La fisica dei corpuscoli/Capitolo 10/3

by Giuseppe Gianfranceschi

Capitolo 10 - L'atomo di Rutherfors

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Giuseppe Gianfranceschi - La Fisica dei Corpuscoli (1920)

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3. — L’atomo di Rutherford. — Il modello studiato dal Thomson non sembra spieghi sufficientemente i fenomeni che si verificano quando i raggi $\alpha$ di una sostanza radiattiva attraversano di gas. Le particelle $\alpha$ penetrano facilmente negli atomi, ne liberano uno o più elettroni, e talvolta attraversano gli atomi seguitando il loro cammino rettilineo, talvolta ne vengono fortemente deviati. Per dar ragione di questi fenomeni il Rutherford¹ pensò che la massa elettrica positiva non potesse essere distribuita in una sfera omogenea in seno alla quale nuotassero gli elettroni, ma piuttosto dovesse immaginarsi condensata nel centro della sfera. Gli elettroni allora si muoverebbero in orbite più o meno circolari intorno a questo nucleo centrale positivo come i pianeti si muovono intorno al sole.

Il Nagaoka² aveva già fatta una ipotesi simile supponendo la massa positiva concentrata in un nucleo centrale, e gli elettroni ruotanti in anelli concentrici. Questo tipo di atomo ebbe perciò il nome di Saturnian dalla somiglianza col pianeta Saturno.

In questo modello si spiega bene come una particella $\alpha$ possa attraversare un atomo senza deviare, purchè non si avvicini molto al nucleo, e invece possa deviare fortemente quando entri nella zona in cui è forte l’azione del nucleo. In questo caso la particella $\alpha$ descriverebbe una traiettoria iperbolica.

Il numero di unità elettriche possedute dal nucleo si può dedurre, secondo la teoria di Rutherfors, dall’emissione di particelle $\alpha$ uscenti dall’atomo. Questo numero risulta eguale alla metà del peso atomico. Esperienze eseguite dal Geiger e Marsden³ confermano in ciò la teoria. I risultati del Barkla sullo studio dell’emissione dei raggi X, e più recentemente gli studi del Moseley si accordano bene con quella conclusione.

Le dimensioni del nucleo sono piccolissime. Dallo studio della velocità impressa da una particella $\alpha$ ad un atomo di idrogeno, in cui venga ad urtare, il Rutherford⁴ deduce che la distanza tra il centro della particella $\alpha$ e quello del nucleo dell’atomo dell’idrogeno deve essere circa $1.7\,\times \,10^{-13}$cm. Questa grandezza, se i due corpuscoli si suppongono sferici, deve essere la somma dei due raggi. Il nucleo positivo sarebbe dunque molto più piccolo di un elettrone il cui raggio è dell’ordine di $10^{-13}$cm.

L’atomo dell’idrogeno da ciò che si è detto dovrebbe avere un nucleo con una carica elettrica unitaria: sarebbe dunque l’elettrone positivo. Nell’ipotesi che la sua massa sia tutta di origine elettromagnetica sarebbe espressa, conforme alla teoria, da 2/3 di $e^{2}/a$ dove e rappresenta la carica elettrica ed a il raggio della sfera. Questo raggio risulterebbe così eguale ad 1/1830 di quello dell’elettrone negativo⁵. Secondo il Rutherford nessun fatto sperimentale contraddice finora a questo risultato.

L’atomo dell’elio, che ha una massa quattro volte più grande di quella dell’idrogeno e una carica elettrica positiva di due unità, dovrebbe dunque contenere quattro elettroni positivi e due negativi.

Dall’essere il nucleo dell’idrogeno molto più piccolo di quello dell’elio viene di conseguenza che se una particella $\alpha$ incontra un nucleo di idrogeno questo può ricavare un urto che gli comunichi una velocità molto grande e maggiore di quella della particella $\alpha$ stessa. Il Darwin⁶ ha determinato in questo caso la velocità che dovrebbe acquistare l’atomo di idrogeno, e ulteriori esperienze del Marsden⁷ hanno confermato l’ipotesi e la teoria.

Un’altra conclusione legittima dei concetti del Rutherford è questa che, come dai corpi radiattivi vengono spontaneamente emessi atomi di elio, così dovrebbero essere emessi anche atomi di idrogeno. Questa emissione non è stata finora riscontrata, quindi, se esiste, il numero di atomi di idrogeno emessi deve essere molto piccolo rispetto a quelli di elio. Ciò può significare che la stabilità del gruppo che forma l’atomo di elio è molto maggiore di quella dell’atomo di idrogeno.

per ciò che riguarda le proprietà dei corpi dalla ipotesi del Rutherford risulta che le proprietà fisiche e chimiche dipendono quasi interamente dal numero e distribuzione degli elettroni negativi intorno al nucleo, e quindi dalla carica di questo. Invece le proprietà radiattive e gravitazionali dipenderebbero soltanto dal nucleo. La carica del nucleo è una costante fondamentale dell’atomo, la massa atomica invece può essere una funzione complicata dalla distribuzione di unità elettriche del nucleo. Quindi si possono avere elementi con peso atomico diverso pur aventi nuclei con cariche eguali.

Note

1. Rutherford, Ph. M., vol. 21, p. 669 (1911).
2. Nagaoka, Ph. M., vol. 7, p. 445 (1904).
3. Geiger e Marsden, Ph. M., vol. 25, p. 604 (1913).
4. E. Rutherford, The Structure of the Atom, Ph. M., vol. 27, p. 488 e segg. (1914).
5. E. Rutherford, l. c., p. 494.
6. C. G. Darwin, Collision of a Particles with light Atoms, Ph. M., vol. 27, p. 499 (1914).
7. E. Marsden, The passage of a Particles trough Hydrogen, Ph. M., vol. 27, p. 824 (1914).