Atomen en Goud

In 1911 begonnen Rutherford en zijn medewerkers Hans Geiger en Ernest Marsden aan een reeks baanbrekende experimenten die het geaccepteerde model van het atoom volledig zouden veranderen. Zij bombardeerden zeer dunne plaatjes goudfolie met snel bewegende alfadeeltjes.

Figuurtje (A) De proefopstelling van Rutherfords goudfolie-experiment: Een radioactief element dat alfadeeltjes uitzond, werd gericht op een dun vel goudfolie dat omgeven was door een scherm dat de afgebogen deeltjes zou kunnen detecteren. (B) Volgens het plumpuddingmodel (boven) zouden alle alfadeeltjes door de goudfolie moeten zijn gegaan met weinig of geen afbuiging. Rutherford ontdekte dat een klein percentage alfadeeltjes onder een grote hoek werd afgebogen, wat verklaard kon worden door een atoom met een zeer kleine, dichte, positief geladen kern in het centrum (onder).

Volgens het aanvaarde atoommodel, waarin de massa en lading van een atoom gelijkmatig over het atoom verdeeld zijn, verwachtten de wetenschappers dat alle alfadeeltjes door het goudfolie zouden gaan met slechts een geringe afbuiging of helemaal geen afbuiging. Verrassend genoeg, zoals blijkt uit figuur 2, werd het merendeel van de alfadeeltjes inderdaad niet afgebogen, maar een zeer klein percentage (ongeveer 1 op 8000 deeltjes) kaatste onder een zeer grote hoek terug op het goudfolie. Sommige werden zelfs teruggeleid naar de bron. Geen enkele voorkennis had hen op deze ontdekking voorbereid. In een beroemd citaat riep Rutherford uit dat het was “alsof je een granaat van 15 inch had afgevuurd op een stuk weefsel en dat het terugkwam en je raakte.”

Rutherford moest met een geheel nieuw model van het atoom komen om zijn resultaten te verklaren. Omdat het overgrote deel van de alfadeeltjes door het goud was gegaan, redeneerde hij dat het atoom voor het grootste deel uit lege ruimte bestond. De deeltjes die sterk werden afgebogen, moesten daarentegen een enorm krachtige kracht binnen het atoom hebben ondergaan. Hij concludeerde dat alle positieve lading en het merendeel van de massa van het atoom geconcentreerd moesten zijn in een zeer kleine ruimte in het inwendige van het atoom, die hij de kern noemde. De kern is de kleine, dichte, centrale kern van het atoom en bestaat uit protonen en neutronen.

Rutherford’s atoommodel werd bekend als het nucleaire model. In het atoomkernmodel bevinden de protonen en neutronen, die bijna de gehele massa van het atoom uitmaken, zich in de kern in het centrum van het atoom. De elektronen zijn verdeeld rond de kern en nemen het grootste deel van het volume van het atoom in. Het is de moeite waard te benadrukken hoe klein de atoomkern is in vergelijking met de rest van het atoom. Als we een atoom zouden kunnen opblazen tot de grootte van een groot profvoetbalstadion, zou de kern ongeveer zo groot zijn als een knikker.

Het model van Rutherford bleek een belangrijke stap te zijn op weg naar een volledig begrip van het atoom. Het ging echter niet volledig in op de aard van de elektronen en de manier waarop zij de enorme ruimte rond de kern in beslag namen. Voor deze en andere inzichten kreeg Rutherford in 1908 de Nobelprijs voor scheikunde. Helaas had Rutherford liever de Nobelprijs voor Natuurkunde gekregen, omdat hij de natuurkunde superieur achtte aan de scheikunde. Naar zijn mening: “Alle wetenschap is of natuurkunde of postzegels verzamelen.”