Honnan lehet tudni az atommag méretét?

Szóráskísérletekből.

A legelső ilyen kísérleteket Ernest Rutherford vezetésével végezték a 20. század elején, az eredményeket 1911-ben publikálták először.

A kísérlet lényege, hogy alfa-részecskékkel (amik 2 protont és 2 neutront) bombázunk atomokat - az eredeti kísérletben arany atomokat. Az alfa részecskék nagy része, mivel jóval-jóval kisebb az arany atomnál, zavartalanul áthatolt azon. Egy nagyon kis részük viszont ilyen-olyan mértékben eltérült, vagy visszapattant onnan. Ennek az eltérülésnek/visszapattanásnak az az oka, hogy az arany atommagnak és az alfa részecskének ugyanúgy pozitív a töltése. Azt vizsgálva, hogy mennyi alfa részecske és milyen mértékben térül el, meg lehet állapítani az atommag méretét.

Olyasmi ez, mintha teniszlabdákat lövögethetnél egy ismert távolságra lévő, de ismeretlen méretű célpontra, amit nem látsz. Abból, hogy mikor, hogy, mennyi teniszlabda pattant vissza, ki tudod számítani a célpont méretét.

"Abból, hogy mikor, hogy, mennyi teniszlabda pattant vissza, ki tudod számítani a célpont méretét."

És miből következtették, hogy ez atomoknál működik? Lehet, hogy bizonyos körülmények változtathatnak ezen.

A kérdések nagyon jók!

Viszont kettéveszem őket, mert egyben leírni mindkettőre a választ, kicsit sok lenne egyszerre :)

A kettes kérdés amúgy azért us nagyon jó, mert a fizikai modellalkotás mikéntjéhez vezet. A lényege ennek, hogy egy kísérlet megtervezésénél és kivitelezésénél, jelenségek magyarázatánál az ismert erőket vesszük első körben figyelembe. Nem azért, mert kizárt, hogy létezzenek más erők, hanem azért mert ad-hoc, csípőből kitalálni ilyeneket nem sok értelme van (vö.: Russel teáskannája, Occham borotvája).

Ha a kísérlet/megfigyelés eredményét, a vizsgált jelenséget meg lehet magyarázni az ismert erőkkel, akkor ennek matematikai leírásával megalkotunk egy fizikai modellt. Ezt a modellt pedig elkezdjük tesztelni más megfigyelésekkel, más kísérletekkel, azzal, hogy más jelenségek magyarázatába beillik-e stb stb. Tehát megnézzük, hogy az általunk megfigyelhető világot, jelenségeket jól írja-e le. Amíg jól írja le, örülünk. Ha nem írja le jól, akkor pedig még jobban örülünk: ugyanis akkor az a helyzet, hogy valami eddig ismeretlen oldalát fedezhetjük fel a természetnek, és esélyes lehet mondjuk pl ez esetben egy teljesen új erőt megismerni. Szóval kb. egy kutatói lottó-főnyereményt kaptunk - ennek megfelelően ezt nem is osztogatja a természet gyakran.

(Itt egyébként az atommag, majd később az atommag szerkezetének megismerése pont egy ilyen lottó-nyereményhez vezetett :) Nevezetesen az atommagot összetartó magerő felfedezéséhez.)

Ebben a konkrét esetben már régebben (kb másfél évtizeddel Rutherford publikációja előtt) ismert volt, hogy az atom nem valami egységes, oszthatatlan valami, hanem alkotóelemekre bontható, az egyik alkotóelemét, az elektront ugyanis már a 19. század utolsó éveiben (talán 1897 - Thomson, most lusta vagyok googlezni) felfedezték. Azt tudták tehát, hogy vannak negatív töltésű alkotóelemei az atomnak, azt is tudták, hogy az atom teljes egésze semleges, tehát tudták, hogy kell lennie pozitív töltésű alkotóelemnek, vagy elemeknek is. A kérdés az volt, hogy ezek hogyan oszlanak meg. A választ pedig a szórási kísérlet adta meg: azt tudták, hogy a pozitív töltésű alfa részecske el fog térülni a pozitív töltésű alkotóelemekhez közel elhaladva, illetve vissza fog pattanni, ha telibetrafálja. Ehhez persze feltételezni kellett, hogy más erő nem zavar be - de erről lsd fentebb. Ezt feltételezve megalkottak egy modellt, és a későbbi kísérletek, alkalmazások, megfigyelések döntötték el, hogy helyes-e a modell, helyesek voltak-e az előfeltevések. És az azóta eltelt több mint egy évszázad alatt az derült ki, hogy a modell azon része, hogy az atom pozitív töltése egy, az atomhoz képest nagyon kicsi térrészre koncentrálódik az atom közepén, az helyes volt.

Pontosabban, Mojjo által röviden leírt modellezés a következőképpen működik. Látunk valamit a világban, például a teniszlabdák pattogását. Ezt jó alaposan megfigyeljük, mérjük, majd készítünk egy matematikai modellt. Vagyis képleteket, egyenleteket, függvényeket gyártunk, olyanokat, amibe ha behelyettesítünk egy adatot (amit mértünk), abból kiszámítunk egy másik adatot (például merre pattant a labda). Akkor mondjuk, hogy megvan a matematikai modell, ha minden addig ismert módon kipróbáljuk, és mindig az jön ki, amit előre kiszámoltunk. Ezzel megbizonyosodtunk arról, hogy jó a modell.

Most ezt elkezdjük minden hasonlóra alkalmazni. Például feltételezzük az atom addig nem ismert belsejéről, hogy a lődözünk oda (nem teniszlabdát, hanem alfa részecskét), akkor azt is kiszámolhatjuk a modellel. Ha ismét kijön, örülünk, hogy milyen jól modelleztünk. Ha nem jön ki, kezdjük sejteni, hogy ez a lottó főnyeremény. Ismét egy rakás kísérlet, mérés, új függvények, egyenletek, míg kijön. Akkor megnézzük a különbséget és addigi fizikai ismereteink segítségével kitaláljuk, mi tud így viselkedni. Ha van egy tippünk, ezzel folytatjuk. Ha nem jön be, lecseréljük a tippet, amíg be nem jön. No akkor megtudtunk valami újat az atom szerkezetéről. Egyben megvan hozzá a működést leíró matematikai modell is. A következő újdonság megismeréséhez már ebből indulunk ki.