Modern Fizik · 5. Ünite: Atomik Yapı ve Bohr Modeli

Rutherford Saçılması ve Çekirdek

1909–1913 arasında Geiger, Marsden ve Rutherford, ince metal folyolara gönderilen alfa parçacıklarının küçük bir kısmının geri döndüğünü gözledi; bu, atomun pozitif yükünün ve kütlesinin çok küçük bir çekirdekte toplandığını gösterdi. Bu konuda Coulomb saçılmasını klasik mekanikle çözmeyi, en yakın yaklaşma uzaklığını ve çarpma parametresi–saçılma açısı ilişkisini kullanmayı, Rutherford formülünü türetmeyi, Thomson modelinin neden başarısız olduğunu sayısal olarak göstermeyi ve çekirdek boyutuna üst sınır koymayı öğreneceksiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Geiger–Marsden Deneyi ve Atom Modelleri

  2. Thomson Modelinin Başarısızlığı

  3. Coulomb Saçılması: En Yakın Yaklaşma ve Çarpma Parametresi

  4. Rutherford Formülü ve Sayım Oranları

  5. Çekirdek Boyutu İçin Üst Sınır

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Geçerlilik Sınırları ve Sapmalar

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Geiger–Marsden deneyi
İnce altın folyodan saçılan $\alpha$ parçacıklarının sayımı; yaklaşık 1/8000'inin $90^\circ$'yi aşan açıya saçılması çekirdeğin varlığını gösterdi.
Thomson (üzümlü kek) modeli
Pozitif yükün atom boyunca düzgün dağıldığı, elektronların gömülü olduğu model; tek saçılmada $\sim10^{-4}$ rad sapma verir.
Çarpma parametresi (impact parameter)
Saçılmasız doğrultunun çekirdeğe uzaklığı $b$; $b = (kZ_1Z_2e^2/2K)\cot(\theta/2)$.
En yakın yaklaşma uzaklığı
Kafa kafaya çarpışmada kinetik enerjinin tamamen Coulomb potansiyel enerjisine dönüştüğü uzaklık $d = kZ_1Z_2e^2/K$.
Diferansiyel tesir kesiti
Birim katı açıya saçılma olasılığına karşılık gelen alan $d\sigma/d\Omega$; Rutherford için $(d/4)^2/\sin^4(\theta/2)$.
Rutherford formülü
Coulomb saçılması için $d\sigma/d\Omega = (kZ_1Z_2e^2/4K)^2/\sin^4(\theta/2)$; $Z^2$ ve $K^{-2}$ ile ölçeklenir.
Çekirdek (nucleus)
Atomun pozitif yükünü ve kütlesinin neredeyse tamamını taşıyan, yarıçapı $\sim1.2\,A^{1/3}\,\text{fm}$ olan bölge.
Hiperbolik yörünge
İtici $1/r^2$ kuvvetinde parçacığın izlediği yol; eksantriklik $\varepsilon = \sqrt{1+(2b/d)^2} = 1/\sin(\theta/2)$.
Nükleer kuvvet
Kısa menzilli kuvvet; $\alpha$ çekirdeğin yüzeyine ulaştığında Rutherford formülünden sapmaya yol açar.

Örnek soru

Kinetik enerjisi $K = 5.0\,\text{MeV}$ olan bir $\alpha$ parçacığı altın çekirdeğine ($Z = 79$) doğrudan (kafa kafaya) gönderiliyor. Çekirdeğe en yakın yaklaşma uzaklığı $d$ nedir? ($ke^2 = 1.44\,\text{MeV}\cdot\text{fm}$)

  1. 22.8 fm
  2. 45.5 fm
  3. 91.0 fm
  4. 11.4 fm
  5. 4.55 fm

Doğru cevap: B

Çözüm

1. Kafa kafaya çarpışmada duruş noktasında tüm kinetik enerji Coulomb potansiyel enerjisine dönüşür: $K = \dfrac{k\,Z_1Z_2\,e^2}{d}$.
2. $d = \dfrac{k Z_1Z_2e^2}{K} = \dfrac{(1.44\,\text{MeV}\cdot\text{fm})(2)(79)}{5.0\,\text{MeV}} = \mathbf{45.5\,fm}$.
$22.8\,\text{fm}$ ($d/2$) çarpan $2$'yi ($Z_\alpha = 2$) unutmak, $91\,\text{fm}$ ise $Z$'yi iki kez saymaktır. Bu değer altın çekirdeğinin yarıçapının ($\sim7\,\text{fm}$) yaklaşık altı katıdır; $\alpha$ çekirdeğe değmeden döner.

Modern Fizik: tüm konular