가이거-마르스덴 실험

Geiger–Marsden experiments
1913년 실험에 사용된 가이거와 마스덴의 장치 중 하나의 복제품(아래 참조)

가이거-마르스덴 실험(러더퍼드 금박 실험이라고도 불림)은 과학자들이 모든 원자가 양전하와 질량의 대부분이 집중된 핵을 가지고 있다는 것을 알게 된 획기적인 일련의 실험이었습니다.그들은 알파 입자 빔이 얇은 금속 호일에 부딪혔을 때 어떻게 흩어지는지 측정한 후 이것을 추론했습니다.이 실험은 1908년에서 1913년 사이에 한스 가이거와 어니스트 마스덴에 의해 맨체스터 대학의 물리학 연구소의 어니스트 러더포드의 지휘 아래 수행되었습니다.

요약

원자구조론

톰슨이 구상한 원자의 자두 푸딩 모델

러더퍼드의 실험 당시 원자 구조에 대한 지배적인 이론은 "자두 푸딩 모델"이었습니다.이 모델은 J.J.Thomson에 의해 고안되었습니다.톰슨은 전자를 발견했고 모든 원자는 전자가 분포하는 양전하의 구이며 크리스마스 푸딩의 건포도와 같다고 믿었습니다.이때 양성자와 중성자의 존재는 알려지지 않았습니다.이 모델은 완전히 고전적인 (뉴턴적) 물리학에 기반을 두었습니다; 현재 받아들여지는 모델은 양자 역학을 사용합니다.

Thomson의 모델은 Rutherford의 실험 이전에도 보편적으로 받아들여지지 않았습니다.톰슨 자신은 그의 개념의 완전하고 안정적인 모델을 개발할 수 없었습니다.일본 과학자 나가오카 한타로는 반대되는 혐의가 서로 [1]침투할 수 없다는 이유로 톰슨의 모델을 거부했습니다.그는 대신 전자가 [2]토성 주위의 고리처럼 양전하의 궤도를 돌도록 제안했습니다.

알파 입자는 어떤 방사성 원소들로부터 자발적으로 방출되는 미시적이고 양전하를 띤 물질의 입자입니다.러더퍼드는 그들의 존재를 발견했고, 비록 그 [3]당시에는 아무도 양성자와 중성자에 대해 알지 못했지만, 그것들은 본질적으로 전자가 없는 헬륨 원자라고 추론했습니다.

톰슨의 모델에 따르면, 만약 알파 입자가 원자와 충돌한다면, 알파 입자는 직선으로 날아갈 것이고, 그 경로는 기껏해야 1도 정도만 편향될 것입니다.원자적 규모에서 '고체'의 개념은 의미가 없습니다.톰슨 원자는 질량에 의해 우주에 고정된 전하의 구체입니다.따라서 알파 입자는 테니스 공이 농구공에 부딪히는 것처럼 원자에서 튕겨 나가지 않고, 원자의 전기장이 그것을 허용할 수 있을 정도로 충분히 약하다면 바로 통과할 것입니다.톰슨의 모델은 알파 입자가 얼마나 빠르고 무거운지를 고려할 때 원자의 전기장이 너무 약해서 지나가는 알파 입자에 많은 영향을 줄 수 없다고 예측했습니다.톰슨 원자 내의 음전하와 양전하는 모두 원자의 전체 부피에 걸쳐 퍼져 있으며, 러더퍼드는 이 부피가 너무 커서 강한 편향이 일어날 수 없다고 계산했습니다.쿨롱의 법칙에 따르면, 전하의 구체가 덜 집중될수록 표면의 전기장은 [4]약해질 것입니다.

금 원자의 가장자리를 통과하는 알파 입자를 생각해보세요. 알파 입자는 가장 강력한 전기장을 경험하고 따라서 최대 편향각 θ를 경험합니다.전자는 알파 입자에 비해 매우 가볍기 때문에, 그 영향은 무시될 수 있고 원자는 무거운 양전하의 구로 모델링될 수 있습니다.

고전물리학을 사용하면 힘 관계의 충격과 쿨롱 힘 [5]표현을 사용하여 알파 입자의 운동량 Δp의y 측면 변화를 근사화할 수 있습니다.

어디에

  • q = 금 원자의 양전하 = 79e = 1.266 x 10 C
  • q = 알파 입자의 전하 = 2 e = 3.204 x 10 C
  • r = 금 원자의 반지름 = 1.44 x 10 m
  • v = 알파 입자의 속도 = 1.53 x 10 m/s
  • m = 알파입자 질량 = 6.645 x 10 kg
  • k = 쿨롱 상수 = 8.987 x 10 N·m/C

이것은 편향각을 제공합니다.

충격 매개변수 방정식을 사용하여 편향각에 대한 더 정확한 추정치를 얻을 수 있지만, 이 단순한 계산은 크기의 순서를 보여주기에 충분합니다.알파 입자가 1도 이상 편향되려면 양전하의 구는 몇 배 더 작아야 합니다.

이제 같은 원자의 중간을 통과하는 알파 입자를 생각해보세요.

알파 입자가 원자의 중심에 접근하면, 원자의 전기장이 원자를 밀어냅니다.만약 알파 입자가 원자의 중심을 통과한다면, 원자는 알파 입자를 뒤로 밀지 않고 앞으로 밀기 시작할 것입니다.

x를 알파 입자와 원자의 중심 사이의 거리라 하자.원자가 알파 입자와 접촉할 때까지 작용하는 일의 양은 기껏해야 다음과 같습니다.

알파 입자가 표면에서 중심으로 원자를 통과할 때 작용하는 일의 양은 다음과 같습니다(즉, x < r일[6] 때).

이 두 그림을 더하면 알파 입자가 원자의 중심에 가까워질 때 작용하는 총 일의 양은 3.80×10−16 J입니다.

알파 입자의 초기 운동 에너지는 다음과 같이 주어집니다.

그것은 원자의 전기장에 의해 작용되는 것보다 몇배나 더 큰 규모입니다.따라서 톰슨 원자는 알파 입자를 정지시킬 수 없으며, 뒤로 보내는 것은 신경 쓰지 마십시오.

위의 계산은 현대적인 측정을 사용하지만 러더퍼드는 충분히 정확한 추정치를 가지고 있었습니다.그는 일반적으로 원자의 반지름이 10 m 정도이고−10 금 원자의 양전하는 수소(100 e)[8]의[7] 약 100배라고 가정했습니다.그는 금의 원자량이 197이라는 것을 알고 있었습니다.러더퍼드는 1906년 실험에서 알파 입자의 전하량이 2e이고 원자량이 4이며, 라돈에 의해 방출되는 알파 입자의 속도는 1.70×107 m/[9]s입니다.1909년에 장 페린은 수소의 질량을 1.43−27×10 [10]kg으로 측정했고, 알파 입자가 그것의 4배만큼 무겁다면, 그것들은 5.72−27×10 kg의 절대 질량을 가질 것입니다.

실험의 결과는

왼쪽: Thomson의 모델이 정확했다면 모든 알파 입자는 최소한의 산란으로 포일을 통과했어야 합니다.
오른쪽: 가이거와 마스덴이 관찰한 것은 알파 입자의 작은 부분이 강한 편향을 경험했다는 것입니다.

1908년에서 1913년 사이에 러더퍼드, 가이거, 마스덴은 다양한 금속의 얇은 포일에 알파 입자 빔을 겨누고 형광 스크린의 도움으로 알파 입자의 산란 패턴을 연구하는 일련의 실험을 실행했습니다.그들은 금속박이 알파 입자를 사방으로, 때로는 90도 이상 흩뿌릴 수 있다는 것을 발견했습니다.톰슨의 모델에 따르면 이것은 불가능했습니다; 알파 입자는 모두 똑바로 통과했어야 했습니다.분명히 이 입자들은 톰슨의 모델이 제안한 [11]것보다 훨씬 더 큰 정전기력을 마주쳤습니다.

이러한 기이한 결과들은 러더퍼드가 1911년에 원자가 양전하가 [12]집중된 중심에 작은 핵을 포함하는 대체로 열린 구조라는 결론을 내리게 했습니다.

유산

주요 기사:러더퍼드 모형과 러더퍼드-보어 모형

한때 토성의 원자 모형을 제안했던 나가오카 한타로는 1911년 도쿄에서 러더퍼드에게 다음과 같이 편지를 썼습니다. "당신이 사용하는 장치의 단순함과 당신이 [13]얻은 훌륭한 결과에 충격을 받았습니다."천문학자 아서 에딩턴(Arthur Eddington)은 러더퍼드의 발견을 데모크리토스(Democritus)가 [14]원자의 시대를 제안한 이래 가장 중요한 과학적 업적이라고 평가했습니다.

고전적인 뉴턴 물리학에 의하면, 러더퍼드의 원자 모형은 불가능합니다.가속된 하전 입자는 전자기파를 방출하므로 이론상 원자핵 주위를 도는 전자는 에너지를 잃으면서 핵 안으로 나선형으로 들어가게 됩니다.분명히 이런 일은 일어나지 않았습니다. 그것은 고전적인 물리 법칙이 원자 규모에서는 적용되지 않는다는 것을 의미했습니다.이것은 결국 닐스 보어가 양자역학을 원자의 모델에 포함시키도록 이끌었습니다.이러한 발전은 알버트 아인슈타인이 일반 상대성 이론을 생산하는 것과 대략 동시에 이루어졌는데, 이 이론은 고전적인 물리 법칙들이 우주 규모에도 적용되지 않는다는 것을 보여주었습니다.

1936년 10월 15일 케임브리지 [15][16]대학교에서 열린 강연에서 러더퍼드는 1909년 실험의 결과에 대한 자신의 반응에 대해 다음과 같이 언급했습니다.

그러고 나서 2-3일 후 가이거가 흥분하여 저에게 와서 "α 입자의 일부를 거꾸로 돌려올 수 있었습니다."라고 말했던 것을 기억합니다..". 그것은 제 인생에서 일어난 가장 놀라운 사건이었습니다.마치 휴지 조각에 15인치 포탄을 발사한 것처럼 믿을 수 없을 정도로 충격이 컸습니다.생각해보면, 이 후방산란은 한 번의 충돌의 결과임에 틀림없다는 것을 깨달았고, 제가 계산을 했을 때, 저는 원자 질량의 대부분이 미세한 핵에 집중된 시스템을 사용하지 않는 한 그 정도 크기의 어떤 것도 얻는 것은 불가능하다는 것을 알았습니다.그때 나는 [17]전하를 운반하는, 미세하고 거대한 중심을 가진 원자에 대한 생각을 하게 되었습니다.

실험들은

배경

어니스트 러더퍼드
한스 가이거
어니스트 마스덴

어니스트 러더퍼드는 맨체스터[18] 빅토리아 대학(현재 맨체스터 대학)의 랭워시 물리학 교수였습니다.그는 이미 방사선에 대한 연구로 많은 상을 받았습니다.그는 알파선, 베타선, 감마선의 존재를 발견했고, 이것들이 원자 붕괴의 결과라는 것을 증명했습니다.1906년, 그는 한스 가이거라는 독일 물리학자의 방문을 받았고, 너무 감명을 받아 가이거에게 남아서 그의 [19]연구를 도와달라고 부탁했습니다.어니스트 마스든은 가이거 밑에서 공부하던 물리학과 학생이었습니다.

알파 입자는 우라늄과 라듐과 같은 특정 물질에 의해 자발적으로 방출되는 작고 양전하를 띤 입자입니다.러더퍼드는 1899년에 그것들을 발견했습니다.1908년, 그는 그들의 전하 대 질량 비율을 정확하게 측정하려고 했습니다.이를 위해서는 먼저 라듐 샘플이 얼마나 많은 알파 입자를 방출하는지 알 필요가 있었습니다. (그 후에 라듐의 총 전하를 측정하고 하나를 다른 하나로 나누었습니다.)알파 입자는 너무 작아서 현미경으로 볼 수 없지만 러더퍼드는 알파 입자가 공기 분자를 이온화하고 공기가 전기장 안에 있으면 이온이 전류를 만들어 낸다는 것을 알고 있었습니다.이 원리를 바탕으로 러더퍼드와 가이거는 유리관에 두 개의 전극으로 구성된 간단한 계수 장치를 설계했습니다.튜브를 통과하는 모든 알파 입자는 셀 수 있는 전기의 펄스를 만들 것입니다.가이거 [19]계수기의 초기 버전이었습니다.

가이거와 러더퍼드가 만든 계수기는 알파 입자가 검출실 안의 공기 분자와 충돌하여 너무 강하게 편향되었기 때문에 신뢰할 수 없다는 것이 증명되었습니다.알파 입자의 궤적이 매우 다양하다는 것은 그들이 모두 기체를 통과할 때와 같은 수의 이온을 생성하지 않는다는 것을 의미하며, 따라서 불규칙한 판독값을 생성합니다.러더퍼드는 알파 입자가 너무 무거워서 그렇게 강하게 휘어질 수 없다고 생각했기 때문에 (1906년에 그는 알파 입자가[20] 헬륨 원자와 같은 무게를 가진다고 측정했습니다).러더퍼드는 가이거에게 얼마나 많은 물질이 알파선을 [21]산란시킬 수 있는지 조사해달라고 요청했습니다.

그들이 설계한 실험은 금속 호일에 알파 입자를 폭격하여 호일이 두께와 재료와 관련하여 어떻게 그것들을 흩어놓는지 관찰하는 것을 포함했습니다.그들은 형광 스크린을 사용하여 입자들의 궤적을 측정했습니다.알파 입자가 스크린에 부딪힐 때마다 작은 빛의 섬광이 발생했습니다.가이거는 현미경을 [4]사용하여 이 작은 섬광들을 세면서 몇 시간 동안 계속해서 어두워진 실험실에서 일했습니다.러더퍼드는 30대 후반으로 체력과 인내심이 부족했기 때문에 젊은 [22]동료들에게 일을 맡겼습니다.금속박의 경우, 그들은 다양한 금속을 테스트했지만, 금이 매우 가단할 [23]수 있기 때문에, 그들은 금을 매우 얇게 만들 수 있기 때문에 선호했습니다.알파 입자의 근원으로 러더퍼드가 선택한 물질은 우라늄보다 몇 백만 배나 더 방사능이 강한 물질인 라돈이었습니다.

1908년 실험

이 기구는 한스 가이거에 의해 1908년 논문에 기술되었습니다.그것은 단지 몇 도 정도의 편향만을 측정할 수 있었습니다.

가이거의 1908년 논문, 물질에 의한 α-입자의 산란에 관하여는 다음과 같은 실험을 설명합니다.그는 거의 2미터 길이의 긴 유리관을 만들었습니다.튜브의 한쪽 끝에는 알파 입자의 공급원 역할을 하는 양의 "라듐 방출"(R)이 있었습니다.튜브의 반대쪽 끝은 인광 스크린(Z)으로 덮여 있었습니다.튜브 중앙에는 폭 0.9mm의 슬릿이 있었습니다.R의 알파 입자는 슬릿을 통과하여 스크린에 빛나는 빛의 조각을 만들었습니다.현미경(M)을 사용하여 화면의 섬광을 세고 그 확산을 측정했습니다.가이거는 알파 입자가 방해받지 않도록 튜브의 모든 공기를 퍼냈고, 그들은 슬릿의 모양에 대응하는 깔끔하고 촘촘한 이미지를 화면에 남겼습니다.가이거는 그 후 튜브에 약간의 공기를 허용했고, 빛나는 부분은 더 확산되었습니다.가이거는 공기를 퍼내고 AA의 구멍 위에 금박을 두었습니다.이것 또한 화면의 빛 조각이 더 넓게 퍼지는 원인이 되었습니다.이 실험은 공기와 고체 물질 모두 알파 입자를 현저하게 산란시킬 수 있음을 보여주었습니다.그러나 이 장치는 작은 각도의 편향만을 관찰할 수 있었습니다.러더퍼드는 알파 입자가 훨씬 더 큰 각도로 흩어지고 있는지, 아마도 90°[24]보다 더 큰 각도로 흩어지고 있는지 알고 싶었습니다.

1909년 실험은

이들 실험에서 방사성원(A)에 의해 방출된 알파 입자는 금속 반사판(R)에서 튕겨져 나와 납판(P)의 다른 면에 있는 형광 스크린(S)으로 관찰되었습니다.

가이거와 마스덴은 1909년 논문 'α [25]입자의 확산 반사에 관하여'에서 알파 입자가 실제로 90°이상 산란될 수 있다는 것을 증명한 실험에 대해 설명했습니다.그들의 실험에서, 그들은 "라듐 방출" (라돈), "라듐 A" (실제 라듐), 그리고 "라듐 C" (비스무트-214)가 들어있는 작은 원뿔 모양의 유리관 (AB)을 준비했습니다; 그것의 개방된 끝은 운모로 밀봉되어 있습니다.알파 입자 방출기였어요그리고 나서 그들은 납판(P)을 설치했고, 그 뒤에 형광 스크린(S)을 놓았습니다.튜브는 플레이트 반대쪽에 고정되어 있어서 알파 입자가 스크린에 직접 부딪힐 수 없었습니다.그들은 화면에서 약간의 섬광을 알아차렸습니다. 알파 입자들이 공기 분자를 튕겨내어 접시 주위를 돌았기 때문입니다.그런 다음 금속 호일(R)을 납 플레이트의 측면에 배치했습니다.그들은 알파 입자가 플뢰레에서 튕겨 나와 플뢰레 반대편의 스크린에 부딪히는지 보기 위해 플뢰레를 향했고, 스크린에서 섬광 횟수가 증가하는 것을 관찰했습니다.섬광을 세어보면 금과 같은 원자 질량이 높은 금속이 [25]알루미늄과 같은 가벼운 입자보다 더 많은 알파 입자를 반사한다는 것을 알 수 있었습니다.

가이거와 마스덴은 반사되고 있는 알파 입자의 총 개수를 추정하고자 했습니다.이전 설정은 튜브에 여러 방사성 물질(라듐과 붕괴 생성물)이 포함되어 있어서 방출되는 알파 입자의 범위가 다양했고, 튜브가 알파 입자를 방출하는 속도를 확인하기 어려웠기 때문에 이 작업에 적합하지 않았습니다.이번에, 그들은 소량의 라듐 C (비스무스-214)를 납판 위에 놓았는데, 이것은 백금 반사판 (R)에서 튕겨져 나와 스크린 위로 올라갔습니다.그들은 반사경에 부딪힌 알파 입자의 아주 작은 부분만이 스크린 위로 튕겨 나간다는 것을 발견했습니다. (이 경우, 8,[25]000분의 1)

1910년 실험

이 장치는 가이거에 의해 1910년 논문에 기술되었습니다.호일의 재질과 두께에 따라 산란이 어떻게 변화하는지 정밀하게 측정하기 위해 고안되었습니다.

1910년[26] 가이거의 논문 "물질에 의한 α-입자의 산란"은 a-입자가 편향될 가능성이 가장 높은 각도가 a-입자가 통과하는 물질, 해당 물질의 두께, 알파 입자의 속도에 따라 어떻게 달라지는지 측정하고자 한 실험을 설명합니다.그는 공기가 뿜어져 나오는 밀폐된 유리관을 만들었습니다.한쪽 끝에는 "라듐 방출"(라돈-222)이 들어있는 전구(B)가 있었습니다.B씨의 라돈은 수은을 이용해 A씨 끝이 운모로 막혀 있는 좁은 유리관으로 퍼올려졌습니다.튜브의 다른 끝에는 형광 황화아연 스크린(S)이 있었습니다.가이거는 화면의 섬광을 세는 데 사용한 현미경을 수직 밀리미터 스케일에 버니어로 부착하여 빛의 섬광이 화면에 나타나는 위치를 정확하게 측정하여 입자의 편향각을 계산할 수 있게 했습니다.A에서 방출된 알파 입자는 D에서 작은 원형 구멍에 의해 빔으로 좁혀졌습니다.가이거는 빛의 영역이 어떻게 변하는지 관찰하기 위해 금속 호일을 D와 E의 광선 경로에 놓았습니다.그는 운모나 알루미늄의 추가 시트를 [26]A에 놓음으로써 알파 입자의 속도를 변화시킬 수도 있습니다.

가이거는 측정한 결과 다음과 같은 결론에 도달했습니다.

  • 가장 가능한 편향 각도는 재료의 두께에 따라 증가합니다.
  • 가장 가능한 편향각은 물질의 원자 질량에 비례합니다.
  • 가장 가능한 편향각은 알파 입자의 속도에 따라 감소합니다.
  • 입자가 90°이상 편향될 확률은 사라지는 것처럼 작습니다.

러더퍼드는 산란 패턴을 수학적으로 모델링합니다.

위의 실험 결과를 고려하여 러더퍼드는 1911년에 "물질과 원자의 구조에 의한 α와 β 입자의 산란"이라는 제목의 획기적인 논문을 발표했는데, 그는 원자의 중심에 매우 작고 강렬한 전하량이 포함되어 있다고 제안했습니다.러더퍼드는 이를 자신의 [27]계산에서 포인트 차지로 취급합니다.)그의 수학적 계산을 위해 그는 이 중심 전하가 양의 전하라고 가정했지만, 그는 이것을 증명할 수 없고 그의 이론을 발전시키기 위해 다른 실험을 기다려야 한다는 것을 인정했습니다.

러더퍼드는 모든 양전하와 대부분의 원자 질량이 원자의 중심에 있는 한 점에 집중되어 있을 때, 포일이 어떻게 알파 입자를 산란시켜야 하는지 모델링하는 수학 방정식을 개발했습니다.

  • s = 편향각에서 단위면적에 떨어지는 알파입자의 수 Δ
  • r = 산란물질에 대한 α선의 입사점으로부터의 거리
  • X = 산란물질에 낙하하는 총 입자수
  • n = 물질의 단위 부피 내 원자 수
  • t = 호일 두께
  • Q = 원자핵의 양전하
  • Q = 알파입자의 양전하
  • m = 알파입자의 질량
  • v = 알파 입자의 속도

산란 데이터에서 러더퍼드는 중심 전하n Q를 약 +100 단위로 추정했습니다(러더퍼드 모형 참조).

1913년 실험

1913년 논문, 큰 [28]각도를 통한 α 입자의 굴절의 법칙, 가이거와 마스덴은 러더퍼드가 개발한 위의 방정식을 실험적으로 검증하고자 한 일련의 실험을 설명합니다.러더퍼드 방정식은 주어진 각도 Δ에서 관측될 분당 섬광의 수는 다음과 비례해야 한다고 예측했습니다.

  1. csc(φ/2)
  2. 박두께
  3. 중심 전하n Q의 제곱의 크기
  4. 1/(mv2)2

그들의 1913년 논문은 그들이 이 네 가지 관계를 각각 증명한 네 가지 실험에 대해 설명합니다.

이 장치는 1913년 가이거와 마스덴의 논문에서 설명되었습니다.금속박(F)에 의해 생성된 알파 입자의 산란 패턴을 정확하게 측정할 수 있도록 설계되었습니다.현미경(M)과 스크린(S)은 회전하는 실린더에 부착되었으며, [28]모든 각도에서 섬광을 셀 수 있도록 호일 주위에 완전한 원을 이동시킬 수 있었습니다.

편향각(즉, s ∝ csc(Ω/2))에 따라 산란이 어떻게 변화하는지를 테스트하기 위해 가이거와 마스덴은 턴테이블에 장착된 중공 금속 실린더로 구성된 장치를 제작했습니다.실린더 안에는 분리된 기둥(T)에 장착된 금속박(F)과 라돈(R)이 들어있는 방사선원이 들어있어 실린더가 독립적으로 회전할 수 있었습니다.그 기둥은 또한 공기가 실린더 밖으로 뿜어져 나오는 관이었습니다.형광 황화아연 스크린(S)에 의해 대물렌즈가 가려진 현미경(M)이 원통의 벽을 뚫고 들어가 금속박을 겨누고 있었습니다.테이블을 돌리면, 현미경은 호일 주위의 완전한 원을 이동시킬 수 있고, 가이거는 150°까지 편향된 알파 입자를 관찰하고 셀 수 있습니다.가이거와 마스덴은 실험 오류를 수정하면서 주어진 각도 Ω만큼 편향되는 알파 입자의 수가 실제로 csc4(Ω/2)[28]에 비례한다는 것을 발견했습니다.

본 장치는 포일의 두께, 물질의 원자량, 알파 입자의 속도에 따라 알파 입자의 산란 패턴이 어떻게 변화하는지를 측정하기 위해 사용되었습니다.중앙의 회전하는 디스크에는 [28]호일로 덮일 수 있는 6개의 구멍이 있었습니다.

그런 다음 가이거와 마스덴은 포일의 두께에 따라 산란이 어떻게 달라지는지 실험했습니다(즉, s∝t인 경우).그들은 6개의 구멍이 뚫린 디스크(S)를 만들었습니다.구멍은 다양한 두께의 금속 호일(F)로 덮거나 제어를 위해 아무 것도 덮지 않았습니다.그런 다음 이 디스크는 두 개의 유리판(B와 C) 사이의 황동 고리(A)에 밀봉되었습니다.로드(P)를 통해 디스크를 회전시켜 각 윈도우를 알파 입자 소스(R) 앞으로 이동시킬 수 있습니다.뒷유리창에는 황화아연 스크린(Z)이 있었습니다.가이거와 마스덴은 황화아연 스크린에 나타난 섬광의 수가 두께가 [28]작다면 실제로 두께에 비례한다는 것을 발견했습니다.

가이거와 마스덴은 핵 전하의 제곱에 따라 산란 패턴이 어떻게 변하는지 측정하기 위해 위의 장치를 재사용했습니다(즉, s ≥ Q인n2 경우).가이거와 마스덴은 금속의 핵의 양전하가 무엇인지 알지 못했지만(그들은 핵이 존재한다는 것을 막 발견했을 뿐이다), 그것이 원자량에 비례한다고 가정하고, 그래서 그들은 산란이 원자량 제곱에 비례하는지 시험했습니다.가이거와 마스덴은 원반의 구멍을 금, 주석, 은, 구리, 알루미늄 포일로 덮었습니다.그들은 각 호일의 정지력을 동일한 공기의 두께와 동일하게 측정했습니다.그들은 스크린에서 각각의 호일이 생성하는 분당 섬광의 수를 세었습니다.분당 섬광 횟수를 각각의 호일 공기 당량으로 나눈 다음 원자 무게의 제곱근으로 다시 나눈 것입니다(가이거와 마스덴은 정지력이 같은 호일의 경우 단위 면적당 원자 수는 원자 무게의 제곱근에 비례한다는 것을 알고 있었습니다).따라서 각 금속에 대해 Geiger와 Marsden은 고정된 수의 원자가 생성하는 섬광의 수를 구했습니다.각각의 금속에 대해, 그들은 이 숫자를 원자 무게의 제곱으로 나눈 후, 비율이 다소 같다는 것을 발견했습니다.따라서 그들은 s ∝ Q를 증명했습니다.

마지막으로 가이거와 마스덴은 알파 입자의 속도에 따라 산란이 어떻게 변하는지 실험했습니다(즉, s ≥ 1/v인4 경우).같은 장치를 다시 사용하여, 그들은 여분의 운모 시트를 알파 입자 소스 앞에 놓음으로써 알파 입자의 속도를 늦추었습니다.그들은 실험 오차 범위 내에서 실탄의 수가 실제로 1/[28]v에4 비례한다는 것을 발견했습니다.

러더퍼드는 핵이 양전하를 띠고 있다고 판단합니다

1911년 그의 논문에서 러더퍼드는 원자의 중심 전하가 양이지만 음전하는 그의 산란 모델에도 [29]적합할 것이라고 가정했습니다.1913년 논문에서 [30]러더퍼드는 다양한 기체에서 알파 입자의 산란을 탐구한 실험 결과에 근거하여 "핵"이 실제로 양전하를 띠고 있다고 선언했습니다.

1917년, 러더퍼드와 그의 조수 윌리엄 케이는 수소와 질소 같은 기체를 통한 알파 입자의 통과를 탐구하기 시작했습니다.그들이 수소를 통해 알파 입자 빔을 발사한 실험에서, 알파 입자는 빔 방향으로 수소 원자핵을 뒤로 넘어뜨리지 않고 앞으로 두드렸습니다.그들이 질소를 통해 알파 입자를 발사한 실험에서, 그는 알파 입자가 질소 [29]원자핵에서 수소 원자핵(즉, 양성자)을 떨어트렸다는 것을 발견했습니다.

참고 항목

참고문헌

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  10. ^ 페린 (1909), 페이지 49
  11. ^ 매너(2000).양자물리학, 페이지 28
  12. ^ 러더퍼드(1936): "이러한 관찰들로부터, 저는 1911년에 원자가 그 중심에 원자 질량의 대부분이 집중된 매우 미세한 하전핵을 포함하는 매우 개방적인 전자 구조라는 생각에 이끌렸습니다."
  13. ^ 1911년 2월 22일 한타로 나가오카가 어니스트 러더퍼드에게 보낸 편지.이브에서 인용됨(1939), 페이지 200
  14. ^ 리브스 (2008)
  15. ^ 과학사 강의위원회의 활동 보고서 1936-1947, 휘플 박물관 논문, 휘플 과학사 박물관, 캠브리지, C62i.
    이 보고서에는 10월 8일과 15일 두 번의 강의가 나와 있습니다.원자 구조에 대한 강의는 아마 15일에 있었던 강의일 것입니다.
  16. ^ Cambridge University Reporter, 1936년 10월 7일 p. 141
    강의는 오후 5시에 생리학 실험실 강의실에서 진행되었습니다.
  17. ^ 원자구조론의 발전(Rutherford 1936)현대 과학을 배경으로 재인쇄: 1936년 과학사위원회가 주관한 케임브리지 대학의 10개 강의
  18. ^ Abraham Pais의 'Inward Bound', 옥스포드 대학 출판부, 1986
  19. ^ a b Heilbron (2003), p. 59
  20. ^ 러더퍼드 (1906)
  21. ^ 하일브론 (2003)
  22. ^ 어니스트 러더퍼드가 헨리 범스테드에게 보낸 편지, 1908년 7월 11일 이브(1939)에서 인용, p. 180: "가이거는 작품에서 악마이며 그의 평정심을 파괴하지 않고 하룻밤 동안 간격을 두고 셀 수 있었습니다.나는 2분 후에 격렬하게 그 싸움에서 물러났습니다."
  23. ^ Tibbetts (2007), 페이지 127
  24. ^ 가이거 (1908)
  25. ^ a b c 가이거 & 마스덴 (1909)
  26. ^ a b 가이거 (1910)
  27. ^ 러더퍼드 (1911)
  28. ^ a b c d e f g 가이거 & 마스덴 (1913)
  29. ^ a b AIP
  30. ^ 러더퍼드 & 너탈 (1913)

서지학

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