Il modello atomico di Rutherford

 

L’esperimento di Rutherford (moderno).

Per spiegare il fatto che la maggior parte delle particelle passava indisturbata, Rutherford fu dunque costretto a supporre che la maggior parte dell’atomo fosse sostanzialmente vuota. Inoltre, per spiegare i grandi angoli di deviazione soltanto con l’intervento della forza di Coulomb, ipotizzò l’atomo come costituito da un nucleo centrale carico positivamente e da uno o più elettroni che gli ruotano intorno.

Partiamo dunque dall’ipotesi che nella lamina ci siano punti in cui si concentrano massa e carica, cioè nuclei carichi positivamente. Una particella alfa che urti frontalmente un nucleo, rimbalza indietro come una palla quando colpisce una pietra. Consideriamo la figura qui sotto:


le particelle alfa arrivano da sinistra (traiettoria in verde) e sono dirette verso il centro del nucleo, che la respinge. La particella, ad una certa distanza dal nucleo (in rosso, positivo) si ferma e inverte la direzione del moto. Un’altra particella si avvicina al nucleo e viene respinta lungo una traiettoria con un certo angolo di deviazione dalla sua traiettoria iniziale.

Rutherford cercò una relazione tra la traiettoria della particella e le quantità fisiche che caratterizzano il problema: velocità della particella, spessore del foglio e quantità di carica del nucleo. Secondo il suo modello, la maggior parte delle particelle alfa dovrebbe essere deviata di piccoli angoli, perché esse hanno una probabilità molto ridotta di colpire frontalmente un oggetto piccolo come il nucleo; tuttavia, un numero non trascurabile di particelle dovrebbe essere deviata di grandi angoli.

Geiger e Marsden controllarono la validità di queste previsioni usando un’apparecchiatura particolare. Una scatola di piombo contenente una sostanza radioattiva (rad0) emetteva particelle alfa; queste uscivano dal forellino (si veda l’immagine iniziale  anche se essa non rappresenta l’esperimento originale) e venivano deflesse di un angolo variabile nel passaggio attraverso il sottile foglio metallico (in figura è il “gold foil”). Inoltre, le particelle colpivano uno schermo di solfuro di zinco (il detector in figura), producendo ciascuna una scintillazione (un lampo fluorescente di brevissima durata). Il numero di particelle deflesse di un dato angolo veniva determinato dal numero di scintillazioni osservate attraverso un microscopio che si poteva muovere lungo un arco di circonferenza. Il metodo di conteggio fu perfezionato in esperimenti successivi, sostituendo lo schermo e il microscopio con un contatore inventato da Geiger, e divenuto, nella sua versione più recente, uno strumento di uso comune in laboratorio.

Geiger e Mansden trovarono che il numero di particelle rivelate dipendeva dall’angolo di deviazione, dalla velocità delle particelle e dallo spessore del foglio da colpire, proprio come aveva previsto Rutherford. Veniva così confermato che la maggior parte della massa e tutta la carica positiva sono concentrate in una regione molto piccola dell’atomo stesso.

Anche se i risultati sperimentali concordavano con le previsioni di Rutherford, era a quel tempo impossibile verificare completamente le sue ipotesi perchè non si conosceva, in modo indipendente, la carica Q del nucleo. Spesso avviene che, disponendo di una teoria solo parzialmente confermata, convenga considerarla completamente valida, finchè non si sono disponibili sufficienti dati sperimentali. Nel caso che stiamo trattando, si suppose che il valore di Q, in accordo con quella interpretazione dei dati sperimentali, corrispondesse effettivamente al valore della carica nucleare. Si ottenne così, con esperimenti di diffusione in cui si usavano bersagli di materiale diverso: Q=6 e (e=elettroni) per il carbonio; Q=13 o 14 e per l’alluminio, Q=78 o 79 e per l’oro. In modo analogo furono trovati valori provvisori per altri elementi.
La grandezza della carica positiva del nucleo fornì una prima informazione sull’atomo. Infatti, se il nucleo ha una carica positiva di 6 e, 13 e o 14 e, allora il numero di elettroni che circondano il nucleo deve essere 6 per il carbonio, 13 o 14 per l’alluminio e così via, dato che l’atomo nel suo complesso è elettricamente neutro. Questa fu la prima valutazione attendibile del numero di elettroni presenti in un atomo. Da questi dati emerse una proprietà molto importante: il valore trovato per la carica nucleare (espresso come multiplo di e) era molto vicino al nucleo atomico Z dell’elemento, cioè al numero d’ordine dell’elemento nel sistema periodico. Dunque, i risultati sperimentali della diffusione di particelle alfa indicarono che ogni nucleo ha una carica positiva Q numericamente uguale a Ze, anche se restava un certo margine di incertezza dovuto alla insufficiente precisione dei risultati sperimentali.

Ringraziamenti

Ringrazio Rossella Spiga, Responsabile della sezione Scienze di “Net1News”,  per aver pubblicizzato questo post pubblicando un articolo su: http://www.net1news.org/rutherford-e-gli-esperimenti-sullatomo-come-sparare-su-un-foglio-di-carta-e-vedere-il-proiettile-tor . Net1News è la prima net news italiana. Home Page: http://www.net1news.org/ .

Sabrina

Informazioni su Sabrina Masiero

Ricercatore Astronomo (Tecnologo III livello) presso INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo-Gal Hassin, Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche di Isnello, Palermo. In precedenza: Borsista presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie.
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