Bài giảng Điện học (Phần 8)

2.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Tình huống lúc này dẫn đến khám phá không mong đợi là phần tích điện dương của nguyên tử là một cục nhỏ xíu, đậm đặc, nằm ở chính giữa nguyên tử chứ không phải là “bột bánh” trong mô hình bánh bông lan rắc nho.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Điện học (Phần 8) Bài giảng Điện học (Phần 8) 2.2 Mẫu hành tinh nguyên tử Tình huống lúc này dẫn đến khám phá không mong đợi là phần tích điệndương của nguyên tử là một cục nhỏ xíu, đậm đặc, nằm ở chính giữa nguyên tửchứ không phải là “bột bánh” trong mô hình bánh bông lan rắc nho. Vào năm 1909,Rutherford là một giáo sư mới được phong, và có sinh viên làm việc dưới sựhướng dẫn của ông. Đối với chàng sinh viên non nớt tên là Marsden, anh ta đãchọn một dự án nghiên cứu vốn được xem là chán ngắt nhưng dễ thực hiện. Lúc này, mặc dù người ta biết rằng hạt alpha sẽ bị dừng lại bởi một tấm giấy,nhưng chúng có thể xuyên qua một lá kim loại đủ mỏng. Marsden nghiên cứu vớilá vàng chỉ dày 1000 nguyên tử. (Lá vàng đó có thể chế tạo bằng cách cho bốc hơimột ít vàng trong buồng chân không sao cho một lớp mỏng vàng sẽ lắng trên mộtbản kính thủy tinh hiển vi. Sau đó, lá vàng được tách khỏi bản kính bằng cách dìmbản kính vào trong nước). Rutherford vừa xác định được trong những thí nghiệm trước đó của ông vềtốc độ của hạt alpha do radium phát ra, một tốc độ vô cùng lớn: 1,5 x 107 m/s.Những người thí nghiệm trong nhóm làm việc của Rutherford hình dung chúng lànhững quả đại bác rất nhỏ, rất nhanh đâm xuyên qua phần “bột bánh” của nguyêntử vàng to lớn. Một mảnh giấy có bề dày cỡ một trăm ngàn nguyên tử hay ngần ấysẽ đủ để làm dừng chúng hoàn toàn, nhưng việc đâm qua một lớp dày 1000nguyên tử cũng chỉ làm chúng chậm đi chút ít và làm chúng hơi lệch khỏi đường điban đầu của mình. Nhiệm vụ được cho là chán ngắt của Marsden là sử dụng thiết bị trong hìnhg/ đo xem bao lâu thì những hạt alpha lại bị lệch ở những góc khác nhau. Một cụcradium nhỏ xíu nằm trong hộp phát ra hạt alpha, và một chùm hạt mỏng được tạora bằng cách chặn lại hết hạt alpha, trừ những hạt xuất hiện đi thẳng qua ống.Thường thì bị lệch ở lá vàng chỉ một chút ít, nên chúng sẽ đi tới màn hình rất giốngvới màn hình của ống đèn hình ti vi, chúng sẽ gây ra lóe sáng khi chạm lên đó. Đâylà ví dụ đầu tiên mà chúng ta bắt gặp của một thí nghiệm trong đó một chùm hạt làđối tượng bị phát hiện tại một thời điểm. Có thể thực hiện được điều này vì mỗihạt alpha mang quá nhiều động năng, nên chúng chuyển động ở khoảng chừng tốcđộ như các electron trong thí nghiệm của Thomson, nhưng chúng có khối lượnglớn hơn chục ngàn lần. Marsden ngồi trong phòng tối, theo dõi thiết bị từ giờ này sang giờ khác vàghi lại số lóe sáng trên màn hình di chuyển sang những góc khác nhau. Tốc độ lóesáng là cao nhất khi ông đặt màn hình ở góc gần với đường đi thẳng ban đầu củahạt alpha, nhưng nếu ông dõi theo một vùng nằm ngoài bản kính, thỉnh thoảng ôngcũng nhìn thấy một hạt alpha bị lệch ở một góc lớn. Sau khi nhìn thấy một vài hạtnhư thế này, ông đi đến một ý tưởng điên rồ là di chuyển màn hình sang nhìn nếunhững góc lớn hơn nữa cũng xuất hiện hạt alpha, có lẽ cả những góc lớn hơn 90 độ. h/ Hạt alpha bị tán xạ bởi một hạt nhân vàng. Ở quy mô này, nguyên tử vàngcó kích thước của một chiếc xe hơi, vì thế tất cả các hạt alpha biểu diễn trong hình đều tiến gần một cách khác thường đến hạt nhân vàng. Đối với những hạt alpha khác thường này, lực điện do các electron tác dụng là không quan trọng, vì chúng nằm xa hơn hạt nhân rất nhiều. Ý tưởng điên rồ đó có tác dụng: một vài hạt alpha bị lệch ở góc lên tới 180 độ,và thí nghiệm bình thường trở thành thí nghiệm mang tính lịch sử. Rutherford nói“Chúng tôi có thể thu được một số hạt alpha dội ngược trở lại. Nó hầu như khôngthể tin được, như thể bạn bắn một quả đạn 15 inch lên một miếng giấy và nó baytrở lại và chạm vào bạn”. Khó có lời giải thích nào theo như mô hình bánh bông lanrắc nho. Lực điện mạnh mẽ nào đã có thể làm cho một số hạt alpha, đang chuyểnđộng ở tốc độ cực lớn như thế, thay đổi một cách quá đột ngột ? Vì mỗi nguyên tửvàng là trung hòa điện, nên nó sẽ không thể tác dụng lực lớn lên một hạt alphanằm bên ngoài nó. Thật vậy, nếu hạt alpha ở rất gần hay nằm bên trong mộtnguyên tử nhất định, thì lực đó sẽ không nhất thiết phải triệt tiêu hoàn toàn; nếuhạt alpha tiến rất gần đến một electron nhất định, thì dạng thức 1/r2 của định luậtCoulomb sẽ mang lại lực rất mạnh. Nhưng Marsden và Rutherford đã biết một hạtalpha nặng hơn 8000 lần một electron, và thật đơn giản là không thể nào một vậtcó khối lượng lớn hơn bị nảy trở lại từ sự va chạm với một vật nhẹ hơn trong khinăng lượng và xung lượng vẫn bảo toàn. Về nguyên tắc, có khả năng một hạt alphađi theo một quỹ đạo rất gần một electron, và rồi rất gần với một electron khác, vàcứ thế, với kết quả cuối cùng là bị lệch đi một góc lớn, nhưng những tính toán cẩnthận cho thấy nhiều “chạm trán gần gũi” như thế với electron sẽ quá hiếm hơnhàng triệu lần để giải thích cái thật sự quan sát thấy. Ở đây, Rutherford và Marsden đã làm xuất hiện một mẫu nguy ên tử khôngđược phổ biế ...