og hans lab forvalter, William Kay, begynte i 1917 for å utforske passering av α-partikler gjennom hydrogen, nitrogen og andre gasser. Når den Store Krigen endte, Ernest Marsden kort hjalp til med det kjedelige scintillasjon observasjoner som er gitt ledetråder til arten av kjernen. Rutherford rapportert foreløpige resultatene av disse omfattende eksperimenter i 1919., Rutherford plassert en kilde av radium C (vismut-214) i en forseglbar messing container, montert slik at posisjonen til kilden kan være endret, og slik at ulike gasser kan bli innført eller et vakuum produsert, som ønsket. De α-partikler krysset det indre av beholderen, og gikk gjennom en spalte, som er dekket av sølv plate eller annet materiale, og traff en sink sulfide skjermen, der en scintillasjon ble observert i et mørkt rom. Når hydrogen gass ble innført i beholderen og omsorg ble tatt for å absorbere α-partikler før de treffer skjermen, scintillations fortsatt var observert., Rutherford hevdet at som α-partikler krysset hydrogengass, de av og til kolliderte med hydrogen kjerner. Som Rutherford skrev, dette produseres «swift hydrogen atomer» som for det meste var anslått frem i retning av α-partikler’ opprinnelige bevegelse.

Rutherford hadde flere subtile spørsmål i tankene under disse eksperimentene, for det meste opptatt med arten av kjernen., Han ba sin kollega Darwin til å analysere disse kollisjoner basert på en «enkel teori’ av elastiske kollisjoner mellom punkt kjerner frastøtt i henhold til en inverse square lov, α-partikler som bærer en kostnad på 2 ganger at et elektron (og motsatt fortegn) og hydrogen kjerner 1 ganger. Darwin fant at alle α-partikler nærmer seg innenfor 2.4×10-13 cm ville føre til en » rask hydrogenatom.»Dette enkelt teori, men spådd langt færre akselerert hydrogen atomer enn det som var observert i forsøkene.,

Rutherford avvist forklaringer på dette varians basert på ulike belastninger på partikler eller andre lover enn inverse square lover. Snarere, han konkluderte med at for avstander på rekkefølgen av diameteren på electron, ‘strukturen av helium i kjernen kan ikke lenger betraktes som et punkt…’. Han hevdet at helium i kjernen (α-partikkel) har en kompleks struktur av fire hydrogen-kjerner pluss to negativt ladede elektroner. (Vi vil si det er sammensatt av to protoner.,) Rutherford konkluderte med at deformasjon av komplekse kjerner under kollisjoner var en mer sannsynlig forklaring, er variasjonen av krefter mellom kjernene varierer i en kompleks måte på nær tilnærming.

Tar hensyn til den intense styrker brakt inn i bildet i slike kollisjoner, ville det ikke være overraskende hvis helium i kjernen var å bryte opp. Ingen bevis for en slik oppløsning…har blitt observert, noe som indikerer at helium i kjernen må være en veldig stabil struktur.,

– Vi må huske at Rutherford kan ikke direkte observere strukturen av kjernen, slik at hans konklusjoner var foreløpig. Likevel, han var åpenlyst vurderer mulighetene for en kompleks kjernen, er i stand til deformasjon og selv om det er mulig oppløsning. Disse tankene formet denne intense perioden av eksperimentelle undersøkelser.