การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด

รัดเทอร์ฟอร์ดเป็นนักฟิสิกส์ด้านการทดลอง ชาวนิวซีแลนด์ ซึ่งสนใจอนุภาคแอลฟาที่ได้จากสารกัมมันตรังสี ในปี พ.ศ. 2449 เขาทดลองใช้อนุภาคแอลฟาเป็นกระสุนยิงแผ่นไมกาบางๆ ปรากฏว่าอนุภาคแอลฟาทะลุผ่านไมกาไปได้ แต่มีการกระเจิง (scattering) เกิดขึ้นมากกว่าที่คิด จึงดูเสมือนว่า ในไมกามีแหล่งสนามไฟฟ้าที่รุนแรงมาก ข้อสังเกตทำให้รัทเทอร์ฟอร์ดพยายามหาทางทดลองที่ดีขึ้น ต่อมาในระหว่างปี พ.ศ. 2452 - 2454 รัทเทอร์ฟอร์ด ได้ให้ไกเกอร์และมาร์สเดน ซึ่งเป็นนักวิจัยผู้ช่วยสำคัญของรัทเทอร์ฟอร์ดออกแบบการทดลองเพื่อทดสอบแนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ด โดยใช้เครื่องมือที่มีลักษณะดังรูป 19.12

 

รูป 19.11 รัทเทอร์ฟอร์ด 

                   รัทเทอร์ฟอร์ด (Sir Ernest Rutherford, พ.ศ. 2414-2480) นักฟิสิกส์ชาวนิวซีแลนด์และได้รับการศึกษาขึ้นต้น ในประเทศนิวซีแลนด์ ผลงานที่สำคัญคือการทดลองเรื่องกัมมันตภาพรังสีและการพบนิวเคลียสซึ่งชื่อนิวเคลียสนี้รัทเทอร์ฟอร์ดเป็นคนตั้งให้

รูป 19.12 เครื่องมือที่ไกเกอร์และมาร์สเดนใช้ตรวจสอบแนวคิดของรัทเทอร์ฟอร์ด

 

                เครื่องมือที่ไกเกอร์และมาร์สเดนใช้ทดลอง มีส่วนประกอบที่สำคัญคือกล่องโลหะทรงกระบอก B ภายในมีแผ่นโลหะบาง F และกล่องโลหะ R ซึ่งบรรจุแหล่งกำเนิดอนุภาคแอลฟา กล้องจุลทรรศน์ M ยืดติดกับด้านข้างของกล่อง B ด้านหน้ากล่องมีฉาก S ที่ถูกเคลือบด้วยสังกะสีซัลไฟด์ กล่อง B ตั้งอยู่บนฐาน A ซึ่งหมุนได้ เมื่อฐาน A หมุนกล่อง B และกล่อง M จะเคลื่อนที่ไปด้วยกัน แต่แผ่นโลหะบางและกล่องบรรจุแหล่งกำเนิดอนุภาคแอลฟาจะอยู่กับที่ด้านล่างของกล่องต่อกับท่อ T สำหรับสูบอากาศออกเพื่อให้ภายในกล่อง B เป็นสุญญากาศ

                ในการทดลองไกเกอร์และมาร์สเดนได้จัดให้กลุ่มอนุภาคแอลฟาพุ่งออกจากกล่อง R เป็นลำเล็กๆ สู่แผ่นโลหะบาง และโลหะที่ใช้ได้แก่ ทองคำ เงิน และ แพลทินัม อนุภาคแอลฟาที่ทะลุผ่านแผ่นโลหะบางจะถูกตรวจจับโดยฉาก S โดยให้อนุภาคแอลฟาตกกระทบสังกะสีซัลไฟด์บนฉาก S ทำให้เกิดจุดสว่างซึ่งสามารถสังเกตเห็นได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์

                การทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดพบว่า อนุภาคแอลฟาเกือบทั้งหมดได้ทะลุผ่านแผ่นทองคำ โดยมีการเบี่ยงเบนน้อยมากมีอนุภาคส่วนน้อยที่เบนไป และเป็นที่แปลกใจของรัทเทอร์ฟอร์ดว่า อนุภาคที่เบนไปนี้เบนไปเป็นมุมโตได้ถึง 90 องศาและโตมากกว่า 90 องศาหรือกลับทิศก็มีดังรูป 19.13

รูป 19.13 แนวทางที่อนุภาคแอลฟาเคลื่อนที่เข้าไปในอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด

 

                - วิเคราะห์ผลการทดลองของไกเกอร์และมาร์สเดน โดยใช้แบบจำลองอะตอมของทอมสันได้หรือไม่ 

รัทเทอร์ฟอร์ดได้วิเคราะห์ผลการทดลองของไกเกอร์และมาร์สเดน และเสนอความคิดว่าถ้าโครงสร้างอะตอมเป็นไปตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน อนุภาคแอลฟาที่มีประจุไฟฟ้าบวกเมื่อเคลื่อนที่ผ่านอะตอมตามแบบจำลองอะตอมของทอมสันจะถูกแรงผลักจากประจะไฟฟ้าบวกและแรงดูดจากประจุไฟฟ้าลบของอิเล็กตรอนที่กระจายอยู่ทั่วกระทำ ดังนั้นแรงลัพธ์ที่อะตอมกระทำต่ออนุภาคแอลฟาจะน้อยมาก ทำให้แนวการเคลื่อนที่ของอนุภาคแอลฟาไม่เบนเบี่ยงมาก

                 ในการวิเคราะห์การทดลองนี้รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้ผลสรุปว่า โครงสร้างอะตอมไม่เป็นตามแบบจำลองอะตอมของทอมสัน และเพื่อให้เห็นภาพของเหตุการณ์ ศึกษาได้จากกิจกรรม 19.2            

รัทเทอร์ฟอร์ดจึงได้เสนอแบบจำลองอะตอมใหม่ว่า อะตอมประกอบด้วยประจุไฟฟ้าบวกรวมกันที่ศูนย์กลาง ซึ่งเรียกว่า นิวเคลียส และเป็นที่รวมของมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม และมีอิเล็กตรอนซึ่งมีมวลน้อยมากเคลื่อนที่อยู่รอบนอกขนาดของอะตอมจึงขึ้นกับบริเวณที่อิเล็กตรอนอยู่ ซึ่งนับว่าใหญ่กว่านิวเคลียสมาก บริเวณที่อิเล็กตรอนอยู่จึงโปร่งต่อการเคลื่อนที่ผ่านของอนุภาคแอลฟา

การคำนวณหาจำนวนอนุภาคแอลฟาที่เบนทำมุมต่างๆ กับแนวเดิมโดยยึดตามแบบจำลองอะตอมที่รัทเทอร์ฟอร์ดเสนอ สอดคล้องกับผลการทดลองและสามารถอธิบายได้ว่าการที่อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่เบนไปจากแนวเดิมน้อย เพราะนิวเคลียสในอะตอมมีขนาดเล็กมาก ทำให้อนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่ผ่านนิวเคลียสที่ระยะห่าง ดังนั้นแรงผลักระหว่างประจุบวกจึงมีค่าน้อย อนุภาคแอลฟาจึงเบนไปจากแนวเดิมน้อย แต่ก็มีอนุภาคแอลฟาบางตัวที่เคลื่อนที่เบนไปจากแนวเดิมเป็นมุมใหญ่หรือสะท้อนกลับทางเดิม ถึงแม้ว่าอนุภาคแอลฟาที่เคลื่อนที่ผ่านอะตอม จะถูกแรงผลักจากประจุไฟฟ้าบวกในนิวเคลียสกระทำแล้ว มันยังถูกแรงดึงดูดจากอิเล็กตรอนกระทำด้วย แต่เพราะอนุภาคแอลฟามีมวลมากกว่าอิเล็กตรอนมาก โมเมนตัมของมันในการชนจึงมีค่ามาก ทำให้อนุภาคแอลฟาเปลี่ยนแนวการเคลื่อนที่น้อย แรงดึงดูดนี้จึงแทบไม่มีผลต่อการเบี่ยงเบนของอนุภาคแอลฟาเลย

จากการคำนวณ รัทเทอร์ฟอร์ดแสดงว่านิวเคลียสมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ  เมตร10^ {- 15} - 10^{ - 14}  ในขณะที่อะตอมมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ10^{-10} 1.96x10^4 ดังนั้นขนาดของอะตอมจึงใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียสประมาณหนึ่งแสนเท่า ดังนั้นหากเทียบให้นิวเคลียสมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มิลลิเมตร อะตอมจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 100 เมตร

                - ถ้านิวเคลียสมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 เซนติเมตร อะตอมจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางกี่กิโลเมตร

รูป 19.14 อะตอมที่ไม่เสถียร

 

                แม้แบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดจะทำให้เราเข้าใจโครงสร้างอะตอมมาก แต่ก็ยังไม่สามารถตอบคำถามที่ว่า"เหตุใดอิเล็กตรอนที่วิ่งวนรอบนิวเคลียสจึงไม่สูญเสียพลังงาน"

 

                เพราะจากทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่โดยมีความเร่งจะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ซึ่งจะยังผลให้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนลดลง ดังนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ช้าลงและในที่สุดจะถูกนิวเคลียสดึงดูดเข้าไปรวมกับนิวเคลียสดังรูป 19.14 ทำให้อะตอมที่มีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ลักษณะนี้ไม่เสถียร

นอกจากนี้ยังมีคำถามอื่นๆอีก เช่น กรณีอะตอมที่มีอิเล็กตรอนจำนวนมาก การจัดเรียงตัวของอิเล็กตรอนจะเป็นอย่างไร เหตุใดประจุไฟฟ้าบวกหลายประจุจึงอยู่รวมกันในนิวเคลียสได้ทั้งๆ ที่มีแรงผลักกัน คำถามเหล่านี้แสดงให้เห็นความไม่สมบูรณ์ของแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ด ดังนั้นนักฟิสิกส์จึงพยายามหาทฤษฎีอะตอมที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น