Gyorskeresés

A Geiger-Mardsen-kísérlet (a Rutherford-féle aranyfóliás kísérlet) 14011

1908 és1913 között a University of Manchester két fiatal kutatója, Geiger és Mardsen, akik a kísérletek indulásakor csak 26 és 19 évesek voltak, az akkoriban már nagy szaktekintélynek számító (1908-ban Nobel-díjat nyert) Rutherford professzor irányítása alatt végezték el híres kísérletsorozatukat, melyeknek az atommag felfedezését és a Geiger-Müller-féle részecskeszámláló megszületését köszönhetjük. Míg angolszász területeken a kísérlet neve az azt elvégző (és a publikációt jegyző) kutatók után Geiger-Mardsen experment lett, addig a feudális, hűbéri szemléletű Magyarországon mindig az uraság a fontos, ezért Szotyisztánban Rutherford-kísérlet néven emlegetjük ugyanezt.
 

Előzmény

Thomson az elektron 1897-es felfedezését követően 1904-ben megalkotta atommodelljét, melyben az atom egy pozitív töltésű gömb ("kalács"), amiben, illetve aminek felületén találhatók a negatív töltésű, kisebb méretű elektronok, a "mazsolák". Akkoriban az atomok méretének nagyságrendjét már tudták, ami\(10^{-10}\ \mathrm{m}\). Ha az atom pozitív golyójához közel halad el egy pozitív töltésű részecske, akkor az elektromos taszítás miatt a pályája elgörbül, azaz a bombázó töltés irányt vált; a külső szemlélő számára "szóródik", még akkor is, ha nem találkoztak, nem ütköztek össze. Akkoriban vált ismertté, hogy a radioaktív \(\alpha\)-sugárzás pozitív töltésű részecskéi a hidrogénatom tömegénél 4-szer nehezebbek. Az elektrodinamikából levezethető, hogy ha egy ismert töltésű, tömegű és sebességő bombázó részecske (amilyen a radioakít alfa-részecske) egy ismert sugarú és töltésű részecske széle felé haladva eltérül, akkor az eltérülés mekkora \(\theta\) szögű lesz:

Kínálta magát, hogy egy efféle "szóráskísérlettel" próbáljunk az atom pozitív "kalácsáról" információhoz jutni. A gond az volt, hogy az alfa-sugárzás igencsak könnyen elnyelődött, már pár ceniméter levegőréteg, vagy egy vékony papírlap is teljesen elnyelte. Hát akkor az alfa-részecske repüljön vákuumban, és vegyünk valami nagyon vékony ráteget. Akkoriban az arany volt, amit nagyon vékony fóliává tudtak kalapálni: \(0,21\ \mathrm{\mu m}=210\ \mathrm{nm}\) vastagságú (kb. 1400 aranyatom vastag) hártyává (ez egyébként annyira nyelte csak el a sugárzást, mint \(1\ \mathrm{mm}\) vastag levegőréteg). Ennyire vékony fólián már az alfa-részecskék nagy része áthatolt, de ígéretesnek mutatkozott, hogy mérjük ki pontosan, hogy a bombázó részecskék hány %-a térül el adott szöggel, miután a céltárgy (target) vékony fólián áthaladt. Sok, különféle anyagú (arany, ezüst, réz, platina, ón, alumínium) és vastagságú fóliával kísérleteztek. A sugárforrás aktivitása \(30...80\ \mathrm{millicurie}\approx 1...3\ \mathrm{GBq}\) volt, azaz ból jövő alfa-részecske sebességét is sikerült kimérni, ami \(\displaystyle 2\cdot 10^7\ \mathrm{\frac{m}{s}}\)-nak adódott (a fénysebesség 6,7%-a).
 

A berendezés

Kis üvegcsőben radioaktív radon gáz volt az alfa-sugárforrás (amit korábban rádiumból állítottak elő). Ebből az őt körülvevő ólom árnyékolásra fúrt pici lyukkal egy vékony nyalábot engedtek ki, rá az aranyfóliára, mely körül körbeforgathatóan egy mikroszkóp helyezkedette el, aminek elejére \(\mathrm{ZnS}\) cink-szulfid lemezt erősítettek, ez ugyanis minden egyes becsapódó alfa-részecskétől felvillant (szcintilláció). Mindez felülnézetben:

 

Oldalnézetben:

Mivel az alpha-részecskéket pár centiméter levegő már elnyeli, az egész kamrából kiszivattyúzták vákuumgéppel a levegőt. A kis berendezés vázlatosan így nézett ki:

A kísérletezés éveken át tartott, és besötétített szobában kellett meredten bámulni a mikroszkóp lencséjébe, és a sötétben minden felvillanáskor húzogatni a strigulákat.