இரதபோர்ட்டின் பொற்தகட்டுச் சோதனை

முழுமையான பார்வை — ரூதர்போர்டின் சவால் (Rutherford's Challenge)

1904 ஆம் ஆண்டில் J.J. தாம்சனால் (Thomson) முன்வைக்கப்பட்ட "பிளம் புடிங்" மாதிரியின்படி (plum pudding model), அணுவின் நேர்மின்னேற்றமானது அணு முழுவதும் ஒரு திண்மக் கோளமாகச் சீராகப் பரவியுள்ளதாகவும், அதனுள் மறைமின்னேற்றமுடைய இலத்திரன்கள் ஆங்காங்கே பதிக்கப்பட்டுள்ளதாகவும் கருதப்பட்டது. ஆனால், இந்த அமைப்பு உண்மையிலேயே சரியானதா? இந்த தத்துவார்த்த மாதிரிக்குச் செய்முறை ரீதியான ஒரு சவாலை விடுத்தவர் எர்னஸ்ட் ரூதர்போர்ட் (Ernest Rutherford). 1908–1909 காலப்பகுதியில் அவர் தனது மாணவர்களான கைகர் (Geiger) மற்றும் மார்ஸ்டன் (Marsden) ஆகியோரின் துணையுடன் அணுவின் உள்ளமைப்பைத் துல்லியமாக ஆராயும் புகழ்பெற்ற பரிசோதனையொன்றை வடிவமைத்தார்.

Ernest Rutherford — எர்னஸ்ட் ரதர்போர்ட் (பொற்தகட்டுச் சோதனை, 1909)

கதிரியக்கம் — அணுவைத் துளைக்கும் ஆயுதங்கள் (α, β, γ)

கதிரியக்க அழிவு (α, β, γ)
*Radioactive decay (α, β, γ)*
Wikipedia → · CC

1896 இல் ஹென்றி பெக்கரல் (Henri Becquerel) கதிரியக்கத் தன்மையைக் (radioactivity) கண்டுபிடித்ததைத் தொடர்ந்து, அதிலிருந்து வெளிவரும் கதிர்வீச்சுகளை விஞ்ஞானிகள் பகுப்பாய்வு செய்தனர். கதிரியக்க மூலகங்களிலிருந்து பிரதானமாக மூன்று வகையான கதிர்வீச்சுகள் உமிழப்படுகின்றன:

அல்பா (α) துணிக்கைகள்: இவை அதிக வேகத்தில் வெளிவரும் நேர்மின்னேற்றமுடைய ஹீலியம் கருக்களாகும் (He²⁺ அல்லது ⁴₂He). இவற்றின் திணிவு 4 u ஆகவும், மின்னேற்றம் +2 ஆகவும் காணப்படும். இவற்றின் ஊடுருவும் திறன் மிகக் குறைவு; ஒரு சாதாரணக் கடதாசியினாலேயே இவற்றைத் தடுத்து நிறுத்த முடியும்.
பீற்றா (β) கதிர்கள்: இவை கதிரியக்கக் கருவிலிருந்தே அதிவேகமாக வெளியேற்றப்படும் இலத்திரன்களாகும். இவை நடுத்தரமான ஊடுருவும் திறனைக் கொண்டவை; சில மில்லிமீற்றர் தடிப்பான அலுமினியத் தகட்டினால் இவற்றை நிறுத்தலாம்.
காமா (γ) கதிர்கள்: இவை எவ்வித மின்னேற்றமோ ஓய்வுத்திணிவோ அற்ற, மிக உயர்ந்த சக்தியைக் கொண்ட மின்காந்தக் கதிர்வீச்சாகும் (electromagnetic radiation). இவற்றின் ஊடுருவும் திறன் மிக அதிகம்; பல சென்ரிமீற்றர் தடிப்பான ஈயக் குற்றியினால் (Pb) மாத்திரமே இவற்றைத் தடுக்க முடியும்.

இவற்றின் மின்னேற்றத் தன்மை காரணமாக, மின்புலம் அல்லது காந்தப்புலத்தினூடாகச் செலுத்தப்படும்போது α மற்றும் β கதிர்கள் எதிரெதிர் திசைகளில் விலகலடையும், γ கதிர்கள் விலகலடையாது. அணுவின் உள்ளமைப்பை ஆராய்வதற்கு கனமான, அதிக உந்தமுடைய, நேர்மின்னேற்றமுடைய α துணிக்கைகளே மிகப் பொருத்தமான "பீரங்கி ரவைகளாக" அமையும் என ரூதர்போர்ட் தீர்மானித்தார்.

பொற்தகட்டுப் பரிசோதனை — கட்டமைப்பு

கைகர்–மார்ஸ்டன் பரிசோதனை சாதனம்
*Geiger–Marsden apparatus*
Wikipedia → · CC

அல்பா கதிர் மூலம்: ரேடியம் (Ra) அல்லது பொலோனியம் (Po) போன்ற கதிரியக்க மூலகம் ஒரு ஈயக் குற்றியினுள் வைக்கப்பட்டு, அதிலிருந்து வெளிவரும் அதியுயர் சக்தியுடைய α துணிக்கைகள் ஒரு ஒடுங்கிய நேரிய கற்றையாகப் பெறப்பட்டன.

இலக்குத் தகடு: மிக மெல்லிய தங்கத் தகடு பயன்படுத்தப்பட்டது. தகடு மிக மெல்லியதாக இருப்பதன் காரணம், அதனூடாகச் செல்லும் α துணிக்கைகள் பல அணுக்களுடன் மோதிப் பல்கூற்றுச் சிதறலுக்கு உள்ளாகாமல், ஓரளவிற்குத் தனித்த அணுக்களுடன் மாத்திரமே இடைத்தாக்கத்தில் ஈடுபடுவதை உறுதிசெய்வதற்காகும்.

கண்டறியும் திரை: தங்கத் தகட்டைச் சுற்றி நாக சல்பைற்று (ZnS) பூசப்பட்ட வட்ட வடிவமான ஒளிரும் திரை வைக்கப்பட்டது. கண்ணுக்குப் புலப்படாத α துணிக்கைகள் இத்திரையில் மோதும்போது, அப்புள்ளியில் சிறிய ஒளிர்ப்புகள் (scintillations) தோன்றும். இருட்டறையில் நுணுக்குக்காட்டியின் உதவியுடன் கைகரும் மார்ஸ்டனும் இந்த ஒளிர்ப்புகளை மிக அவதானமாக எண்ணிப் பதிவு செய்தனர்.

Rutherford gold foil apparatus — பரிசோதனை அமைப்பு — α மூலம் (இடது), பொற்தகடு + ZnS திரை (வலது). NIE உரு 1.12

α scattering pattern — α-துணிக்கைகளின் சிதறல் — பெரும்பாலானவை நேராக கடக்கின்றன, சில திருப்பப்படுகின்றன, மிக-சில திரும்புகின்றன

எதிர்பார்ப்புகளும் உண்மையான அவதானிப்புகளும்

தாம்சனின் மாதிரிப்படியான தர்க்க எதிர்பார்ப்பு: நேர்மின்னேற்றமானது அணு முழுவதும் ஒரு சீராகப் பரவியிருந்தால், திணிவு மிக்க α துணிக்கைகள் அணுவினூடாக ஊடுருவிச் செல்லும்போது அவற்றின் பாதையில் பாரிய விலகல்கள் எதுவும் ஏற்படக்கூடாது. அவை ஒரு கடதாசியினூடாகத் துப்பாக்கி ரவை செல்வது போன்று மிகச் சிறிய விலகல்களுடன் மாத்திரமே செல்ல வேண்டும்.

உண்மையில் அவதானிக்கப்பட்டவை:

பெரும்பாலான (சுமார் 99.99%) α துணிக்கைகள் எவ்வித விலகலுமன்றித் தங்கத் தகட்டினூடாக நேராக ஊடுருவிச் சென்றன.
ஒரு சில α துணிக்கைகள் சிறிய கோணங்களிலும், மிகச் சில α துணிக்கைகள் (சுமார் 8,000 இல் ஒன்று) 90° இலும் பார்க்கப் பெரிய கோணங்களிலும் சிதறடிக்கப்பட்டன.
மிக மிகச் சொற்பமான α துணிக்கைகள் (சுமார் 20,000 இல் ஒன்று) சென்ற பாதையிலேயே 180° கோணத்தில் மீண்டும் பின்னோக்கித் தள்ளப்பட்டன (bounced back).

ரூதர்போர்டின் பொற்தகட்டுப் பரிசோதனை — பெரும்பாலான α துணிக்கைகள் நேராகக் கடக்கின்றன (அணு பெரும்பாலும் வெற்றிடம்); சில பெரிய கோணங்களில் சிதறுகின்றன, மிகச்சிலவே 180° திரும்புகின்றன (சிறிய, அடர்த்தியான, நேர் ஏற்ற கரு). NIE உரு 1.11.

ரூதர்போர்டின் வார்த்தைகளில்

"இது, நீங்கள் ஒரு 15 அங்குல பீரங்கிக்குண்டை ஒரு மெல்லிய கடதாசியை நோக்கிச் சுடும்போது, அது அக்கடதாசியில் பட்டுத் திரும்பி வந்து உங்களையே தாக்குவதற்கு ஒப்பானது!"

ரூதர்போர்டின் தர்க்கரீதியான முடிவுகள்

அல்பா அழிவு — ஹீலியம் கரு வெளியேற்றம்
*Alpha decay — helium nucleus emission*
Wikipedia → · CC

அணுவின் பெரும்பகுதி வெற்றிடம்: பெரும்பாலான α துணிக்கைகள் தடையின்றி நேராகச் சென்றமையால், அணுவானது திணிவற்ற பெரும் வெற்றிடத்தைக் கொண்டுள்ளது.
சிறிய, அடர்த்தியான அணுக்கரு (Nucleus): நேர்மின்னேற்றமுடைய வேகமான α துணிக்கைகளை வலுவாக எதிர்த்துப் பாரிய கோணங்களில் விலக்கமுறச் செய்வதாயின், அணுவின் நேர்மின்னேற்றம் முழுவதும் ஒரு மிகச்சிறிய மையப் பகுதியில் மட்டுமே செறிந்து காணப்பட வேண்டும். இதுவே "அணுக்கரு" எனப்பட்டது.
திணிவின் மையம்: கனமான α துணிக்கைகளைப் பின்னோக்கித் தள்ளுவதற்கு அணுக்கருவானது மிக அதிக அடர்த்தியைக் கொண்டதாக இருத்தல் வேண்டும். எனவே, அணுவின் திணிவு முழுவதும் அதன் சிறிய கருவிலேயே குவிந்துள்ளது.
இலத்திரன்கள் இந்த மையக் கருவிற்கு வெளியே, அணுவின் வெற்றிடப் பகுதியில் சுற்றி வருகின்றன.

எண்களில் இதன் பரிமாணத்தைப் பார்ப்போமாயின்: ஓர் அணுவின் ஆரை சுமார் 10⁻¹⁰ m அளவிலும், அணுக்கருவின் ஆரை சுமார் 10⁻¹⁵ m அளவிலும் காணப்படும். அதாவது, கருவானது அணுவை விட 100,000 மடங்கு சிறியதாகும். இதை ஓர் உருவகத்தின் மூலம் விளக்குவதாயின், அணுவானது ஒரு பெரிய உதைபந்தாட்ட மைதானத்தின் அளவைக் கொண்டிருந்தால், அணுக்கருவானது அம்மைதானத்தின் நடுவே வைக்கப்பட்டுள்ள ஒரு சிறிய பட்டாணியின் அளவிற்கே சமமானதாகும். மீதமுள்ள பிரம்மாண்டமான வெளி முழுவதும் வெறுமையானதே.

அணு மாதிரிகளின் ஒப்பீடு — தாம்சனின் "பிளம் புடிங்" மாதிரியில் நேர் ஏற்றம் சீராகப் பரவியுள்ளது; ரூதர்போர்டின் கரு மாதிரியில் நேர் ஏற்றமும் திணிவும் ஒரு சிறிய அடர்த்தியான கருவில் செறிந்துள்ளன.

ரூதர்போர்ட் மாதிரியின் பிரதான குறைபாடுகள்

ரூதர்போர்டின் மாதிரி அணுக்கருவைச் சரியாகக் கணித்தாலும், இலத்திரன்களின் இயக்கம் தொடர்பில் இரண்டு பாரிய பௌதீகவியற் சிக்கல்களை எதிர்கொண்டது:

அணுவின் உறுதித்தன்மை: மின்காந்தவியற் கொள்கைகளின்படி (classical electrodynamics), மையநோக்கி முடுக்கப்படும் எந்தவொரு ஏற்றமுடைய துணிக்கையும் தொடர்ச்சியாக மின்காந்தக் கதிர்வீச்சை உமிழ வேண்டும். இதன்படி, அணுக்கருவைச் சுற்றிவரும் இலத்திரனானது தனது சக்தியைத் தொடர்ச்சியாக இழந்து, அதன் சுற்றுப்பாதையின் ஆரை குறைவடைந்து, சுருள் வடிவான பாதையில் சென்று இறுதியில் கருவினுள் வீழ்ந்து அணு அழிவடைய வேண்டும். ஆனால் அணுக்கள் உறுதித்தன்மை வாய்ந்தவை.
நிறமாலைகளை விளக்க முடியாமை: ரூதர்போர்டின் மாதிரிப்படி இலத்திரன் தொடர்ச்சியாகச் சக்தியை உமிழ்ந்தால், பெறப்படும் உமிழ்வு நிறமாலை தொடர்ச்சியானதாக இருக்க வேண்டும். ஆனால் ஐதரசன் போன்ற மூலகங்கள் தனித்துவமான கோட்டு உமிழ்வு நிறமாலையை (line emission spectrum) ஏன் வெளிப்படுத்துகின்றன என்பதை இம்மாதிரியால் விளக்க முடியவில்லை.

இந்த இரு பெரும் முரண்பாடுகளுக்கும், மக்ஸ் பிளாங்கின் குவாண்டமாக்கப்பட்ட சக்தி நிலைகள் எனும் எண்ணக்கருவைப் பயன்படுத்தி நீல்ஸ் போர் (1913) வெற்றிகரமான தீர்வுகளை வழங்கினார். (அடுத்த பகுதி: ஐதரசன் அணுவின் உமிழ்வு நிறமாலை.)

Rutherford nuclear atom model — ரதர்போர்ட்டின் கரு-மாதிரி — அடர்த்தியான மைய கரு, வெளியே இலத்திரன்கள். NIE உரு 1.13

📒 சுருக்கக் குறிப்புகள் (Quick recap)

α மூலம்: Ra அல்லது Po (கதிரியக்கம்).
இலக்கு: மெல்லிய பொன் தகடு (~few atoms thick).
கண்டறிபவன்: ZnS திரை + microscope.
முக்கிய அவதானிப்பு: ~1/8000 α பெரும்-கோணம், ~1/20000 மீள்-திரும்பல்.
முடிவு: அணு வெற்றிடம் + சிறிய அடர்த்தியான +ve கரு.
கரு/அணு விகிதம் = 10⁻⁵ (1 : 100,000).

🎬 கூடுதல் காணொளி (Recommended video)

Rutherford-ன் சோதனையை அழகான animation மூலம் — "Rutherford's Gold Foil Experiment" (TED-Ed):
▶ youtube.com/watch?v=wzALbzTdnc8 (~4 நிமிடம்)

🎯 MCQ பயிற்சி — 10 கேள்விகள் (questions)

விடையைத் தேர்ந்தெடுங்கள் — பிறகு ஒவ்வொரு (5) விருப்பத்திற்கும் ஏன் சரி / தவறு + ஆழமான விளக்கம் (deep explanation) காண்பிக்கப்படும்.

Q1 / 10 ★★★★★

இரதபோர்ட்டின் (Rutherford) பொற்தகட்டுச் சோதனையில் (gold foil experiment) பெரும்பான்மை (most) α-துணிக்கைகள்:

(1) 90° கோணத்தில் திருப்பப்பட்டன

மிக சில துணிக்கைகள் மட்டுமே திருப்பப்பட்டன.

(2) நேராக கடந்து சென்றன (passed straight through)

சரி. அதிகமான α-துணிக்கைகள் கிட்டத்தட்ட திசை மாற்றமின்றி கடந்து சென்றன → அணு பெரும்பாலும் வெற்றிடம் (mostly empty space).

(3) உள்ளார்த்த ஆனது (absorbed by atoms)

உள்ளார்த்த இல்லை.

(4) நேர்க் கதிர்களாக மாற்றப்பட்டன

α துணிக்கைகள் தலைகீழ் மாற்றப்படவில்லை.

(5) கதோட்டுக் கதிர்களாக மாற்றப்பட்டன

அப்படியல்ல.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Rutherford முடிவுகள் (conclusions): (1) அணு பெரும்பான்மை வெற்றிடம், (2) நேர் ஏற்றம் அனைத்தும் சிறிய, அடர்த்தியான கருவில் (small dense nucleus) குவிந்துள்ளது, (3) e⁻ வெளியே சுற்றுகின்றன.

Q2 / 10 ★★★★★

Rutherford சோதனையில் ஒரு சில α-துணிக்கைகள் நேராக (back) திருப்பப்பட்டன. இது எதைக் காட்டுகிறது?

(1) அணு வெற்றிடம் என்பதை

நேராக கடப்பவை அதைக் காட்டும்.

(2) நேர் ஏற்றம் ஒரு சிறிய, அடர்த்தியான பகுதியில் குவிந்துள்ளது (positive charge concentrated in a tiny dense region)

சரி. பின்னோக்கிய திருப்பல் (backward deflection) → α-துணிக்கை (நேர் ஏற்றம்) ஓர் அடர்த்தியான, நேர் ஏற்றம் கொண்ட பகுதியில் (dense positive region) மோதி திரும்புகிறது = கரு (nucleus).

(3) e⁻ கருவில் உள்ளது

e⁻ கருவில் இல்லை.

(4) நியூத்திரன் உள்ளது

அப்போது நியூத்திரன் கண்டுபிடிக்கப்படவில்லை.

(5) γ-கதிர்கள் வெளியேறுகின்றன

γ-கதிர்கள் வேறு வினை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): "வெள்ளை எடுத்து சுவரில் வீசினால் திரும்பி வரும்" — Rutherford's analogy: 20,000-இல் 1 (1 in 20,000) நேராக திருப்பப்பட்டது → கருவின் (nucleus) அளவு அணுவை விட ~10⁵ மடங்கு சிறிய (smaller).

Q3 / 10 ★★★★☆

Rutherford ஏன் பொற்தகட்டு (gold foil) பயன்படுத்தினார்?

(1) தங்கம் கதிரியக்கம் (gold is radioactive)

தங்கம் கதிரியக்கம் அல்ல.

(2) தங்கம் மிக மெல்லியதாக (very thin) அடிக்கப்பட முடியும் — மெத்தனமான தகடு (foil)

சரி. தங்கம் மிக மென்மையானது (malleable), சில அணு அடுக்குகள் (a few atomic layers) தடிமன் தகடாக அடிக்கப்படலாம் → α-துணிக்கைகள் கடக்க எளிது.

(3) தங்கம் சோதனைக்காக இலவசம்

விலை அதிகம்.

(4) தங்கம் α-துணிக்கைகளை உள்ளார்த்தம் செய்யும்

α-துணிக்கைகள் உள்ளார்த்தம் ஆகாது.

(5) தங்கம் γ-கதிர்களை வெளியேற்றும்

γ-கதிர் வெளியீடு இல்லை.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): தங்கம் ~ 0.0001 mm தடிமன், அதிக Z (high Z = strong nucleus). சில அணு அடுக்குகள் மட்டுமே → α-துணிக்கைகள் கடக்கும்.

Q4 / 10 ★★★★☆

Rutherford-இன் α-துணிக்கைகளின் (alpha particles) ஆதாரம் (source) எது?

(1) மின்னிறக்கக் குழாய் (discharge tube)

அது e⁻ ஆதாரம்.

(2) ரேடியம் / பொலோனியம் (radium / polonium) — கதிரியக்க (radioactive) தனிமம்

சரி. கதிரியக்க தனிமங்கள் (Ra, Po) இயற்கையாக α-துணிக்கைகளை (α-particles) வெளியேற்றும். (α = ⁴He²⁺ கரு.)

(3) நியூக்ளியர் உலை (nuclear reactor)

அதிக சக்தி உள்ள சாதனம்.

(4) X-கதிர் குழாய்

X-கதிர் வேறு.

(5) கதோடு (cathode)

அது e⁻.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): α-துணிக்கை = ⁴He²⁺ கரு (2 p + 2 n, +2 ஏற்றம்). கதிரியக்க சிதைவில் (radioactive decay) வெளியேற்றப்படுகிறது.

Q5 / 10 ★★★★☆

Rutherford-இன் கருவணு (nuclear) மாதிரி எந்த அம்சத்தில் தவறு (wrong)?

(1) கரு உள்ளது என்று கூறியது

சரியான கருத்து.

(2) e⁻ வெளியே சுற்றுகின்றன என்று கூறியது

சரியான கருத்து.

(3) e⁻ எந்த சக்தியிலும் இருக்கலாம் என்று கூறியது (e⁻ can be at any energy) — ஆனால் உண்மையில் குவாண்டமாக்கப்பட்டுள்ளது

சரி. Rutherford-இல் e⁻ எந்த சக்தியிலும் சுற்றலாம் — ஆனால் இது நிலையற்றது (unstable, would spiral into nucleus). Bohr-இன் (Bohr) குவாண்டம் கருத்து இதை தீர்த்தது.

(4) நேர் ஏற்றம் கருவில் என்றது

சரி.

(5) கரு சிறியது என்றது

சரி.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Rutherford-இன் குறை: (1) e⁻ ஏன் கருவில் விழவில்லை? (2) தனிப்பட்ட நிறமாலை கோடுகளை விளக்க முடியாது (discrete spectral lines). Bohr (1913) இவற்றை தீர்த்தார்.

Q6 / 10 ★★★☆☆

Rutherford சோதனை யார் முதலில் (originally) செய்தது?

(1) Rutherford தனியாக

சோதனை அவரது மாணவர்களால் செய்யப்பட்டது.

(2) Marsden & Geiger (Rutherford-இன் மாணவர்கள் / students)

சரி. Hans Geiger & Ernest Marsden (Rutherford's students), Manchester, 1909–11.

(3) Thomson

அது e⁻.

(4) Bohr

Bohr — quantum.

(5) Chadwick

Chadwick — n.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Rutherford சோதனையை வடிவமைத்து விளக்கினார். Geiger & Marsden அதை நிகழ்த்தினர் (carried it out).

Q7 / 10 ★★★☆☆

பொற்தகட்டில் (gold foil) α-துணிக்கை சிதறலின் (scattering) ZnS திரை (screen) பயன்பாடு என்ன?

(1) α-துணிக்கைகளை நிறுத்த

நிறுத்துவதற்காக அல்ல; கண்டறிய (detect).

(2) α-துணிக்கைகள் மோதும் போது ஒளி (light) வெளியேற்ற — flashes தெரிய

சரி. ZnS கூம்பு (fluorescence) — α-துணிக்கை மோதினால் ஒளி எழும், Geiger எண்ணினார். அதனால் சிதறல் கோணங்களை (scattering angles) கண்டறிய முடிந்தது.

(3) γ-கதிர் கண்டறிய

γ அல்ல, α.

(4) மின்புலம் (electric field) உருவாக்க

மின் புலம் இல்லை.

(5) கருவை காட்ட

நேரடியாக கருவை காட்ட முடியாது.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): ZnS = scintillator (கூம்பு பொருள் / fluorescent material). α-துணிக்கை மோதினால் கண்ணுக்கு தெரியும் (visible) ஒளி flash. கைமுறையில் (manually) எண்ணப்பட்டது.

Q8 / 10 ★★★★☆

கருவின் (nucleus) தோராய (approximate) அளவு என்ன, அணுவின் அளவை ஒப்பிட்டு?

(1) 10× சிறிய

மிகவும் சிறிய.

(2) 100× சிறிய

மிகவும் சிறிய.

(3) 1000× சிறிய

மிகவும் சிறிய.

(4) 10,000× சிறிய

கிட்டத்தட்ட.

(5) 10⁵× சிறிய (smaller)

சரி. அணு ~ 10⁻¹⁰ m (Å). கரு ~ 10⁻¹⁵ m (fm). விகிதம் ~ 10⁻⁵ = 100,000 மடங்கு சிறிய.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): ஒப்பீடு (analogy): அணு = ஒரு உருவகமான கால்பந்து விளையாட்டு மைதானம் (football stadium). கரு = மைய புள்ளியில் ஒரு குருதிக்கொஞ்சம் (a pea at the centre).

Q9 / 10 ★★★☆☆

Rutherford-இன் சோதனை எந்த கருத்தை முதலில் (first) நிரூபித்தது?

(1) அணு பிளக்கக்கூடியது

Thomson அதை முதலில் காட்டினார்.

(2) கருவின் இருப்பு (existence of nucleus)

சரி. Rutherford (1911) கருவைக் கண்டுபிடித்தார்.

(3) நியூத்திரன் இருப்பு

Chadwick (1932).

(4) e⁻ அலை (electron wave)

de Broglie (1924).

(5) குவாண்டமாக்கப்பட்ட சக்தி நிலைகள் (quantised energy levels)

Bohr (1913).

ஆழமான விளக்கம் (Deep): Rutherford-இன் பங்களிப்பு (contribution): "கரு" என்ற கருத்தை அறிமுகப்படுத்தினார். இதுவே நவீன அணுக் கொள்கையின் (modern atomic theory) அடிப்படை.

Q10 / 10 ★★★☆☆

Rutherford-இன் α-துணிக்கை சிதறல் (scattering) சோதனையில் பெரும்பான்மை α-துணிக்கைகள் நேராக கடப்பதன் (passing straight through) காரணம் என்ன?

(1) α-துணிக்கைகள் e⁻-உடன் வினைபுரியா

e⁻-உடன் சக்தி வேறுபாடு பெரியது (huge mass difference), அதனால் e⁻ α-ஐ வழிநடத்தாது — ஆனால் அது நேரடிக் காரணம் அல்ல.

(2) அணுவின் பெரும்பான்மை வெற்றிடம் (mostly empty space)

சரி. பெரும்பான்மை (most) α-துணிக்கைகள் கருக்களை சந்திக்காமல் (don't hit any nucleus) கடக்கின்றன.

(3) γ-கதிர்கள் அவற்றை வழிநடத்துகின்றன

γ-கதிர்கள் தொடர்பில்லை.

(4) தங்கம் α-துணிக்கைகளை விரும்புகிறது

தங்கத்துக்கு "விருப்பம்" இல்லை.

(5) α-துணிக்கைகள் மிக சக்தி கொண்டவை

சக்தி உயர் இருந்தாலும் கருவை மோதினால் திரும்பும்.

ஆழமான விளக்கம் (Deep): எண்ணியல் (statistics): சுமார் 99.99% α-துணிக்கைகள் கருவைச் சந்திக்காமல் கடக்கின்றன. அதனால் அணு பெரும்பான்மை வெற்றிடம்.

📜 தேர்வுக் கேள்விகள் (exam-style questions)

🟢 உறுதி (Confirmed) = AL வினாத்தாள் PDF-இலிருந்து நேரடியாக எடுக்கப்பட்டது. 🟡 பாங்கு (Pattern) = NIE textbook + past-paper வடிவத்தில் கட்டமைக்கப்பட்ட பயிற்சிக் கேள்வி — உண்மையான தேர்வுக் கேள்வி அல்ல, ஆனால் தேர்வில் தோன்றக்கூடிய வடிவமே.

2024 · P2 · (typical structured part) 🟡 பாங்கு (pattern)

Rutherford-இன் α-துணிக்கை சிதறல் சோதனையில் (α-scattering experiment), பெரும்பான்மை α-துணிக்கைகள் (most α particles) நேராக கடப்பதன் (passing straight through) முக்கிய முடிவு (conclusion) என்ன?

அணு கருவை அடிப்படையாக கொண்டது
அணு பெரும்பான்மை வெற்றிடம் (atom is mostly empty space)
நேர் ஏற்றம் கருவில் குவிந்துள்ளது
நியூத்திரன் கருவில் உள்ளது
e⁻ ஓபிற்றலில் சுற்றுகிறது

விடை: (2) அணு பெரும்பான்மை வெற்றிடம் (atom is mostly empty). α-துணிக்கைகள் கடக்க முடியாதது போதிய அடர்த்தியான பகுதி (no significant solid region) இல்லை. திரும்பும் சில துணிக்கைகள் கருவின் (nucleus) இருப்பைக் காட்டுகின்றன.

2021 · P2 · (typical) 🟡 பாங்கு (pattern)

Rutherford-இன் கருவணு (nuclear) மாதிரியின் (model) முக்கிய குறை (key limitation) என்ன?

கருவின் இருப்பை மறுத்தது
e⁻ எந்த சக்தியிலும் இருக்கலாம் என்றது (allowed e⁻ at any energy) — classical physics-படி அது spiral-ஆக கருவில் விழ வேண்டும்
நியூத்திரன் கண்டுபிடிக்கப்படவில்லை என்று கூறியது
அணு திணிவெண்ணை கணக்கிட முடியவில்லை
α-துணிக்கை சிதறலை விளக்க முடியவில்லை

விடை: (2) e⁻ எந்த சக்தியிலும் இருக்கலாம் என்றது. Classical physics-படி (according to classical physics) சுற்றும் e⁻ ஆற்றலை இழந்து கருவில் விழ வேண்டும். Bohr (1913) குவாண்டமாக்கப்பட்ட (quantised) சக்தி மட்டங்களைக் கொண்டு இதை தீர்த்தார்.

2017 · P1 · Q1 🟢 உறுதி (confirmed)

தாம்சனின் "பிளம் புடிங் (plum-pudding)" அணு-மாதிரியை மறுத்த விஞ்ஞானி (scientist who disproved):

Ernest Rutherford
Robert Millikan
Niels Bohr
Eugen Goldstein
Henry Moseley

விடை: (1) Ernest Rutherford. 1911-இல் பொற்தகட்டுச் சோதனை (Geiger & Marsden நடத்தினர்) மூலம் — பெரும் கோண திருப்பல்கள் அணுக்கரு (nucleus) இருப்பதை நிரூபித்தது, plum-pudding-ஐ மறுத்தது. Millikan e⁻ ஏற்றத்தை அளவிட்டார்; Bohr quantum மாதிரியை வழங்கினார்.

📊 தேர்வுச் சுருக்கம் Paper I + Paper II ~0–1 MCQ 📅 ~50% / years 🎚 easy → medium

சமீபத்திய வருடங்கள்: 2024, 2021, 2018, 2016, 2014

🎯 அதிக மதிப்பெண் தரும் புள்ளிகள்

பெரும்பான்மை α கடப்பது → அணு வெற்றிடம் (mostly empty)
சில α திரும்புதல் → கரு (nucleus) சிறிய + அடர்த்தியான + நேர் ஏற்றம்
கரு / அணு விகிதம் ~ 10⁻⁵ (1:100,000)
Source: Ra/Po (கதிரியக்கம் / radioactive); Detector: ZnS screen
Rutherford-இன் குறை (limitation): e⁻ ஏன் spiral-ஆக விழவில்லை → Bohr (1913) தீர்த்தது

⚠ பொதுவான தவறுகள் (common traps)

சோதனையை Rutherford தனியாக செய்தார் என்று நினைப்பது (Geiger & Marsden செய்தார்கள்)
நியூத்திரன் கண்டுபிடிப்பு Rutherford என்று நினைப்பது (அது Chadwick)
பொற்தகட்டு கதிரியக்கம் (radioactive) என்று நினைப்பது (இல்லை, α ஆதாரம் Ra/Po)

💡 ஒரே வரியில்: பெரும்பான்மை α கடக்கின்றன → அணு வெற்றிடம். சில திரும்புகின்றன → சிறிய அடர்த்தியான +ve கரு.

🔗 தொடர்புடைய கருத்துகள் — Connected Concepts

Unit 1 அணுக் கொள்கையின் காலவரிசை (timeline) Unit 1 p, n, e⁻ — அடிப்படை துணிக்கைகள் (fundamental particles) Unit 1 Bohr → குவாண்டம் (quantum) நிலைகள் → Rutherford-இன் குறையை தீர்த்தது Unit 1 நவீன ஓபிற்றல் (modern orbital) கருத்து — Schrödinger 1926

ரதர்ஃபோர்ட் சோதனை
*Rutherford gold foil experiment*
Credit: Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0
📖 மேலதிக தகவல் / More on Wikipedia →

📝 பயிற்சி வினாக்கள்

பகுதி I — பல்தேர்வு வினாக்கள்

ரதர்ஃபோர்டின் சோதனையில் பயன்படுத்தப்பட்ட துகள்கள்:
1. எலக்ட்ரான்
2. நியூட்ரான்
3. α-துகள்கள்
4. புரோட்டான்
5. ஒளியன்
விடை
(3) — நேர்மின் α-துகள்கள் தங்கத்தகட்டின் மீது செலுத்தப்பட்டன.
பெரும்பாலான α-துகள்கள் நேராகச் சென்றமை காட்டுவது:
1. திண்மம்
2. பெரும்பாலும் வெற்றிடம்
3. எதிர்மின்
4. சிறியது
5. நீர்மம்
விடை
(2) — அணு பெரும்பாலும் வெற்றிடம்.
சில துகள்கள் பெருங்கோணத்தில் தெறித்தமை காட்டுவது:
1. எலக்ட்ரான் முகில்
2. அடர்த்தியான நேர்மின் கரு
3. நியூட்ரான்
4. காந்தப்புலம்
5. சமதானிகள்
விடை
(2) — அடர்த்தியான, நேர்மின் கரு α-வை விரட்டியது.
ரதர்ஃபோர்ட் மாதிரியின் முக்கிய வரம்பு:
1. கருவை விளக்கவில்லை
2. எலக்ட்ரான் ஏன் கருவில் விழவில்லை எனல்
3. நியூட்ரானை விளக்கியது
4. சமதானி
5. எதுவுமில்லை
விடை
(2) — செவ்வியல் இயற்பியற்படி சுழலும் எலக்ட்ரான் ஆற்றலை இழந்து கருவில் விழ வேண்டும் — விளக்கப்படவில்லை.
கரு பற்றி ரதர்ஃபோர்ட் முடிவு செய்தது அது:
1. பெரியது, எதிர்மின்
2. சிறியது, நேர்மின், அடர்த்தியானது
3. மின்னூட்டமற்றது
4. வெற்றிடம்
5. எலக்ட்ரானால் ஆனது
விடை
(2) — சிறிய, அடர்த்தியான, நேர்மின் கரு.
தங்கத்தகடு பயன்படுத்தப்பட்டதன் காரணம் அது:
1. விலையுயர்ந்தது
2. மிக மெல்லியதாக அடிக்கலாம்
3. நிறமுடையது
4. கதிரியக்கம்
5. எதிர்வினையற்றது
விடை
(2) — தங்கம் மிக மெல்லிய தகடாக (சில அணுக்கனம்) அடிக்கப்படலாம்.

பகுதி II — கட்டமைப்பு வினா

• ரதர்ஃபோர்டின் தங்கத்தகட்டுச் சோதனையின் இரு அவதானிப்பு + முடிவைத் தருக.

மாதிரி விடை

(i) பெரும்பாலானவை நேரே → வெற்றிடம். (ii) சில பெருங்கோணம்/பின்தெறிப்பு → அடர்த்தியான நேர்மின் கரு.

• ரதர்ஃபோர்ட் மாதிரியின் ஒரு வெற்றியும் ஒரு வரம்பும் தருக.

மாதிரி விடை

வெற்றி: கருவை இனங்கண்டது. வரம்பு: எலக்ட்ரானின் நிலைத்தன்மையை விளக்கவில்லை.

கட்டுரை வினா

• ரதர்ஃபோர்டின் சோதனை, அதன் அவதானிப்புகள், முடிவுகள், மாதிரியின் வரம்புகளை விளக்கி எழுதுக.

விடை வரைவு

வரைவு: மெல்லிய தங்கத்தகடு மீது α; பெரும்பாலானவை நேரே (வெற்றிடம்), சில தெறிப்பு (கரு); முடிவு—சிறிய அடர்த்தியான நேர்மின் கரு+வெளியே எலக்ட்ரான்; வரம்பு—எலக்ட்ரான் நிலைத்தன்மை, நிறமாலை விளக்கப்படவில்லை → போர் மாதிரி தேவை.