The SEENET-MTP Seminar: Trends in Modern Physics 19–21 August 2011, Niš, Serbia Talk by Branko Dragovich, Institute of Physics, Belgrade

1. ´
ERNEST RADERFORD I OTKRICE
ATOMSKOG JEZGRA
Branko Dragovi´ c
http://www.ipb.ac.rs/˜ dragovich
dragovich@ipb.ac.rs
Institut za fiziku
Beograd
Seminar za nastavnike fizike:
Savremene metode nastave fizike
19 - 21. 08. 2011
Niˇs
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 1/15

2. “Rodjenje” atomskog jezgra 1911. g.
E. Rutherford (1871-1937)
1 7. marta 1911. godine na sednici Manˇ esterskog
c
knjiˇ evnog i filozofskog druˇ tva Ernest Rutherford je
z s
odrˇ ao predavanje o rasejanju α− i β−zraka na folijama
z
zlata i strukturi atoma.
2 Rad je publikovan u aprilu u Proceedings of the
ˇ
Manchester Literary and Philosophical Society, a sira
ˇ
verzija je stampana u majskom broju Philosophical
Magazine 21 (6), 669–688 (1911).
3 ˇ
Ovi dogadjaji su objavili coveˇ anstvu “rodjenje” atomskog
c
jezgra i poˇ etak nuklearne ere.
c
4 c ˇ
Za ovakvo otkri´ e bio je potreban pravi covek, u pravo
vreme i na pravom mestu. Bio je to Ernest Rutherford.
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 2/15

3. ´
Model atoma pre otkrica jezgra
1 Tokom 19. veka iskristalisao se pojam atoma u vidu
strukturne jedinice hemijskog elementa.
2 ¨
1895. W.C. Rontgen otkrio X-zrake, a 1896. A.H.
Becquerel otkrio prirodnu radioaktivnost.
3 1897. g. J.J. Thompson je otkrio elektron.
4 1904. g. Thomson uvodi “pudinski” model atoma: atom je
u obliku pudinga sfernog oblika ravnomerno pozitivno
naelektrisanog unutar kojeg su ravnomerno rasporedjeni
elektroni, tako da je atom kao celina neutralan.
5 1909. g. eksperimenti Geigera i Marsdena (pod
rukovodstvom Rutherforda) sa rasejanjem α-ˇ estica na
c
folijama zlata ne potvrdjuje “pudinski” model.
J.J. Thompson (1856-1940) Plum pudding model
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 3/15

4. ´
Ernest Rutherford (1871-1937): 100 g. od otkrica
atomskog jezgra i 140 g. od rodjenja.
Periodi zivota prema mestu boravka
ˇ
1 1871-1895: New Zealand.
2 1895-1898: Cavendish Laboratory, University of
Cambridge, England.
3 1898-1907: McGill University, Montreal, Canada.
4 1907-1919: University of Manchester, England.
5 1919-1937: Direktor Cavendish Laboratory, University of
Cambridge, England.
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 4/15

5. 1. PERIOD. 1871-1895: New Zealand.
ˇ
Deda i otac doselili se iz Skotske na Novi Zeland u potrazi
za boljim zivotom.
ˇ
30 avgusta 1871. god. rodio se Ernest Rutherford (blizu
grada Nelson) kao 4. od 12-ero dece. Samo je Ernesta
sudbina bogato obdarila.
ˇ
Skolu i studije je zavrˇ io odliˇ no i kao najbolji.
s c
ˇ
U toku skolovanja pokazivao je izrazit interes za
matematiku i fiziku, ali i za druge predmete. Ve´ kao
c
student istakao se istraˇ ivanjem detekcije
z
elektromagnetnih talasa.
ˇ
Posle studija predaje u srednjoj skoli.
1895. dobija prestiˇ nu stipendiju i odlazi u Kevendiˇ
z s
laboratoriju, Univerzitet u Kembridˇ u, Engleska.
z
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 5/15

6. 2. PERIOD. 1895-1898: Cavendish Laboratory,
University of Cambridge, England.
Radi u grupi Tomsona. Nastavlja da radi na detekciji
elektromagnetnih talasa i napravio 1896. g. detektor koji
ˇ
registruje ELM-talase na rastojanju 3 km, sto je tada bio
svetski rekord.
U periodu 1895-1897. dogodila su se 3 krupna otkri´ a:
c
Rentgenski zraci (1895), Bekerelovi zraci (1896),
Tomsonovo otkri´ e elektrona (1897).
c
Raderford napuˇ ta istraˇ ivanja detekcije elektromagnetnih
s z
talasa i posve´ uje se istraˇ ivanju Bekerelovih zraka.
c z
Stavlja Bekerelove zrake pod elektriˇ no i magnetno polje i
c
zakljuˇ uje da postoje tri komponente koje naziva alfa
c
ˇ ˇ
cestice, beta cestice i potom joˇ gama zraci. Time se
s
zavrˇ ava njegov prvi period boravka u Kevendiˇ
s s
laboratoriji.
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 6/15

7. 3. PERIOD. 1898-1907: McGill University, Montreal,
Canada.
Raderford nastavlja rad na izuˇ avanju radioaktivnosti.
c
Uvodi pojam polu-ˇ ivota radioaktivnih elemenata.
z
Pokazuje (u saradnji s hemiˇ arem Frederiko Sodi) da je
c
prirodna radiaktivnost spontana transmutacija nekih
hemijskih elemenata.
Radi na utvrdjivanju hemijskog sastava α-ˇ estica i
c
demonstrira da su to atomi helijuma bez 2 elektrona.
1900. g. odlazi na odmor u Novi Zeland i vra´ a se
c
ˇ
oˇ enjen. 1903. g. je izabran za clana Londonskog
z
kraljevskog druˇ tva (engleska akademija nauka).
s
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 7/15

8. 4. 1907-1919: University of Manchester, England.
Nastavlja rad sa α-ˇ esticama, naroˇ ito rasejanje α-ˇ estica
c c c
na fojijama zlata i nekih drugih metala.
1908. g. dobija Nobelovu nagradu iz hemije ”for his
investigations into the disintegration of the elements, and
the chemistry of radioactive substances”. Raderford: ”Imao
sam posla sa mnogim transformacijama sa raznim
periodima, ali najbrˇ a od svih je moja sopstvena
z
transformacija za jedan momenat iz fiziˇ ara u hemiˇ ara”.
c c
1911. g. Raderford objavljuje svoje najve´ e otkri´ e –
c c
otkri´ e atomskog jezgra.
c
1917. g. Raderford (kao prvi pravi alhemiˇ ar) vrˇ i prve
c s
eksperimente iz veˇ taˇ ke transmutacije elementa u
s c
nuklearnoj reakciji
α + 14 N → 17 O + p,
ˇ
gde je p konstituent jezgra i naziva tu cesticu proton.
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 8/15

9. “Anatomija” atoma – eksperimenti sa rasejanjem
ˇ
α-cestica
Od 1909. g. eksperimenti (Geigera i Marsdena pod
rukovodstvom Rutherforda) rasejanja α- i β-ˇ estica iz
c
radiuma na folijama zlata i nekih drugih metala.
Nerelativistiˇ ki izraz za diferencijalni efikasni presek
c
2
Ze2
dσ(θ) = dΩ
8πε0 mv 2 sin2 θ
2
Šema aparature Rasejanje alfa-zraka
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 9/15

10.
Hans Geiger (1882‐1945) Ernest Marsden (1889‐1970)
Geiger i Rutherford (1912)
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 10/15

11. Prva strana rada Phil. Mag. 21 (6), 669–688 (1911).
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 11/15

12. ˇ
Procena velicine jezgra
Radijus jezgra je oko 104 puta manji od radijusa atoma.
2e · Ze
E= , E ∼ 5Mev , R ∼ 10−12 cm
4πε0 R
Skoro sva masa atoma (viˇ e od 99,9%) je skoncentrisana
s
u jezgru.
Sve pozitivno naelektrisanje je u jezgru atoma i jednako
Q = Ze.
Poˇ etni (Rutherfordov, planetarni) izgled atoma
c
Rutherfordov atom
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 12/15

13. Saturnski Nagaoka model atoma (1904)
Hantaro Nagaoka (1865‐1950) Saturnski Nagaoka model atoma (1904)
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 13/15

14. 5. PERIOD. 1919-1937: Direktor Cavendish
Laboratory, University of Cambridge, England.
Nastavlja rad u nuklearnoj fizici. Rukovodi Kevendiˇs
ˇ
laboratorijom, gde se skoluju mnogi istaknuti nuklearni i
drugi fiziˇ ari.
c
1920. predvideo postojanje neutrona u jezgru, kojeg je
ˇ
1932. otkrio Cedvik (J. Chadwick).
1925-30. Predsednik Royal Society of London.
1931. dobio titulu “The Lord Rutherford of Nelson”.
Umro 1937. i sahranjen u Westminster Abbey (London)
pored Njutna, Faradeja, Darvina, Kelvina...
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 14/15

15. ˇ
Kratak zakljucak
E. Rutherford je otac nuklearne fizike: 1) pokazao da je
radioaktivnost spontana dezintegracija atoma; 2) otkrio
strukturu atoma; 3) prvi uspeˇ an alhemiˇ ar.
s c
http://youtu.be/wzALbzTdnc8
H V A L A
Beograd - 2011 ´
B. Dragovic Nuklearno jezgro 15/15