Το πλανητικό μοντέλο του Rutherford παρουσιάζει ιδιαίτερο διδακτικό ενδιαφέρον γι αυτό και διατηρείται στα Προγράμματα Σπουδών των ελληνικών Λυκείων αλλά και των αντίστοιχων σχολείων των Ευρωπαϊκών χωρών. (Το ίδιο ισχύει και για το μοντέλο του Bohr)

Με τη διδασκαλία του επιδιώκεται

1. Να μπορούν, οι διδασκόμενοι, να περιγράφουν τα εργαστηριακά δεδομένα στα οποία βασίστηκε η συγκεκριμένη πρόταση

2. Να είναι σε θέση να περιγράφουν το συγκεκριμένο μοντέλο και να το συγκρίνουν με το αντίστοιχο του ηλιακού συστήματος.

3. Να μπορούν να διακρίνουν ότι το προτεινόμενο μοντέλο δεν εναρμονίζεται με ορισμένα από τα στοιχεία της προϋπάρχουσας ΑΠΟΔΕΚΤΗΣ ΘΕΩΡΙΑΣ αλλά και με ορισμένα από τα ΕΜΠΕΙΡΙΚΑ ΔΕΔΟΜΕΝΑ.

4. Να αναγνωρίσουν τη ΔΙΑΠΛΟΚΗ ΕΜΠΕΙΡΙΑΣ ΚΑΙ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΣΚΕΨΗΣ η οποία οδηγεί στην οικοδόμηση της επιστήμης.

Ο διδάσκων παρουσιάζει το ζήτημα με τη μορφή τριών ερωτημάτων

α. Ποιο ήταν το μοντέλο του Ράδερφορντ για τη δομή του ατόμου;

β. Που βασίστηκε;

γ. Ποιες ήταν οι αδυναμίες του;

Προκειμένου για την εσωτερική δομή του ατόμου, ο Rutherford, το 1911, προτείνει ένα μοντέλο το οποίο θα χαρακτηριστεί πλανητικό, δεδομένου ότι θυμίζει μικρογραφία του ηλιακού συστήματος. Σύμφωνα με την πρόταση, το άτομο συγκροτείται από έναν πυρήνα με θετικό φορτίο, γύρω από τον οποίο περιφέρονται ηλεκτρόνια καθένα τους με αρνητικό φορτίο και με μάζα ελάχιστη συγκριτικά με εκείνη του πυρήνα. Η πρόταση προέκυψε από έναν ενδιαφέροντα συνδυασμό εμπειρίας και θεωρητικής σκέψης.

Η εργαστηριακή εμπειρία

α. Το πείραμα (1911) των Geiger-Marsden.

(Βομβαρδισμός φύλλων χρυσού με σωματίδια α)

β. Το υλικό της φασματοσκοπίας.

Η θεωρητική σκέψη

Βασίζεται σε δομές της κλασσικής φυσικής

1. Σε κάθε σωματίδιο ηλεκτρόνιο αποδίδεται αρνητικό φορτίο, μάζα αδρανείας και κίνηση σε κυκλική τροχιά με κεντρομόλο επιτάχυνση

2. Στο φορτίο κάθε ηλεκτρονίου ασκείται ελκτική δύναμη από το φορτίο του πυρήνα για την οποία ισχύει ο νόμος του Coulomb F= κe²/R²

3. Η δύναμη αυτή θεωρείται ως η μόνη ασκούμενη στο ηλεκτρόνιο δύναμη, είναι, με άλλα λόγια η συνισταμένη των ασκουμένων δυνάμεων. Σύμφωνα με τον νόμο του Νεύτωνα ο οποίος επίσης ισχύει θα είναι F=ma_κ

4. Για την κεντρομόλο επιτάχυνση αποδεικνύεται -με τη βοήθεια της Γεωμετρίας- ότι ισχύει α_κ = υ²/R.

5. Ως ενέργεια κάθε ηλεκτρονίου θεωρείται το άθροισμα της ΚΙΝΗΤΙΚΗΣ (ίσης με ½ mυ²) λόγω της κίνησης και της ΔΥΝΑΜΙΚΗΣ (ίσης με -κe²/R) λόγω της αλληλεπίδρασης του ηλεκτρικού φορτίου με το φορτίο του πυρήνα. Η τιμή της, βάσει όλων των παραπάνω εξισώσεων, υπολογίζεται ίση με -κe²/2R.

^{Σύμφωνα λοιπόν με το προτεινόμενο μοντέλο, το ηλεκτρόνιο}

^{α. έχει φορτίο και επιτάχυνση}

^{β. μπορεί να περιφέρεται σε οποιαδήποτε τροχιά γύρω από τον πυρήνα και να έχει οποιαδήποτε τιμή ενέργειας.}

(Το ζήτημα αναπτύσσεται με εξαιρετικό –κατά τη γνώμη μου- τρόπο από τον Στέφανο Τραχανά στην ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ , Πανεπιστημιακές εκδόσεις Κρήτης, από το οποίο και έχω χρησιμοποιήσει και μερικά βασικά αποσπάσματα)

1.Σύμφωνα με την αποδεκτή θεωρία Maxwell, κάθε σωματίδιο με φορτίο και επιτάχυνση εκπέμπει συνεχώς ακτινοβολία και- εφόσον αποδεχόμαστε τη διατήρηση της ενέργειας- η ενέργεια του περιφερόμενου ηλεκτρονίου θα ελαττώνεται. Για την κλασική φυσική το πλανητικό άτομο είναι, συνεπώς, ένα δημιούργημα με ιδιαιτέρως σύντομη ζωή.

α. Σύμφωνα με το υπάρχοντα φασματικά πειραματικά δεδομένα, το υδρογόνο εκπέμπει ακτινοβολίες με ένα συγκεκριμένο ρεπερτόριο συχνοτήτων. Το προτεινόμενο μοντέλο δεν μπορεί να ερμηνεύσει αυτό το γεγονός.

Από τη σκοπιά της διδακτικής ο διδακτικός στόχος είναι

να αναδείξουμε τη διαπλοκή εμπειρίας και θεωρητικού στοχασμού η οποία οδηγεί σε ενδεχόμενη οικοδόμηση της επιστήμης.

Οι δυσκολίες που ίσως αντιμετωπίσουμε είναι

a. το να μπορέσουμε να "θυμίσουμε" ότι κατά την ομαλή κυκλική κίνηση υπάρχει επιτάχυνση (κεντρομόλος) και

β. το να παρουσιάσουμε ταυτόχρονα τόσο πολλές έννοιες (κεντρομόλος επιτάχυνση, ηλεκτρικό φορτίο, ακτινοβολία, γραμμικό φάσμα, ενέργεια) και να απαιτήσουμε την αφομοίωσή τους.

2. Δεν είναι, όμως, μόνο το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

To μοντέλο του Rutherford δεν μπορεί να αντιμετωπίσει το "αίνιγμα" της σταθερότητας των ατόμων. Ακόμα κι αν μπορούσε να aαποκλειστεί η εκπομπή ακτινοβολίας, ένα άτομο που θα έμοιαζε με ηλιακό σύστημα θα ήταν -σε αντίθεση με το ηλιακό σύστημα- μια ασταθέστατη κατασκευή.

Από τη σκοπιά της διδακτικής, χρειάζεται να παρατηρήσουμε ότι

το πλανητικό ανάλογο μπορεί να «αποπλανήσει» τους νεαρούς μαθητές και τις νεαρές μαθήτριες.

Κι αυτό διότι το ηλιακό μας -λόγου χάριν- σύστημα βρίσκεται τόσο μακριά από τα υπόλοιπα ώστε τις βαρυτικές επιδράσεις να μπορούμε, (συγκρίνοντάς τις με τις αντίστοιχες ενδοπλανητικές) να τις αγνοήσουμε. Το ηλιακό μας δηλαδή σύστημα απομονωμένο σε κάποια γειτονιά του Σύμπαντος γράφει την ιστορία του χωρίς συγκρούσεις-αλληλεπιδράσεις με τα υπόλοιπα. Τα πράγματα είναι εντελώς διαφορετικά στην περίπτωση των ατόμων όπου η εικόνα είναι εντελώς διαφορετική. Σε κάθε δευτερόλεπτο "της ζωής του" κάθε "πλανητικό" ατομικό συγκρότημα -ευρισκόμενο σε αδιάκοπη θερμική κίνηση- συγκρούεται με κάποιο άλλο ατομικό συγκρότημα δισεκατομμύρια φορές. Εάν κάτι ανάλογο συνέβαινε σε δύο ηλιακά συστήματα τίποτα δεν θα έμενε όρθιο. Στην καλύτερη περίπτωση οι τροχιές των πλανητών θα είχαν τόσο διαταραχθεί που το σύστημα δεν θα θύμιζε σε τίποτα "αυτό που ήταν" πριν από τη σύγκρουση. Στον Μικρόκοσμο των ατόμων η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Κάθε ατομικό "πλανητικό" συγκρότημα βγαίνει από τις αδιάκοπες συγκρούσεις εντελώς αναλλοίωτο. Αυτό τουλάχιστον συμπεραίνουμε από τη χημική του συμπεριφορά. Ότι ένα τόσο ντελικάτο δημιούργημα του Σύμπαντος συγκρουόμενο αδιάκοπα παραμένει ευσταθές και αμετάβλητο. Η όλη εικόνα προκαλεί τον κοινό νου εφόσον αυτός επιμένει να καταφεύγει στην κλασική φυσική για να ερμηνεύσει τον κόσμο.

3. Εκτός όμως από τη σταθερότητα υπάρχει και το μυστήριο της ταυτότητας των ατόμων. Όλα - λόγου χάριν - τα άτομα ασβεστίου σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή και σε οποιοδήποτε σημείο του Σύμπαντος και να βρεθούν είναι ακριβώς τα ίδια.

Από τη σκοπιά της διδακτικής, ελάχιστα θα μας δυσκόλευε να πείσουμε τους νεαρούς μαθητές μας για το αναλλοίωτο της ταυτότητας εάν τα άτομα ήταν "δημοκρίτεια" άτομα, άφθαρτα, αδιάσπαστα και αιώνια. Αλλά δεν είναι. Τα άτομα διασπώνται και ανασυντίθενται. Καταστρέφονται και αναδημιουργούνται. Και παρόλα αυτά επανεμφανίζονται ίδια . Αν διασπάσουμε ένα άτομο νατρίου στον πυρήνα και στα ηλεκτρόνιά του και του "επιτρέψουμε" να ανασυγκροτηθεί, το νέο άτομο νατρίου θα είναι απαράλλαχτο με το παλιό. Αυτό που συνέβη δεν θα έχει αφήσει το παραμικρό ίχνος αλλοίωσης στη μορφή και στις ιδιότητες του "νέου" ατόμου νατρίου. Κάτι ανάλογο θα ήταν αδύνατο να συμβεί σε ένα ηλιακό σύστημα. Εάν δηλαδή συνέβαινε κάποια διάλυση, η πιθανότητα να αναδημιουργηθεί και να είναι όπως πριν θα ήταν μηδενική. Κάθε δηλαδή ηλιακό σύστημα είναι ένα μοναδικό και ανεπανάληπτο "δημιούργημα" των συνθηκών της γέννησής του.

Αξίζει τέλος να θυμίσουμε ότι τα μακροδημιουργήματα του Σύμπαντος έχουν παρελθόν και μέλλον. Έχουν ιστορία. Αυτό δεν ισχύει για τα "όντα" του Μικρόκοσμου. Τα άτομα του Υδρογόνου είναι ίδια από τότε που έκαναν την εμφάνισή τους στο Σύμπαν. Και θα παραμείνουν ίδια. Δεν θα "γεράσουν" ποτέ. Η μορφή τους είναι προκαθορισμένη. Προκαθορισμένη από τι; Για να απαντηθεί αυτό το ερώτημα χρειάστηκε μια επανάσταση. Η κβαντική επανάσταση.

Το προτεινόμενο, συνεπώς, μοντέλο δεν εναρμονίζεται

α. με ορισμένα στοιχεία της προϋπάρχουσας αποδεκτής θεωρίας και

β. με ορισμένα από τα εμπειρικά δεδομένα

Κάνοντας, τέλος, ΚΛΙΚ, πάνω στη λέξη ΚΛΙΚ θα «συναντηθείτε» με μία εικόνα την οποία μπορείτε να χρησιμοποιήσετε και ως ΔΙΑΦΑΝΕΙΑ στη διδασκαλία σας