Percobaan Geiger-Marsden

Percobaan Geiger–Marsden(disebut pula sebagaipercobaan lempeng emas Rutherford) adalah rangkaian pentingeksperimenyang mempelajari bahwa setiapatommemilikiintiyang semuamuatan positifdan sebagian besar massanya terkonsentrasi. Kesimpulan ini didapat setelah mengukur bagaimana sinarpartikel alfaterhamburkanketika mengenailempeng emasyang tipis. Percobaan ini dilakukan antara tahun 1908 dan 1913 olehHans GeigerdanErnest Marsdendi bawah arahanErnest Rutherforddi Laboratorium FisikaUniversitas Manchester.
Teori struktur atom yang populer pada saat percobaan Rutherford adalah "model puding prem". Model ini dirancang olehLord Kelvindan dikembangkan lebih lanjut olehJ.J. Thomson. Thomson telah menemukanelektron, dan percaya setiap atom adalah bola bermuatan positif dengan elektron yang tersebar secara merata, menyerupai kismis dalampuding Natal. Keberadaanprotondanneutrontidak diketahui saat itu. Thomson mengetahui bahwa atom sangat kecil (Rutherford berasumsi atom memiliki jari-jari sekitar 10m). Model ini sepenuhnya didasarkan padafisika klasik(Newtonian); model yang diterima saat ini menggunakanmekanika kuantum.
Model Thomson tidak diterima secara universal bahkan sebelum percobaan Rutherford. Thomson sendiri tidak pernah mampu mengembangkan model konsepnya yang lengkap dan stabil. Ilmuwan JepangHantaro Nagaokamenolak model Thomson dengan alasan bahwa muatan yang berlawanan tidak dapat menembus satu sama lain.Dia mengusulkan sebaliknya bahwa elektron mengorbit muatan positif seperti cincin di sekitar Saturnus.
Partikel alfaadalah partikel materi yang bermuatan positif dan submikroskopis. MenurutModel puding premThomson, jika partikel alfa bertabrakan dengan atom, ia akan terbang lurus, lintasannya dibelokkan paling banyak sepersekian derajat. Pada skala atom, konsep "materi padat" tidak ada artinya. Atom Thomson adalah bola bermuatan listrik positif, ditambatkan di tempatnya oleh massanya. Karenanya partikel alfa tidak akan memantul dari atom seperti bola, tetapi mungkin melewatinya jikamedan listrikatom cukup lemah untuk memungkinkannya. Model Thomson meramalkan bahwa medan listrik dalam atom terlalu lemah untuk mempengaruhi partikel alfa yang lewat (partikel alfa cenderung bergerak sangat cepat). Baik muatan negatif maupun positif dalam atom Thomson tersebar di seluruh volume atom. MenurutHukum Coulomb, semakin sedikit konsentrasi bola yang bermuatan listrik, semakin lemah medan listriknya di permukaannya.
Sebagai contoh, jika partikel alfa yang melewati tepi atom emas, yang akan mengalami medan listrik paling kuat dan karenanya mengalami pembelokkan maksimum.θ. Karena elektron sangat ringan dibandingkan dengan partikel alfa, pengaruhnya dapat diabaikan,sehingga atom dapat dilihat sebagai bola pejal bermuatan positif.
Menggunakan fisika klasik, perubahan momentum lateral partikel alfapydapat didekati dengan menggunakan hubungan impuls gaya dan persamaangaya Coulomb:
Perhitungan di atas hanyalah perkiraan dari apa yang terjadi ketika partikel alfa mendekati atom Thomson, tetapi jelas bahwa pembelokkan paling banyak akan berada dengan besar sebagian kecil derajat. Jika partikel alfa melewati kertas emas setebal sekitar 4mikrometer(2.410 atom)dan mengalami pembelokkan maksimal ke arah yang sama (jarang), pembelokkan tersebut tetap saja kecil.
Atas perintah Rutherford, Geiger dan Marsden melakukan serangkaian percobaan dengan mengarahkan seberkas partikel alfa pada lapisan tipis logam dan,menggunakan metode sintilasi yang dirancang oleh Crookes, Elster, & Geitelmengukur pola hamburan dengan menggunakanlayar pendar. Mereka melihat partikel alfa memantul dari lempeng tipis logam ke segala arah, beberapa tepat kembali ke sumbernya. Hal ini seharusnya tidak mungkin menurut model Thomson; partikel alfa seharusnya sudah melewati semuanya. Jelas, partikel-partikel itu telah mengalami gayaelektrostatikyang jauh lebih besar daripada yang disarankan model Thomson. Selanjutnya, hanya sebagian kecil partikel alfa yang dibelokkan lebih dari 90°. Sebagian besar terbang langsung melalui lempeng tipis dengan defleksi yang dapat diabaikan.
Untuk menjelaskan hasil yang aneh ini, Rutherford membayangkan bahwa muatan positif atom terkonsentrasi dalam inti kecil di pusatnya, yang kemudian berarti bahwa sebagian besar volume atom adalah ruang kosong.