การค้นพบของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอม
เมื่อกล่าวถึงแบบจำลองอะตอม หลายคนคงนึกถึงภาพของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสคล้ายกับดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่น้อยคนนักที่จะรู้ว่ากว่าที่มนุษย์เราจะเข้าใจโครงสร้างที่ซับซ้อนของอะตอมได้นั้น ต้องผ่านการทดลองและการตั้งสมมติฐานมาแล้วนับครั้งไม่ถ้วน และหนึ่งในการค้นพบที่พลิกโฉมความเข้าใจเกี่ยวกับอะตอมของเราก็คือ การทดลองของเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ซึ่งนำไปสู่การค้นพบนิวเคลียสของอะตอม
แบบจำลองอะตอมก่อนยุคของรัทเทอร์ฟอร์ด
ก่อนหน้าการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด แบบจำลองอะตอมที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือแบบจำลองของเจ.เจ. ทอมสัน ซึ่งเป็นอาจารย์ที่ปรึกษาของรัทเทอร์ฟอร์ดเอง แบบจำลองนี้เสนอว่า อะตอมมีลักษณะเป็นทรงกลม มีประจุบวกกระจายอยู่ทั่วไป และมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบฝังอยู่ภายใน เปรียบได้กับขนมปังลูกเกด โดยที่เนื้อขนมปังเปรียบเสมือนประจุบวก และลูกเกดเปรียบเสมือนอิเล็กตรอน
การทดลองแผ่นทองคำของรัทเทอร์ฟอร์ด
ในปี ค.ศ. 1911 รัทเทอร์ฟอร์ดได้ทำการทดลองที่โด่งดัง โดยการยิงอนุภาคแอลฟา (อนุภาคที่มีประจุบวก) ไปยังแผ่นทองคำบาง ๆ เขาคาดการณ์ว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะทะลุผ่านแผ่นทองคำไปได้โดยตรงโดยไม่หักเห หรือหักเหในมุมเล็กน้อย ตามแบบจำลองของทอมสัน เนื่องจากประจุบวกในแบบจำลองของทอมสันนั้นกระจายอยู่ทั่วไป
แต่ผลลัพธ์ที่ได้กลับสร้างความประหลาดใจอย่างยิ่ง เพราะแม้ว่าอนุภาคแอลฟาส่วนใหญ่จะทะลุผ่านแผ่นทองคำไปได้จริง แต่มีอนุภาคแอลฟาจำนวนหนึ่งที่กระเจิงไปในมุมกว้าง และที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้น คือมีอนุภาคแอลฟาจำนวนเล็กน้อยที่สะท้อนกลับมาในทิศทางเดิม
ข้อสรุปของรัทเทอร์ฟอร์ด
จากผลการทดลองที่น่าประหลาดใจนี้ รัทเทอร์ฟอร์ดได้เสนอแบบจำลองอะตอมแบบใหม่ในปี ค.ศ. 1911 โดยมีใจความสำคัญดังนี้
- อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสขนาดเล็กมาก แต่มีมวลมากและมีประจุบวก ซึ่งอยู่ตรงใจกลางของอะตอม
- อิเล็กตรอนที่มีประจุลบโคจรรอบนิวเคลียสด้วยระยะห่างที่มาก คล้ายกับดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์
- อะตอมส่วนใหญ่เป็นที่ว่างเปล่า
การค้นพบนิวเคลียสของรัทเทอร์ฟอร์ด เปรียบเสมือนการปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ เพราะเป็นการล้มล้างแบบจำลองอะตอมเดิม ๆ และเป็นรากฐานสำคัญในการศึกษากลศาสตร์ควอนตัมและฟิสิกส์นิวเคลียร์ในเวลาต่อมา
ข้อมูลน่ารู้เพิ่มเติม
- หากเปรียบเทียบอะตอมให้มีขนาดเท่ากับสนามฟุตบอล นิวเคลียสจะมีขนาดเท่ากับเมล็ดถั่วที่วางอยู่ตรงกลางสนามเท่านั้น ส่วนที่เหลือทั้งหมดจะเป็นที่ว่างเปล่า ซึ่งแสดงให้เห็นว่าอะตอมนั้นแทบจะไม่มีอะไรเลยนอกจากที่ว่าง!
- รัทเทอร์ฟอร์ดได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี ค.ศ. 1908 จากงานวิจัยเกี่ยวกับการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสี ก่อนที่เขาจะค้นพบนิวเคลียสของอะตอมเสียอีก
ตารางแสดงผลการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด
| มุมการกระเจิงของอนุภาคแอลฟา | จำนวนอนุภาคแอลฟาที่ตรวจพบ |
|---|---|
| น้อยกว่า 10 องศา | มากที่สุด |
| 10-90 องศา | น้อย |
| มากกว่า 90 องศา (สะท้อนกลับ) | น้อยมาก |
การค้นพบนิวเคลียสของอะตอมโดยรัทเทอร์ฟอร์ด ถือเป็นก้าวสำคัญของวงการวิทยาศาสตร์ และยังคงเป็นพื้นฐานสำคัญในการศึกษาเกี่ยวกับอะตอมและโครงสร้างของสสารในปัจจุบัน
#อะตอม #รัทเทอร์ฟอร์ด #นิวเคลียส #ฟิสิกส์