Ernest Rutherford and The Discovery of Atomic Nucleus

ERNEST RADERFORD I OTKRICEATOMSKOG JEZGRA

Branko Dragovichttp://www.ipb.ac.rs/˜ dragovich

[email protected]

Institut za fizikuBeograd

Seminar za nastavnike fizike:Savremene metode nastave fizike

19 - 21. 08. 2011Nis

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 1/15

“Rodjenje” atomskog jezgra 1911. g.

E. Rutherford (1871-1937)

1 7. marta 1911. godine na sednici Mancesterskogknjizevnog i filozofskog drustva Ernest Rutherford jeodrzao predavanje o rasejanju α− i β−zraka na folijamazlata i strukturi atoma.

2 Rad je publikovan u aprilu u Proceedings of theManchester Literary and Philosophical Society, a siraverzija je stampana u majskom broju PhilosophicalMagazine 21 (6), 669–688 (1911).

3 Ovi dogadjaji su objavili covecanstvu “rodjenje” atomskogjezgra i pocetak nuklearne ere.

4 Za ovakvo otkrice bio je potreban pravi covek, u pravovreme i na pravom mestu. Bio je to Ernest Rutherford.

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 2/15

Model atoma pre otkrica jezgra

1 Tokom 19. veka iskristalisao se pojam atoma u vidustrukturne jedinice hemijskog elementa.

2 1895. W.C. Rontgen otkrio X-zrake, a 1896. A.H.Becquerel otkrio prirodnu radioaktivnost.

3 1897. g. J.J. Thompson je otkrio elektron.4 1904. g. Thomson uvodi “pudinski” model atoma: atom je

u obliku pudinga sfernog oblika ravnomerno pozitivnonaelektrisanog unutar kojeg su ravnomerno rasporedjenielektroni, tako da je atom kao celina neutralan.

5 1909. g. eksperimenti Geigera i Marsdena (podrukovodstvom Rutherforda) sa rasejanjem α-cestica nafolijama zlata ne potvrdjuje “pudinski” model.

J.J. Thompson (1856-1940) Plum pudding model

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 3/15

Ernest Rutherford (1871-1937): 100 g. od otkricaatomskog jezgra i 140 g. od rodjenja.

Periodi zivota prema mestu boravka

1 1871-1895: New Zealand.2 1895-1898: Cavendish Laboratory, University of

Cambridge, England.3 1898-1907: McGill University, Montreal, Canada.4 1907-1919: University of Manchester, England.5 1919-1937: Direktor Cavendish Laboratory, University of

Cambridge, England.

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 4/15

1. PERIOD. 1871-1895: New Zealand.

Deda i otac doselili se iz Skotske na Novi Zeland u potraziza boljim zivotom.30 avgusta 1871. god. rodio se Ernest Rutherford (blizugrada Nelson) kao 4. od 12-ero dece. Samo je Ernestasudbina bogato obdarila.Skolu i studije je zavrsio odlicno i kao najbolji.U toku skolovanja pokazivao je izrazit interes zamatematiku i fiziku, ali i za druge predmete. Vec kaostudent istakao se istrazivanjem detekcijeelektromagnetnih talasa.Posle studija predaje u srednjoj skoli.1895. dobija prestiznu stipendiju i odlazi u Kevendislaboratoriju, Univerzitet u Kembridzu, Engleska.

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 5/15

2. PERIOD. 1895-1898: Cavendish Laboratory,University of Cambridge, England.

Radi u grupi Tomsona. Nastavlja da radi na detekcijielektromagnetnih talasa i napravio 1896. g. detektor kojiregistruje ELM-talase na rastojanju 3 km, sto je tada biosvetski rekord.U periodu 1895-1897. dogodila su se 3 krupna otkrica:Rentgenski zraci (1895), Bekerelovi zraci (1896),Tomsonovo otkrice elektrona (1897).Raderford napusta istrazivanja detekcije elektromagnetnihtalasa i posvecuje se istrazivanju Bekerelovih zraka.Stavlja Bekerelove zrake pod elektricno i magnetno polje izakljucuje da postoje tri komponente koje naziva alfacestice, beta cestice i potom jos gama zraci. Time sezavrsava njegov prvi period boravka u Kevendislaboratoriji.

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 6/15

3. PERIOD. 1898-1907: McGill University, Montreal,Canada.

Raderford nastavlja rad na izucavanju radioaktivnosti.Uvodi pojam polu-zivota radioaktivnih elemenata.Pokazuje (u saradnji s hemicarem Frederiko Sodi) da jeprirodna radiaktivnost spontana transmutacija nekihhemijskih elemenata.Radi na utvrdjivanju hemijskog sastava α-cestica idemonstrira da su to atomi helijuma bez 2 elektrona.1900. g. odlazi na odmor u Novi Zeland i vraca seozenjen. 1903. g. je izabran za clana Londonskogkraljevskog drustva (engleska akademija nauka).

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 7/15

4. 1907-1919: University of Manchester, England.

Nastavlja rad sa α-cesticama, narocito rasejanje α-cesticana fojijama zlata i nekih drugih metala.1908. g. dobija Nobelovu nagradu iz hemije ”for hisinvestigations into the disintegration of the elements, andthe chemistry of radioactive substances”. Raderford: ”Imaosam posla sa mnogim transformacijama sa raznimperiodima, ali najbrza od svih je moja sopstvenatransformacija za jedan momenat iz fizicara u hemicara”.1911. g. Raderford objavljuje svoje najvece otkrice –otkrice atomskog jezgra.1917. g. Raderford (kao prvi pravi alhemicar) vrsi prveeksperimente iz vestacke transmutacije elementa unuklearnoj reakciji

α + 14N → 17O + p,

gde je p konstituent jezgra i naziva tu cesticu proton.

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 8/15

“Anatomija” atoma – eksperimenti sa rasejanjemα-cestica

Od 1909. g. eksperimenti (Geigera i Marsdena podrukovodstvom Rutherforda) rasejanja α- i β-cestica izradiuma na folijama zlata i nekih drugih metala.Nerelativisticki izraz za diferencijalni efikasni presek

dσ(θ) =

(Ze2

8πε0mv2 sin2 θ2

)2

dΩ

Šema aparature Rasejanje alfa-zraka

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 9/15

Hans Geiger (1882‐1945) Ernest Marsden (1889‐1970)

Geiger i Rutherford (1912)

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 10/15

Prva strana rada Phil. Mag. 21 (6), 669–688 (1911).

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 11/15

Procena velicine jezgra

Radijus jezgra je oko 104 puta manji od radijusa atoma.

E =2e · Ze4πε0R

, E ∼ 5Mev , R ∼ 10−12cm

Skoro sva masa atoma (vise od 99,9%) je skoncentrisanau jezgru.Sve pozitivno naelektrisanje je u jezgru atoma i jednakoQ = Ze.Pocetni (Rutherfordov, planetarni) izgled atoma

Rutherfordov atom

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 12/15

Saturnski Nagaoka model atoma (1904)

Hantaro Nagaoka (1865‐1950) Saturnski Nagaoka model atoma (1904)

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 13/15

5. PERIOD. 1919-1937: Direktor CavendishLaboratory, University of Cambridge, England.

Nastavlja rad u nuklearnoj fizici. Rukovodi Kevendislaboratorijom, gde se skoluju mnogi istaknuti nuklearni idrugi fizicari.1920. predvideo postojanje neutrona u jezgru, kojeg je1932. otkrio Cedvik (J. Chadwick).1925-30. Predsednik Royal Society of London.1931. dobio titulu “The Lord Rutherford of Nelson”.Umro 1937. i sahranjen u Westminster Abbey (London)pored Njutna, Faradeja, Darvina, Kelvina...

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 14/15

Kratak zakljucak

E. Rutherford je otac nuklearne fizike: 1) pokazao da jeradioaktivnost spontana dezintegracija atoma; 2) otkriostrukturu atoma; 3) prvi uspesan alhemicar.

http://youtu.be/wzALbzTdnc8

H V A L A

Beograd - 2011 B. Dragovic Nuklearno jezgro 15/15