EKSPERIMEN RUTHERFORD: SEJARAH, PERIHALAN DAN KESIMPULAN - SAINS - 2026

The eksperimen Rutherford , yang dijalankan antara 1908 dan 1913 terdiri mengebom sebuah filem emas nipis 0,0004 mm tebal, dengan zarah alfa dan menganalisis corak penyebaran zarah berkata kiri pada skrin pendarfluor.

Sebenarnya, Rutherford melakukan banyak eksperimen, menyempurnakan perinciannya semakin banyak. Setelah menganalisis hasilnya dengan teliti, dua kesimpulan yang sangat penting muncul:

-Cas positif atom tertumpu di kawasan yang disebut nukleus.

-Nukleus atom ini sangat kecil jika dibandingkan dengan ukuran atom.

Rajah 1. Eksperimen Rutherford. Sumber: Wikimedia Commons. Kurzon

Ernest Rutherford (1871-1937) adalah seorang ahli fizik kelahiran New Zealand yang bidang minatnya adalah radioaktiviti dan sifat jirim. Radioaktiviti adalah fenomena baru ketika Rutherford memulakan eksperimennya, ia telah ditemui oleh Henri Becquerel pada tahun 1896.

Pada tahun 1907 Rutherford pindah ke University of Manchester di England untuk mempelajari struktur atom, menggunakan zarah-zarah alfa ini sebagai probe untuk mengintip struktur kecil seperti itu. Ahli fizik Hans Geiger dan Ernest Marsden menemaninya semasa menjalankan tugas.

Mereka berharap dapat melihat bagaimana zarah alfa, yang merupakan atom helium berlipat ganda, akan berinteraksi dengan atom emas tunggal, untuk memastikan bahawa penyimpangan yang dialaminya disebabkan oleh daya elektrik semata-mata.

Walau bagaimanapun, sebahagian besar zarah alfa melewati kerajang emas dengan sedikit penyimpangan.

Fakta ini sangat sesuai dengan model atom Thomson, namun, mengejutkan para penyelidik, sebilangan kecil zarah alfa mengalami penyimpangan yang agak luar biasa.

Dan peratusan zarah yang lebih kecil akan kembali, memantul kembali sepenuhnya. Apa hasil yang tidak dijangka ini?

Penerangan dan kesimpulan eksperimen

Sebenarnya, zarah alfa yang digunakan Rutherford sebagai probe adalah inti helium, dan pada masa itu baru diketahui bahawa zarah-zarah ini bermuatan positif. Hari ini diketahui bahawa zarah alfa terdiri daripada dua proton dan dua neutron.

Zarah alfa dan zarah beta telah dikenalpasti oleh Rutherford sebagai dua jenis radiasi dari uranium. Zarah alfa, jauh lebih besar daripada elektron, mempunyai muatan elektrik positif, sementara zarah beta boleh menjadi elektron atau positron.

Rajah 2. Skema terperinci eksperimen Rutherford, Geiger dan Marsden. Sumber: R. Knight. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.

Skema eksperimen yang dipermudahkan ditunjukkan dalam Rajah 2. Rasuk zarah alfa berasal dari sumber radioaktif. Geiger dan Marsden menggunakan gas radon sebagai pemancar.

Blok plumbum digunakan untuk mengarahkan radiasi ke arah kerajang emas dan mencegahnya langsung ke layar pendarfluor. Plumbum adalah bahan yang menyerap sinaran.

Seterusnya, balok yang diarahkan, dibuat untuk menabrak kerajang emas tipis dan sebahagian besar zarah terus menuju ke layar zink sulfat pendarfluor, di mana mereka meninggalkan jejak cahaya kecil. Geiger bertugas menghitungnya satu persatu, walaupun mereka kemudian merancang peranti yang melakukannya.

Fakta bahawa beberapa zarah mengalami pesongan kecil tidak mengejutkan Rutherford, Geiger, dan Marsden. Bagaimanapun, terdapat cas positif dan negatif pada atom yang memaksa zarah-zarah alfa, tetapi kerana atom itu neutral, yang sudah mereka ketahui, penyimpangannya mestilah kecil.

Kejutan percubaan adalah bahawa beberapa zarah positif terpental hampir langsung ke belakang.

Kesimpulannya

Kira-kira 1 dari 8000 zarah alfa mengalami pesongan pada sudut lebih besar daripada 90º. Sedikit, tetapi cukup untuk mempersoalkan beberapa perkara.

Model atom yang digunakan adalah puding kismis oleh Thomson, mantan profesor Rutherford di Makmal Cavendish, tetapi Rutherford tertanya-tanya apakah idea atom tanpa inti dan dengan elektron yang tertanam sebagai kismis, betul.

Kerana ternyata pesongan zarah alfa yang besar ini, dan fakta bahawa sebilangan kecil dapat kembali, hanya dapat dijelaskan jika atom mempunyai nukleus positif yang kecil dan berat. Rutherford menganggap bahawa hanya daya tarikan dan tolakan elektrik, seperti yang ditunjukkan oleh undang-undang Coulomb, yang bertanggung jawab atas penyimpangan.

Apabila sebilangan zarah alfa mendekati secara langsung ke nukleus ini dan kerana daya elektrik berbeza dengan petak jarak yang terbalik, mereka merasakan tolakan yang menyebabkannya berselerak sudut lebar atau pesongan ke belakang.

Yang pasti, Geiger dan Marsden bereksperimen dengan mengebom lembaran logam yang berlainan, bukan hanya emas, walaupun logam ini adalah yang paling sesuai untuk kelenturannya, untuk membuat kepingan yang sangat tipis.

Dengan memperoleh hasil yang serupa, Rutherford yakin bahawa muatan positif pada atom harus berada di dalam nukleus, dan tidak tersebar di seluruh isinya, seperti yang dinyatakan oleh Thomson dalam modelnya.

Sebaliknya, kerana sebilangan besar zarah alfa berlalu tanpa penyimpangan, inti harus sangat kecil dibandingkan dengan ukuran atom. Walau bagaimanapun, inti ini harus memusatkan sebahagian besar jisim atom.

Pengaruh pada model atom

Hasilnya sangat mengejutkan Rutherford, yang menyatakan dalam sebuah persidangan di Cambridge: "… seperti ketika anda menembak bola meriam 15 inci pada sehelai kertas tisu dan proyektil itu melambung langsung ke arah anda dan memukul anda".

Oleh kerana hasil ini tidak dapat dijelaskan oleh model atom Thomson, Rutherford mengusulkan bahawa atom itu terdiri dari inti, sangat kecil, sangat besar dan bermuatan positif. Elektron tetap berada di orbit di sekelilingnya, seperti sistem suria miniatur.

Gambar 3. Model atom Rutherford di sebelah kiri dan model puding kismis Thomson di sebelah kanan. Sumber: Wikimedia Commons. Gambar kiri: Jcymc90

Inilah sebenarnya model atom nuklear yang ditunjukkan dalam Rajah 3 di sebelah kiri. Oleh kerana elektron juga sangat kecil, ternyata atom hampir semuanya…. kosong! Oleh itu, sebahagian besar zarah alfa melewati lembaran hampir tidak terpesong.

Dan analogi dengan sistem suria miniatur sangat tepat. Nukleus atom memainkan peranan sebagai Matahari, mengandungi hampir semua jisim ditambah dengan muatan positif. Elektron mengorbit di sekelilingnya seperti planet dan membawa muatan negatif. Pemasangan tidak elektrik.

Mengenai pengedaran elektron dalam atom, eksperimen Rutherford tidak menunjukkan apa-apa. Anda mungkin berfikir bahawa zarah alfa akan mempunyai interaksi dengannya, tetapi jisim elektron terlalu kecil dan mereka tidak dapat memesongkan zarah dengan ketara.

Kelemahan model Rutherford

Satu masalah dengan model atom ini adalah tepatnya tingkah laku elektron.

Sekiranya ini tidak statik, tetapi mengorbit nukleus atom dalam orbit bulat atau elips, didorong oleh daya tarikan elektrik, mereka akhirnya akan bergegas menuju nukleus.

Ini kerana elektron yang dipercepat kehilangan tenaga, dan jika itu berlaku, ia akan menjadi keruntuhan atom dan jirim.

Nasib baik ini bukan yang berlaku. Terdapat sejenis kestabilan dinamik yang mencegah keruntuhan. Model atom seterusnya, setelah Rutherford, adalah Bohr, yang memberikan beberapa jawapan mengapa keruntuhan atom tidak berlaku.

Proton dan neutron

Rutherford terus melakukan eksperimen hamburan. Antara tahun 1917 dan 1918, dia dan pembantunya William Kay memilih untuk mengebom atom nitrogen gas dengan zarah alfa yang sangat bertenaga dari bismut-214.

Dia terkejut lagi, ketika dia mengesan inti hidrogen. Ini adalah persamaan tindak balas, transmutasi nuklear buatan pertama yang pernah dicapai:

Jawapannya: dari nitrogen yang sama. Rutherford telah menetapkan hidrogen nombor atom 1, kerana ini adalah unsur paling mudah dari semua: inti positif dan elektron negatif.

Rutherford telah menemui zarah asas yang dinamakannya sebagai proton, nama yang berasal dari kata Yunani untuk pertama. Dengan cara ini, proton adalah unsur penting bagi setiap inti atom.

Kemudian, sekitar tahun 1920, Rutherford mencadangkan bahawa mesti ada zarah neutral dengan jisim yang sangat mirip dengan proton. Dia menyebut zarah ini sebagai neutron dan merupakan sebahagian daripada hampir semua atom yang diketahui. Ahli fizik James Chadwick akhirnya mengenalinya pada tahun 1932.

Seperti apa model skala atom hidrogen?

Atom hidrogen adalah, seperti yang telah kita katakan, paling mudah dari semua. Namun, tidak mudah untuk mengembangkan model untuk atom ini.

Penemuan berturut-turut menimbulkan Quantum Physics dan keseluruhan teori yang menerangkan fenomena pada skala atom. Semasa proses ini, model atom juga berkembang. Tetapi mari kita lihat persoalan ukuran:

Atom hidrogen mempunyai nukleus yang terdiri daripada satu proton (positif) dan mempunyai satu elektron (negatif).

Jejari atom hidrogen diperkirakan 2,1 x ^10-10 m, sedangkan proton 0,85 x 10 ^-15 m atau 0,85 femtometer. Nama unit kecil ini disebabkan oleh Enrico Fermi dan banyak digunakan ketika bekerja pada skala ini.

Nah, hasil bagi antara jari-jari atom dan nukleus berada pada urutan 10 ⁵ m, iaitu, atom 100.000 kali lebih besar daripada nukleus!

Walau bagaimanapun, harus diingat bahawa dalam model kontemporari, berdasarkan Mekanika Kuantum, elektron menyelimuti inti dalam sejenis awan yang disebut orbital (orbital bukan orbit) dan elektron, pada skala atom, tidak menepati masa.

Sekiranya atom hidrogen diperbesar - secara imajinatif - ke ukuran lapangan bola, maka inti yang terdiri dari proton positif akan menjadi ukuran semut di tengah medan, sedangkan elektron negatif akan seperti sejenis hantu, tersebar di seluruh ladang dan di sekitar teras positif.

Model atom hari ini

Model atom "jenis planet" ini sangat tertanam dan merupakan gambaran yang dimiliki oleh kebanyakan orang mengenai atom, kerana sangat mudah untuk dilihat. Walau bagaimanapun, ia bukan model yang diterima hari ini dalam bidang saintifik.

Model atom kontemporari didasarkan pada Kuantum Mekanik. Dia menunjukkan bahawa elektron dalam atom bukanlah titik bermuatan negatif yang mengikuti orbit tepat, seperti yang dibayangkan oleh Rutherford.

Sebaliknya, elektron tersebar di kawasan di sekitar nukleus positif, yang disebut orbit atom. Dari dia kita dapat mengetahui kebarangkalian berada dalam satu keadaan atau keadaan yang lain.

Walaupun demikian, model Rutherford mewakili kemajuan yang sangat besar dalam pengetahuan tentang struktur dalaman atom. Dan ini membuka jalan bagi lebih banyak penyelidik untuk terus memperbaikinya.

Rujukan

1. Andriessen, M. 2001. Kursus HSC. Fizik 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. Fizik Universiti. Akhbar Akademik.
3. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. OpenLab Fizik. Eksperimen Rutherford-Geiger-Marsden. Dipulihkan dari: physicsopenlab.org.
5. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pearson.
6. Tyson, T. 2013. Eksperimen Penyebaran Rutherford. Diperolehi dari: 122.physics.ucdavis.edu.
7. Xaktly. Eksperimen Rutherford. Dipulihkan dari: xaktly.com.
8. Wikipedia. Eksperimen Rutherford. Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.