FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilRutherford spredning

Forsøg nr.: 84
Formål: At demonstrere spredningsforsøg samt opdagelsen af atomkernen.
Resume: En simpel model bestående af pap og små marmorkugler kan bruges til at "genskabe" Rutherfords oprindelige spredningsforsøg i en mekanisk udgave.
Nøgleord: Elektriske potentialer, acceleration, ballistik, kollisioner, kræfter, mekanik, atomfysik, kernefysik.

Beskrivelse:

Ernest Rutherford (1871-1937) blev i 1907 professor i Manchester. Her undersøgte han sammen men sin assistent Hans Wilhelm Geiger (1882-1945) og en studerende Ernest Marsden spredning af alfapartikler på metalfolie (af bl.a. guld, sølv, platin og kobber). De observerede, at en lille brøkdel af de partikler, der ramte foliet, blev spredt lige tilbage igen. For at beskrive resultatet udledte Rutherford i 1911 en formel, der var baseret på en atommodel, hvor elektronerne kredsede om lille, kompakt positiv kerne. Denne formel blev bekræftet eksperimentelt, og dermed havde man i realiteten opdaget eksistensen af atomkernen.

Rutherford fortalte i 1936, at det var "the most incredible event that has ever happened to me in my life... almost as incredible as if you fired a fifteen-inch shell at a piece of tissue paper and it came back and hit you". Rutherfords atommodel efterlod dog et stort problem, idet man klassisk ville forvente, at elektronerne vil kredse nærmere og nærmere kernen for til sidst at støde ind i denne. Dette problem blev først løst af danskeren Niels Bohr, da denne præsenterede sin atommodel, hvor elektronernes energi var "kvantiseret".

Diagram over Rutherford spredning af alfapartikler på metalfolie
Diagram over Rutherford spredning af alfapartikler på metalfolie. De fleste partikler afbøjes kun lidt, mens enkelte afbøjes tilbage mod kilden.

Rutherfords og Geigers forsøg er et glimrende eksempel på, hvordan naturvidenskaben fungerer: En række eksperimenter giver nogle resultater, som man må prøve at fortolke; måske kommer man på en hypotese, som så kræver yderligere forsøg, der enten støtter hypotesen eller forkaster den. Hele denne tankegang kan prøves af med følgende lille forsøg, der fungerer som en mekanisk model af Rutherfords spredningsforsøg.

Diagram over mekanisk spredningsforsøg
Diagram over mekanisk spredningsforsøg med marmorkugler.

Et "target" gemmes under en papplade. Target kan bestå af en genstand af plastik, metal eller træ, og det bør have en simpel form (kubisk, cylindrisk eller lignende). Senere kan man prøve med mere komplicerede former.

Udstyr til brug ved
Dette simple udstyr er nok til at lave et "mekanisk Rutherford spredningsforsøg". Kuglen og plastikrøret er "alfakilden" (eller "partikelacceleratoren") og de tre aluminiumsgenstande er eksempler på de objekter, der skal beskydes ("target"). Target gemmes under en papplade.

Opgaven består nu i at udlede, hvilken form target har. Dette gøres ved at trille små marmorkugler ind på target for så at se, i hvilke vinkler de kommer tilbage.

For at have lidt kontrol over marmorkuglernes retning og fart kan man anvende en "tyngdeaccelerator" bestående af en plastikslange, hvori kuglerne puttes.

Mekanisk Rutherford spredning på ukendt target
Mekanisk Rutherford spredning på ukendt target. Ved at ændre "acceleratorens" position og vinkel består opgaven i at bestemme størrelse og form på target (der ligger under pappladen) ud fra partiklernes spredningsvinkler.

Man kan så prøve at ændre på position og vinkel af acceleratoren, og man kan eventuelt lade folk konkurrere om at finde formen på target med færrest muligt antal kugler.

Sørg for at target enten er meget tungt, eller at det er skruet/tapet fast på bordpladen. Det er vigtigt, at det ikke flytter sig, når kuglerne skydes ind på det.

Udstyr og materialer:

grøn pil Papplader
grøn pil Marmorkugler
grøn pil Plastikslange

Referencer:

grøn pilHelge Kragh: "Quantum Generations - A history of physics in the twentieth century", Princeton University Press, Princeton, New Jersey (1999).
grøn pilJ.D. Wilson: "Rutherford scattering box with 10,000,000 GeV accelerator", The Physics Teacher 12, 437 (1974). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilLink til forsøg i database på University of Minnesota.
grøn pilLink til forsøg i database på University of Maryland.

PIRA DCS: 7D50.10 (Moderne fysik: Kernefysik) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 10.03.2005