Pregunta:
¿Cómo llegó Rutherford a la conclusión de que la mayor parte de la masa (así como la carga positiva) estaba concentrada en el núcleo?
Kunal Pawar
2017-04-13 10:56:13 UTC
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El experimento de Geiger y Marsden llevó a Rutherford a creer que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaba concentrada en una pequeña región.Entiendo qué lo llevó a concluir la forma en que se posiciona la carga positiva en el átomo.Pero, ¿cómo llegó a la conclusión de que la mayor parte de la masa estaba en una región pequeña (el núcleo)?

¿Qué importancia tiene la distribución de la masa, después de todo?Dado que la fuerza eléctrica es mayor que la fuerza gravitacional en muchas magnitudes, la fuerza entre la carga positiva y los electrones era predominantemente eléctrica.

Entonces, ¿cómo llegó Rutherford a la conclusión de que la mayor parte de la masa está en el núcleo?

Rutherford asumió que el núcleo objetivo no retrocedía cuando la partícula alfa interactuaba con él.
@Farcher ¿Simplemente una suposición?
Hay un efecto.http://www.sjsu.edu/faculty/watkins/scattering2.htm
Vea el experimento de dispersión de partículas alfa de lámina de oro de Rutherford.No responderé porque @Manish Sahu ya ha dado una buena explicación.
@Farcher Usar un supuesto de centro fijo para construir la sección transversal de comparación no significa que asumió la masa en el vacío.Si asume que el alfa interactúa elásticamente con un solo átomo, entonces un ángulo de dispersión mucho mayor que 90 grados fuerza la relación de masa sobre usted.Este es uno de los muchos resultados poderosos de la teoría clásica de la dispersión que se basa solo en la conservación de la energía y el impulso (un tema que tiende a quedarse corto ante la presión de un plan de estudios moderno, pero que eran bien conocidos).
@dmckee Entiendo el hecho de que una masa debe ser mucho mayor que la otra, pero dado que la distribución angular no es una función de la relación de masa, ¿se puede encontrar directamente un valor de orden de magnitud (o mejor) para la relación de masas deexperimento de dispersión?
Publicaré un comentario para aclarar cuál es mi duda.El modelo de Thompson propuso que la _masa_ ** y ** la _carga positiva_ se distribuyeran uniformemente en el átomo.Con los electrones siendo pasas en una especie de pudín de ciruelas.Además, cuando Rutherford realizó su experimento, se supo que las partículas alfa tenían energía para atravesar una distribución tan uniforme de _masa_ ** y ** _carga positiva_.Mi duda gira básicamente en torno al hecho de que la fuerza eléctrica es la clave en la interacción entre las partículas alfa y el "núcleo" (sugerido por Rutherford).
Dado que las partículas alfa rebotaron en muchos de los casos, es seguro que la mayor parte de la carga positiva se concentró en un pequeño volumen.Lo que me desconcierta es cómo se comprobó que esa misma región que contenía la carga positiva era también la que transportaba la mayor parte de la masa del átomo.¿No se podría haber pensado que la masa se distribuía uniformemente a través del átomo?Seguramente la masa no es tan significativa, ¿verdad?¿No se está produciendo una colisión real?Las partículas alfa se acercan lo más posible sin tocar el "núcleo".
Thompson dijo que _mass_ ** y ** _positive_ charge se distribuyen uniformemente.Seguramente, las partículas alfa tenían energía para superar una distribución de masa uniforme si no la carga positiva (porque la carga positiva estaba en una región pequeña).Solo estoy siendo estúpido aquí, pero nadie podría haber hecho creer que la masa se distribuye uniformemente a través del átomo, solo que la carga positiva está centrada en algo llamado _núcleo_.Disculpas por toda la estupidez.
@Farcher La distribución angular en el marco del centro de masa no es una función de la masa, relación, pero en el marco del laboratorio ciertamente lo es.En particular, el ángulo de dispersión del marco de laboratorio más grande posible es $ \ psi_ {max} = \ arcsin (m_2 / m_1) $ (ver, por ejemplo, la línea 389 de http://farside.ph.utexas.edu/teaching/336k/Newtonhtml/node52.html) que muestra cualquier dispersión hacia atrás implica que el objetivo es más pesado que la partícula incidente.Obtener la proporción de masa a partir de los datos es más difícil y requiere muchas estadísticas.Pero Rutherford estaba en un terreno razonablemente sólido asumiendo que todo lo que no era un electrón estaba en el núcleo.
@KunalPawar * "Seguramente la masa no es tan significativa, ¿verdad?" * Debe conservarse el momento.Cada cambio en la velocidad de la partícula incidente se refleja en un cambio de sentido opuesto en la velocidad del objetivo, pero la proporción del tamaño de esos cambios depende totalmente de sus masas relativas.
@dmckee De acuerdo.Debe conservarse el impulso.Repito: ¿no se podría haber pensado que la masa es uniforme en todo el átomo mientras la carga está confinada a algo llamado _núcleo_?
@dmckee Gracias por el enlace y su explicación muy clara.
@Kunal Tomemos eso en serio por un momento.Usted está proponiendo que (a) la carga está clavada en la masa pesada (* debe * ser * o la dispersión no tendría el carácter observado), pero (b) ocupa solo una parte del volumen de esa masa y (c) la masa que sobresale de la carga no afecta a ninguna parte del proceso de dispersión.En otras palabras, la dispersión es como si la masa y la carga coincidieran, pero no lo hacen de una manera inconmensurable.La navaja de Occam / el principio de parsimonia nos dice que dejemos de lado esa suposición hasta que haya alguna razón para hacerlo.
@dmckee Así que es exactamente lo que pensé que estaba haciendo, siendo estúpido. Básicamente, mi suposición no tiene fundamento porque no hay observaciones que requieran tal suposición.
Ciertamente, la fuerza gravitacional es irrelevante, pero la inercia / momento no lo es.
Tres respuestas:
Diracology
2017-04-13 17:22:16 UTC
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Este es un buen ejemplo de cómo funciona la ciencia.

Geiger y Marsden observaron que algunas de las partículas alfa se estaban dispersando. Esto es inconcebible si la partícula alfa es dispersada por una partícula más ligera.

Si se considera una partícula de masa $ m $ y velocidad inicial $ v_1 $ golpeando un objetivo de masa $ m '$ en reposo, sin cambiar su dirección, entonces su velocidad final $ v_2 $ puede asumir dos valores posibles, $$ v_2 = v_1, \ quad \ mathrm {o} \ quad v_2 = -v_1 \ left (\ frac {m'-m} {m '+ m} \ right). $$ La segunda solución da que la retrodispersión solo es posible si el objetivo tiene una masa mayor que la partícula incidente. En ese momento, se sabía que la masa del electrón era mucho más pequeña que la masa de la partícula alfa, por lo que un evento de retrodispersión implicaría que los centros de dispersión eran de hecho núcleos positivos pesados. Y de hecho se observaron esas dispersiones.

Para comprobar esto formalmente, Rutherford obtuvo una fórmula para el número de partículas dispersas en función del ángulo de dispersión utilizando la hipótesis de núcleos pesados ​​(que se justifica en el párrafo anterior). Geiger y Marsden hicieron el experimento y los datos coincidieron con la fórmula de Rutherford.

Esta.La teoría de la dispersión clásica te obliga a entender que el núcleo es considerablemente más pesado que el alfa.
No se está produciendo una colisión real, ¿verdad?La partícula alfa nunca llegó a tocar el núcleo.Simplemente se acercó tanto como su energía lo permitió y se dio la vuelta (si estaba destinado a una colisión frontal) o simplemente se dispersó.
@KunalPawar Una colisión o choque es un evento en el que dos o más cuerpos ejercen fuerzas entre sí durante un tiempo relativamente corto.Aunque el uso coloquial más común de la palabra "colisión" se refiere a incidentes en los que dos o más objetos chocan, el uso científico de la palabra "colisión" no implica nada sobre la magnitud de la fuerza.
@KunalPawar: Tampoco hay electrones o núcleos que hagan contacto entre sí cuando chocan dos bolas de billar.Las fuerzas involucradas en ambos casos son las mismas.
¿Cómo derivó $ v_2 = -v_1 \ frac {m'-m} {m '+ m} $?
@Krish Acabo de utilizar la conservación del impulso.
gertian
2017-04-13 17:14:44 UTC
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Wikipedia lo explica bastante bien, pero seleccionaré las cosas relevantes para usted.

Antes del experimento Geiger-Marsden, la idea general era que los átomos estaban formados por algún sustrato positivo permeable en el que flotaban algunas partículas negativas; el llamado modelo pudín de ciruela .

Si disparamos partículas $ \ alpha $ en esta configuración, todas deberían pasar a través de los átomos ya que se cree que el sustrato positivo es permeable. (lado izquierdo de la figura)

Pero cuando la gente hizo el experimento, vieron que la mayoría de las partículas atravesaban mientras algunas esparcían $ 180 ^ \ circ $ hacia atrás, ¡algunas incluso se doblaban un ángulo pequeño! (lado derecho de la figura)

Experiment

El modelo de pudín de ciruela no tuvo ningún problema con las partículas que pasaron sin ser molestadas, pero ¿qué pasa con las que se dispersaron? La gente teorizó que debe haber algún núcleo sólido en el átomo contra el cual las partículas $ \ alpha $ podrían dispersarse. El núcleo no podría ser demasiado grande ya que solo una pequeña fracción de las partículas $ \ alpha $ se dispersaron.

¡Esto conduce a un modelo en el que la mayor parte de la masa (a la que se pueden dispersar las partículas $ \ alpha $) está en el centro del átomo con las cargas negativas a su alrededor!

Draco_1125
2017-04-13 11:53:17 UTC
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Rutherford realizó una serie de experimentos en los que midió la retrodispersión de partículas $ \ alpha $ en función del grosor de la hoja de metal.En la tercera parte del experimento, observó que alrededor de 1 de cada 8000 $ \ alpha $ partículas podían retrodispersarse.Esto fue posible solo si se encontraba con un gran campo eléctrico.Un campo eléctrico tan grande no se puede crear mediante una carga distribuida, sino que tiene que ser creado por alguna carga concentrada.Entonces esto explica el concepto de núcleo.

Y dado que el núcleo tiene la mayor parte de la carga (los protones son más pesados que el electrón), tiene la mayor parte de la masa del átomo.

Esto no responde a la pregunta tal como se planteó.En el momento en que Rutherford postuló su modelo, el protón era desconocido, y mucho menos su masa.
@ Emilio Pisanty Estoy de acuerdo en que el protón no se descubrió hasta 1920 y el modelo de Rutherford en realidad apoya el hecho de que el núcleo podría haber portado + ve así como -ve carga.Pero dado que las partículas $ \ alpha $ fueron desviadas, el núcleo tenía que tener + cinco cargas. También se observó que el ángulo de dispersión donde se detectaron las partículas máximas $ \ alpha $ era directamente proporcional a la masa atómica de la hoja de metal.Esto apoya el hecho de que de hecho el núcleo tenía la mayor parte de la masa.Si la masa no fuera un factor, el ángulo de dispersión no sería una función de la masa atómica donde detectamos las partículas máximas $ \ alpha $.
Que las partículas $ \ alpha $ sean desviadas no es la razón para concluir que el núcleo es positivo.IIRC, el patrón de dispersión no es tan sensible a la carga de los objetivos.La positividad del núcleo se deriva de que la materia es eléctricamente neutra y los electrones son negativos.


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