Geiger-Marsdenin koe (jota kutsutaan myös kultakalvokokeeksi tai Rutherfordin kokeeksi) oli Hans Geigerin ja Ernest Marsdenin vuonna 1909 tekemä tieteellinen koe. Ernest Rutherford opasti heitä, ja koe tapahtui Manchesterin yliopiston fysikaalisissa laboratorioissa. Kokeen tulokset olivat yllättäviä. Ne osoittivat tutkijoille, että atomiydin on olemassa. Tämä kumosi atomin luumumallin ja johti Rutherfordin atomimalliin (jota kutsutaan myös planeettamalliksi).

 

Kokeen kulku ja laitteisto

Koe tehtiin siten, että hyvin ohuelle kultakalvolle suunnattiin alfa-hiukkasia. Alfa-hiukkasia tuotti radioaktiivinen lähde; hiukkasten törmäyksiä ja suuntia havaittiin käsin tarkkailemalla sähkösulfiidi-pintaa (todellisuudessa käytössä oli sinkkisulfidi -näyttöpinta), joka säteili pienen välähdyksen (välähdyskohtauksen) kun alfa-hiukkanen iski siihen. Geiger ja Marsden laskivat välähdyksiä mikroskoopin läpi ja merkitsivät poikkeavuudet suuntiin nähden.

Havaintoja

  • Suurin osa alfa-hiukkasista kulki kullankalvon läpi käytännössä suoraan, eli vain vähän tai ei lainkaan poikkeamaa.
  • Osa hiukkasista taipui suurella kulmalla pois alkuperäisestä suunnastaan.
  • Hyvin harvoin alfa-hiukkanen takaisinheijastui lähes vastakkaiseen suuntaan (jopa yli 90°), mikä oli erityisen yllättävää sen ajan atomiteorioiden valossa.

Tulkinta ja merkitys

Rutherford tulkitsi havainnot seuraavasti: koska suurin osa hiukkasista kulki esteettä läpi, atomi koostuu pääosin tyhjästä tilasta. Toisaalta satunnaiset voimakkaat kimmokkeet osoittivat, että atomin massan ja positiivisen sähkövarauksen täytyi olla keskitettynä hyvin pieneen tilaan — atomiytimeen. Näin kumottiin luumumalli, jonka mukaan positiivinen varaus olisi jakautunut koko atomiin.

Rutherford arvioi ydimen halkaisijan olevan luokkaa 10−14–10−15 metriä, kun taas atomin koko oli tunnetusti noin 10−10 metriä. Tämä tarkoitti, että ydin on valtavasti pienempi kuin atomi mutta sisältää käytännössä kaiken massan.

Seuraukset fysiikalle

  • Koe johti Rutherfordin atomimalliin (planeettamalliin), jossa elektronit liikuskelevat pienen, massakeskittymän ympärillä.
  • Myöhemmin Niels Bohr rakensi tämän pohjalle oman kvantittuneen mallinsa, joka selitti atomien spektriviivat paremmin.
  • Rutherfordin kokeen tulokset ja sitä seurannut analyysi (Rutherfordin sirontakaava) ovat keskeisiä ydinfysiikan ja atomirakenteen ymmärtämisessä.

Merkitys tieteellisessä historiassa

Geiger–Marsdenin koe on yksi klassisista kokeista, joka muutti käsityksemme aineen rakenteesta. Se osoitti, kuinka yksinkertaisilta vaikuttavat, huolellisesti toteutetut mittaukset voivat kumota vallitsevan teorian ja johtaa kokonaan uuteen malliin. Hans Geigerin myöhempi työ johti myös tunnettuun Geigerin ilmaisimeen, joka on ollut tärkeä väline radioaktiivisuuden tutkimuksessa ja käytännössä.