Hóa học 10: Thí nghiệm của Rutherford: Hạt nhân nguyên tử

Hóa học 10: Thí nghiệm của Rutherford: Hạt nhân nguyên tử
Thí nghiệm Rutherford, hay thí nghiệm Geiger-Marsden, là một thí nghiệm thực hiện bởi Hans Geiger và Ernest Marsden năm 1909 dưới sự chỉ đạo của nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford, và được giải thích bởi Rutherford vào năm 1911, khi họ bắn phá các hạt tích điện dương nằm trong nhân các nguyên tử (ngày nay gọi là hạt nhân nguyên tử) của lá vàng mỏng bằng cách sử dụng tia alpha. Thí nghiệm đã cho thấy các hạt nhân nguyên tử nằm tập trung trong một không gian rất nhỏ bé (cỡ femtomét), so với kích thước của nguyên tử (cỡ Ångström), lật đổ giả thuyết trước đó về nguyên tử của J. J. Thomson (mô hình mứt mận cho nguyên tử).

Thí nghiệm cũng cho thấy hiện tượng tán xạ Rutherford, sự tán xạ của các hạt alpha trên các hạt nhân nguyên tử. Hiện tượng này còn được gọi là tán xạ Coulomb do lực tương tác là lực Coulomb. Tán xạ này ngày nay được ứng dụng trong kỹ thuật nghiên cứu vật liệu gọi là tán xạ ngược Rutherford. Kiểu tán xạ này cũng được thực hiện vào những năm 1960 để khám phá bên trong hạt nhân.


Trước năm 1911, nguyên tử được cho là có cấu trúc gồm các hạt tích điện dương đan xen với các electron, tạo thành một hỗn hợp tương tự như thành phần của “mứt mận”.

Năm 1909, Hans Geiger và Ernest Marsden tiến hành thí nghiệm theo sự chỉ đạo của Rutherford tại Đại học Manchester. Họ chiếu dòng hạt alpha vào các lá vàng mỏng và đo số hạt alpha bị phản xạ, truyền qua và tán xạ. Họ khám phá ra một phần nhỏ các hạt alpha đã phản hồi lại.

Nếu cấu trúc nguyên tử có dạng như mô hình “mứt mận” thì sự phản hồi xảy ra rất yếu, do nguyên tử là môi trường trộn lẫn giữa điện tích âm (của điện tử) và điện tích dương (của proton), trung hòa điện tích và gần như không có lực tĩnh điện giữa nguyên tử và các hạt alpha. Nói một cách hình tượng do không có lực tương tác đáng kể, mô hình “mứt mận” như tấm nệm mềm đối với các hạt alpha.

Năm 1911, Rutherford giải thích kết quả thí nghiệm với giả thiết rằng nguyên tử chứa một hạt nhân mang điện tích dương nhỏ bé trong lõi, với những điện tử mang điện tích âm khác chuyển động xung quanh nó trên những quỹ đạo khác nhau, ở giữa là những khoảng không. Khi đó, hạt alpha khi nằm bên ngoài nguyên tử không chịu lực Coulomb, nhưng khi đến gần hạt nhân mang điện dương trong lõi thì bị đẩy do hạt nhân và hạt alpha đều tích điện dương. Do lực Coulomb tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nên hạt nhân cần có kích thước nhỏ để đạt lực đẩy lớn tại các khoảng cách nhỏ giữa hạt alpha và hạt nhân. Nói một cách hình tượng, mô hình hạt nhân lõi nhỏ là lá chắn cứng đối với các hạt alpha.

Rutherford đã mô tả lại kết quả này một cách đầy hình tượng: Điều này giống như khi bắn súng vào một tờ giấy và thấy vài viên đạn bay ngược trở lại. Về sau sự tán xạ tương tự như của các hạt alpha trên các hạt nhân được gọi là tán xạ Rutherford.

Từ kết quả này, Rutherford đã đề xuất mẫu hành tinh nguyên tử để mô tả các nguyên tử. Mô hình này sau đó bị thay thế bởi mô hình nguyên tử Bohr vào năm 1913

Xem thêm tại đây