Hart van de Materie 7: Rutherford en de ontdekking van de atoomkern

Het atoommodel van Thomson, dat het levenslicht zag in 1900, heeft niet lang mogen zijn. Reeds in 1909 doken er experimentele resultaten op, die het concept van Thomson (negatief geladen elektronen in een positief geladen matrix, als rozijnen in een krentenbol) op losse schroeven zetten.

De verantwoordelijken voor deze nieuwe data waren Hans Geiger en Ernest Marsden. De aanstoker van deze experimenten was echter het hoofd van hun laboratorium, de ons ondertussen bekende Ernest Rutherford, ondertussen tewerkgesteld in Manchester (Groot-Brittannië). Hun doel was, het atoommodel van Thomson grondig te testen en uit te meten. Hiertoe bestraalden ze een zeer dun goudblaadje met radioactieve straling (bestaande uit alfadeeltjes uit een uraniumbron). Dat goudblaadje was slechts 0,4 µm dik, wat overeenkomt met een 1200-tal goudatomen.

 

Schematische weergave van het experiment van Geiger en Marsden. De radioactieve bron bestond uit zuiver radium, met een stralingsintensiteit van 0,1 Curie (4 miljard atomen die vervallen per seconde). De detector bestond uit een klein (10-6 m2 groot) fluorescerend plaatje uit zinksulfide (ZnS), gemonteerd op een paar cm afstand het goudblaadje en gekoppeld met een microscoop. Dit plaatje kon roteren rond het goudblaadje. Telkens een alfadeeltje botste op de detector, was dit zichtbaar als een kleine lichtflash.

Zo zag het toestel eruit dat Geiger en Marsden gebruikten in hun beroemde experiment.
Bron: Hans Geiger en Ernest Marsden,
The Laws of Deflexion of a Particles through Large Angles, 1913, publiek domein. 
A – draaiend platform      B – metalen cylinder      C – luchtdicht koppelstuk
D – diafragma (om een zeer nauwe bundel van deeltjes aan te maken) 
F – metalen folie              M – microscoop             P – glazen plaat
R – radium- of uraniumbron                S – plaatje uit zinksulfide 
T – buis om lucht in en uit te pompen

Ernest Rutherford aan het werk. Foto uit 1905, Wellcome Images, http://wellcomeimages.org/indexplus/image/L0014629.html, CC BY 4.0

De hypothese, gebaseerd op het Thomsonmodel, was dat de alfadeeltjes dwars door de goudlaag zouden gaan. De redenering daarvoor ging als volgt.

  1. Alfadeeltjes hebben een dubbele positieve lading: ze bevatten immers twee protonen.
  2. Volgens Thomson bestaan atomen uit een positief geladen matrix. Daarin zitten de elektronen verspreid, als de rozijnen in een krentenbol.
  3. Door die positieve ladingen zal een alfadeeltje dat op een Thomsonatoom wordt afgevuurd, door dit atoom worden afgestoten (positieve ladingen duwen mekaar nu eenmaal weg).
  4. Van de negatief geladen elektronen heeft het alfadeeltje op mechanisch vlak geen last: het is 7000 keer zo massief als een elektron. Vergelijk dit bijvoorbeeld met wat er gebeurt als een massief loden kanonbal botst met een tennisbal. De elektrostatische aantrekkingskracht die uitgaat van de elektronen (negatieve ladingen en positieve ladingen trekken mekaar aan) wordt gemaskeerd door de positief geladen matrix.

Op basis van die aannames kan men berekenen wat de afbuiging van het alfadeeltje zou zijn wanneer het netjes langs de oppervlakte van zo een Thomsonatoom scheert en wat de afbuiging wordt wanneer het deeltje dieper en dieper in het atoom binnendringt. Laat de figuur u niet misleiden: die afbuiging is maximaal aan de buitenrand van een atoom en is op dat moment slechts 0,06°!

 

Met een beetje statistiek kan men bovendien berekenen wat de gemiddelde afwijking van de deeltjes (scattering) is wanneer het alfadeeltje langs duizend van die goudatomen (het blaadje van Rutherford, Geiger en Marsden) moet passeren: slechts 0,6°. De kans dat een alfadeeltje door het goudblaadje wordt teruggekaatst, was 1 op 101000! Met andere woorden, als het Thomsonmodel juist was, dan moesten alle alfadeeltjes netjes door het goudblaadje heen gaan en mochten er zeker geen te vinden zijn met een grote afwijking.

Wat bleek echter in het experiment? Eén op 8000 alfadeeltjes werd over een hoek groter dan 90° afgebogen. Zoals Rutherford het zelf zei:

"It was quite the most incredible event that ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you had fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you."

 

Links: Ernest Rutherford, Eerste Baron Rutherford of Nelson, (Spring Grove, Nieuw-Zeeland, 30 augustus 1871 – Cambridge, Groot-Brittannië, 19 oktober 1937). Winnaar van de Nobelprijs voor Chemie in 1908 voor zijn werk in de kernfysica en zijn atoommodel. Rutherford voltooide zijn basisopleiding in Christchurch in Nieuw-Zeeland. Via een beurs kon hij in 1895 terecht in het Cavendish Laboratory aan de Universiteit van Cambridge, waar op dat moment J.J. Thomson de leiding had. Hij werkt er twee jaar aan een doctoraatsonderzoek rond het meten van elektromagnetische golven. Nadien werkt hij enkele jaren als professor in Montreal. In 1907 keert hij terug naar Groot-Brittannië als professor in Manchester. Nog iets later neemt hij het Cavendishlaboratorium over (1919).

Middel: Hans Wilhelm Geiger (30 September 1882, Neustadt an der Haardt, Rhineland, German Empire - 24 September 1945, Potsdam, Germany). Hij is welllicht het best bekend voor de ontwikkeling van de Geigerteller, een toestel om radioactieve straling te meten. In 1912 werd hij leider van de Fysisch-Technische Reichsanstalt in Berlijn, in 1925 professor in Kiel, in 1929 in Tübingen en vanaf 1936 werkte hij in Berlijn. Hij sprak zich nooit in het openbaar uit over de nazi-politiek, maar werkte wel mee aan de ontwikkeling van een atoombom voor het Derde Rijk.

Rechts: Ernest Marsden (19 February 1889, Manchester, England - 15 December 1970 Wellington, New Zealand). In 1915, na de ophefmakende experimenten rond de ontdekking van de atoomkern neemt hij een positie op in Nieuw-Zeeland (op voorspraak van Rutherford). Vanaf 1922 werkt hij in zijn nieuwe thuisland rond wetenschapsbeleid, en werd in 1926 zelfs hoofd van het nieuw opgerichte Ministerie van Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek. Hij promootte tijdens zijn carrière het gebruik van kernenergie, startte een eigen kernwapenprogramma en sprak zich op latere leeftijd dan weer uit tegen het gebruik van dergelijke wapens.

Foto’s alle publiek domein.

 

Pas in 1911 kwamen Rutherford en zijn team op de oplossing van deze puzzel en tot een nieuw inzicht in de structuur van de materie. Hoe vreemd het eerst ook mocht lijken, blijkbaar zat de massa van het hele atoom geconcentreerd in een zeer klein centraal deeltje met positieve lading in het midden van het atoom, de kern. De elektronen bevonden zich in de verder volledig lege zone rond die kern en cirkelden rond die kern als manen rond een planeet of planeten rond een ster. Dit is wellicht de meest klassieke voorstelling die we van atomen hebben. Ook al is het model van Rutherford sindsdien afgevoerd, toch is dit het beeld dat de meeste mensen met zich meedragen van “een atoom”.

Het Rutherfordatoom, schematisch voorgesteld.

Onmiddellijk nadat Rutherford zijn resultaten over zijn atoommodel publiceerde (1911), kwam de Nederlander Antonius Van den Broek op de proppen met de hypothese dat het atoomnummer van een atoom gelijk is aan het aantal eenheden van lading aanwezig in de kern van dat atoom. Tot dan toe was het atoomnummer niet meer dan het volgnummer van het atoom in een rangschikking volgens oplopende atoommassa, waarbij waterstof een atoomnummer van 1 heeft, helium atoomnummer 2, lithium 3, enz… Door de hypothese van Van den Broek krijgt wat eerst een administratieve aangelegenheid was (elk atoom zijn eigen nummer in een lange rij) plots een fysische betekenis. Henry Moseley's experimenten rond X-straalspectrometrie - gepubliceerd in 1913 - leverden de daadwerkelijke bewijzen om het voorstel van Van den Broek te ondersteunen. Het aantal positieve ladingseenheden in de kern bleek inderdaad overeen te komen met het atoomnummer. Maar om dat beter te begrijpen, moeten we eerst wat meer te weten komen over de interne structuur van de elektronenmantel rondom de kern. Dat doen we dan ook gedurende de volgende weken. 

 

 

Links: de Nederlandse fysicus Antonius van den Broek (4 mei 1870, Zoetermeer, Nederland – 25 oktober 1926, Bilthoven, Nederland). Foto genomen rond 1903 en gepubliceerd in Yu. I. Lisnevskiy’s boek "Antonius van den Broek" (Moskou, 1981, in het Russisch).

Rechts: Henry Mosely (23 November 1887, Weymouth, Dorset, England - 10 August 1915, Gallipoli, Turkey) in de Balliol-Trinity College Laboratories.

Moseley nam tijdens de Eerste Wereldoorlog dienst als technisch communicatie-officier. Hij nam deel aan de Slag om Gallipoli in Turkije en sneuvelde daar op 10 augustus 1915, op zevenentwintigjarige leeftijd. Hij werd in het hoofd geschoten door een Turkse sluipschutter, terwijl hij een bevel aan het doorseinen was. Scheikundige (en science fictionschrijver) Isaac Asimov vatte als volgt samen wat toen ter tijd vele van zijn collega’s moeten gedacht hebben: "In view of what he [Moseley] might still have accomplished … his death might well have been the most costly single death of the War to mankind generally". Asimov vermoedde dat Mosely wellicht in 1916 de Nobelprijs voor Natuurkunde had kunnen winnen – een prijs die nu niet is toegekend. Niels Bohr zei in 1962 dat Rutherford’s werk in eerste instantie "niet helemaal serieus werd genomen" en dat "…de grote verandering kwam van Moseley." Wie weet hoe de geschiedenis van de wetenschappen was gelopen als deze man de oorlog had overleefd.

Beide foto’s publiek domein.

 

Geplaatst door Geert op 10/03/2017 om 21:55