Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Προβλήματα ευστάθειας

Το 1910 η επιστημονική κοινότητα εκτιμά ότι το μοντέλο του Thomson για τη δομή του ατόμου έχει το σημαντικό πλεονέκτημα να μην παρουσιάζει προβλήματα ευστάθειας. Ένα άλλο μοντέλο το οποίο θα μπορούσε να χαρακτηριστεί «πλανητικό» έχει ήδη προταθεί από το 1905 (Nagaoka) . Στο πλανητικό αυτό μοντέλο το θετικό φορτίο είναι συγκεντρωμένο στο κέντρο του ατόμου και τα ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω του. Το μοντέλο παρουσίαζε σοβαρά προβλήματα ευστάθειας διότι τα περιφερόμενα ηλεκτρόνια (ως σωματίδια με φορτίο και με επιτάχυνση) θα έπρεπε να ακτινοβολούν και να χάνουν διαρκώς ενέργεια. Εξ αιτίας αυτού του προβλήματος το πλανητικό μοντέλο δεν είχε παρά ελάχιστους οπαδούς μεταξύ των φυσικών. Η κατάσταση θα μπορούσε να ανατραπεί μόνο εάν ενισχυόταν από κάποιο σημαντικό πειραματικό δεδομένο.

Ραδιενεργό υλικό και λεπτό φύλλο χρυσού

Αυτό ακριβώς επεχείρησε να κάνει ο Ernest Rutherford μέσα από τη σκέψη ότι η ραδιενέργεια α (την οποία είχε εις βάθος ερευνήσει) θα μπορούσε να προσφέρει καινούργιες δυνατότητες για μία εργαστηριακή διερεύνηση της εσωτερικής δομής του ατόμου.

Το κρίσιμο πείραμα έγινε από τους Geiger και Marsden στο πανεπιστημιακό εργαστήριο του Μάντσεστερ υπό την καθοδήγηση του Rutherford. Τα υλικά ήταν ένα ραδιενεργό παρασκεύασμα, ένα λεπτό φύλλου χρυσού και ένας μετρητής. Η βασική ιδέα ήταν ο βομβαρδισμός του φύλλου χρυσού με «βλήματα άλφα» προερχόμενα από το ραδιενεργό παρασκεύασμα. Ο μετρητής, τοποθετούμενος σε διάφορες γωνίες, πρόσφερε τη δυνατότητα να μετρηθεί η γωνιακή κατανομή της σκεδαζόμενης δέσμης.

Το μεταλλικό φύλλο όφειλε να είναι λεπτό, ώστε τα σωματίδια α να περάσουν, μέσα από αυτό, με πολύ μικρή πιθανότητα να σκεδαστούν σε δύο ή και περισσότερα άτομα.

Ο χρυσός επελέγη για δύο λόγους. Ο ένας είναι η εμπειρία της επεξεργασίας του χρυσού σύμφωνα με την οποία «είναι δυνατή» η κατασκευή ενός πολύ λεπτού φύλλου χρυσού πολύ λεπτού , σαν τσιγαρόχαρτο. Ο άλλος είναι ότι κάθε άτομο χρυσού –συγκρινόμενο με ένα σωμάτιο άλφα- έχει ιδιαίτερα μεγάλη μάζα, ώστε να πραγματοποιηθεί μετρήσιμη σκέδαση σε αρκετά μεγάλες γωνίες.

Μέρες του 1911.

Αναμνήσεις του Rutherford, 25 χρόνια μετά.

Τις προηγούμενες μέρες ερευνούσαμε τη σκέδαση σωματιδίων άλφα και ο δόκτωρ Γκάιγκερ, στο μικρό μας εργαστήριο, είχε μελετήσει το ζήτημα λεπτομερώς. Είχε διαπιστώσει ότι ο σκεδασμός σωματιδίων σε λεπτά φύλλα από βαρύ μέταλλο ήταν κατά κανόνα ελάχιστος, συνήθως της τάξεως της μιας μοίρας. Μια μέρα ο Γκάιγκερ ήρθε και μου είπε: «Ο νεαρός Μάρσντεν, στον οποίο αυτή την εποχή έχω αναθέσει την έρευνα φαινομένων ραδιενέργειας θα μπορούσε να αρχίσει μία πιο διεξοδική έρευνα πάνω στη σκέδαση των σωματιδίων άλφα». Ποια είναι η γνώμη σας;» Είχα την ίδια γνώμη, γι αυτό του απάντησα «Να του ζητήσουμε να ερευνήσει μήπως ορισμένα σωματίδια άλφα σκεδάζονται υπό μεγάλες γωνίες» Ομολογώ πάντως ότι δεν πίστευα πως κάτι τέτοιο θα μπορούσε να συμβεί. Ξέραμε ότι τα σωματίδια άλφα ήταν βαριά σωματίδια πολύ μεγάλης ταχύτητας και η πιθανότητα να σκεδαστούν από κάποια υποτιθέμενη συσσωρευμένη ύλη ήταν από ελάχιστη έως ανύπαρκτη. Θυμάμαι ωστόσο ότι δύο ή τρεις μέρες αργότερα ήρθε ο Γκάιγκερ φανερά συγκινημένος και μου είπε: « Καταφέραμε τελικά και διαπιστώσαμε ότι ορισμένα σωματίδια άλφα κυριολεκτικά επιστρέφουν πίσω».

Ήταν το πιο απίστευτο πράγμα που είχε ποτέ συμβεί μέσα σε εργαστήριο. Ήταν το ίδιο απίστευτο ΣΑΝ ΝΑ ΠΥΡΟΒΟΛΟΥΣΕΣ ΕΝΑ ΦΥΛΛΟ ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ Η ΣΦΑΙΡΑ ΝΑ ΕΚΑΝΕ ΓΚΕΛ ΣΤΟ ΧΑΡΤΙ ΚΑΙ ΝΑ ΓΥΡΙΖΕ ΠΙΣΩ ΝΑ ΣΕ ΣΚΟΤΩΣΕΙ. Στοχαζόμενος πάνω σ’ αυτό κατέληξα στο ότι η επιστροφή του σωματιδίου δεν μπορεί παρά να είναι η συνέπεια μιας μοναδικής σύγκρουσης. Κάνοντας,. Στη συνέχεια, τους υπολογισμούς κατέληξα στο συμπέρασμα ότι ήταν αδύνατον να θεωρήσουμε οτιδήποτε άλλο εκτός από το ότι ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΟ ΚΑΘΕ ΑΤΟΜΟΥ, σε κάποιον πυρήνα, ΗΤΑΝ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΜΕΝΟ ΤΟ ΜΕΓΙΣΤΟ ΠΟΣΟΣΤΟ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ. Ήταν τότε που συγκρότησα την ιδέα ενός ατόμου με μικροσκοπικό πυρήνα με ηλεκτρικό θετικό φορτίο.

Παρά τις σοβαρές αδυναμίες του το πλανητικό μοντέλο του Rutherford ήταν το πρώτο μοντέλο ατόμου που βασιζόταν σε εργαστηριακά δεδομένα.

Στα χρόνια που ακολούθησαν έλαβε χώρα η σημαντική παρέμβαση του Niels Bohr αλλά από τις νέες ιδέες που περιείχε το μοντέλο του Rutherford εκείνη για την ύπαρξη ενός πυρήνα δεν ανετράπη ποτέ. Την ίδια περίπου εποχή η ιδέα για ένα πυρήνα με θετικό φορτίο εμπλουτίστηκε από την παραδοχή ότι κάθε ατομικός πυρήνας έχει με τη σειρά του κάποια δομή. Αποτελείται από πρωτόνια.

Η ανακάλυψη του ΠΡΩΤΟΝΙΟΥ