Atomi ja kulta
Vuonna 1911 Rutherford ja työtoverit Hans Geiger ja Ernest Marsden aloittivat sarjan uraauurtavia kokeita, jotka muuttaisivat täysin hyväksytyn atomimallin. He pommittivat hyvin ohuita kultalevyjä nopeasti liikkuvilla alfahiukkasilla.
Kuva \(\PageIndex{2}\) (A) Rutherfordin kultakalvokokeen koejärjestely: Radioaktiivinen alkuaine, joka emittoi alfahiukkasia, suunnattiin kohti ohutta kultakalvoa, jota ympäröi kuvaruutu, joka mahdollistaisi poikkeavien hiukkasten havaitsemisen. (B) Luumupudding-mallin (ylhäällä) mukaan kaikkien alfahiukkasten olisi pitänyt kulkea kultakalvon läpi vain vähän tai ei lainkaan taipumatta. Rutherford havaitsi, että pieni osa alfahiukkasista taipui suurilla kulmilla, mikä voitaisiin selittää atomilla, jonka keskellä on hyvin pieni, tiheä, positiivisesti varautunut ydin (alhaalla).
Hyväksytyn atomimallin mukaan, jossa atomin massa ja varaus jakautuvat tasaisesti koko atomissa, tiedemiehet odottivat, että kaikki alfahiukkaset kulkisivat kultapahvin läpi vain lievästi tai ollenkaan tai ei lainkaan taipuen. Yllättäen, kuten kuvasta \(\PageIndex{2}\) käy ilmi, suurin osa alfahiukkasista ei tosiaankaan taipunut, mutta hyvin pieni osa (noin 1 hiukkanen 8000:sta) kimposi kultakalvosta hyvin suurilla kulmilla. Jotkut jopa ohjautuivat takaisin kohti lähdettä. Mikään aiempi tieto ei ollut valmistanut heitä tähän löytöön. Eräässä kuuluisassa sitaatissa Rutherford huudahti, että se oli ”kuin olisit ampunut 15-tuumaisella kranaatilla kudospalaa ja se olisi tullut takaisin ja osunut sinuun.”
Rutherfordin oli keksittävä täysin uusi atomimalli selittääkseen tuloksensa. Koska valtaosa alfahiukkasista oli kulkenut kullan läpi, hän päätteli, että suurin osa atomista oli tyhjää tilaa. Sitä vastoin hiukkasten, jotka olivat voimakkaasti poikkeutuneet, oli täytynyt kohdata atomin sisällä valtavan voimakas voima. Hän päätteli, että kaiken positiivisen varauksen ja suurimman osan atomin massasta oli keskityttävä hyvin pieneen tilaan atomin sisällä, jota hän kutsui ytimeksi. Ydin on atomin pieni, tiheä, keskeinen ydin, ja se koostuu protoneista ja neutroneista.
Rutherfordin atomimalli tuli tunnetuksi nimellä ydinmalli. Ydinatomissa protonit ja neutronit, jotka muodostavat lähes koko atomin massan, sijaitsevat atomin keskellä olevassa ytimessä. Elektronit ovat jakautuneet ytimen ympärille ja vievät suurimman osan atomin tilavuudesta. On syytä korostaa, kuinka pieni ydin on verrattuna muuhun atomiin. Jos voisimme puhaltaa atomin suuren ammattilaisjalkapallostadionin kokoiseksi, ydin olisi suunnilleen marmorin kokoinen.
Rutherfordin malli osoittautui tärkeäksi askeleeksi kohti atomin täydellistä ymmärtämistä. Se ei kuitenkaan täysin ratkaissut elektronien luonnetta ja sitä, miten ne valtasivat valtavan tilan ytimen ympärillä. Tästä ja muista oivalluksista Rutherford sai Nobelin kemianpalkinnon vuonna 1908. Valitettavasti Rutherford olisi mieluummin saanut fysiikan Nobel-palkinnon, koska hän piti fysiikkaa kemiaa parempana. Hänen mielestään ”Kaikki tiede on joko fysiikkaa tai postimerkkien keräilyä.”