Experimento de Rutherford

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El experimento de Rutherford mejoró el modelo atómico de Thomson.

Los experimentos de Rutherford fueron una serie de experimentos históricos mediante el cual los científicos descubrieron que cada átomo tiene un núcleo donde su carga positiva y la mayor parte de su masa se concentran. Ellos dedujeron esto midiendo cómo un haz de partículas alfa se dispersa cuando golpea una delgada hoja metálica. Los experimentos se realizaron entre 1908 y 1913 por Hans Geiger y Ernest Marsden bajo la dirección de Ernest Rutherford en los laboratorios de la Universidad de Mánchester.

Resumen[editar]

La teoría popular de la estructura atómica de la época fue la de JJ Thomson. Thomson fue el científico que descubrió el electrón, y que era una parte de cada átomo. Thomson creyó que el átomo fue un esfera de carga positiva a través de la cual los electrones fueron distribuidos. Los protones y los neutrones eran desconocidos en este época.

El modelo de Thomson no fue universalmente aceptado. Thomson mismo no fue capaz de desarrollar un modelo estable y completo de su concepto. Hantaro Nagaoka, un científico japonés, lo rechazó alegando que las carga eléctricas opuesta no pueden penetrar entre sí. En cambio, propuso que los electrones orbitaban la carga positiva como los anillos de Saturno.[1]

La predicción[editar]

Una partícula alfa es una partícula submicroscópica con una carga positiva. Según el modelo de Thomson, si una partícula alfa chocara un átomo, pasaría directamente a través. A escala átomica, el concepto de «materia sólida» carece de sentido, por lo que la partícula alfa no rebotaría en el átomo como mármoles. Sólo se vería afectada por los campos eléctricos del átomo, y en el modelo de Thomson los campos eléctricos demasiado débiles para afectar una partícula alfa pasajera en un grado significativo. Ambas cargas negativas y positivas dentro del átomo de Thomson se extienden sobre todo el volumen del átomo. De acuerdo con la Ley de Coulomb, cuanto menos concentrada es una esfera de carga eléctrica, más débil será su campo eléctrico en su superficie.

Thomson model alpha particle scattering.svg

Como ejemplo trabajado, considere una partícula alfa que pasa tangencialmente a un átomo de oro de Thomson, donde experimentará el campo eléctrico en su punto más fuerte y, de este modo, experimentará la máxima deflexión θ. Puesto que los electrones son muy ligeros comparados con la partícula alfa, su influencia puede ser descuidada y el átomo puede ser visto como una esfera de carga positiva.

Qn = carga de un átomo de oro = 79e = 1.266 × 10-17 C
Qα = charge de una partícula alfa = 2e = 3.204 × 10-19 C
r = radio de un átomo de oro = 1.44 × 10-10 m
vα = velocidad de una partícula alfa = 1.53 107 m/s
mα = masa de una partícula alfa = 6.645 × 10-27 kg
k = Constante de Coulomb = 8.998 × 109 N·m2/C2

Usando la física clásica, el cambio lateral de la partícula alfa en el momento Δp puede ser aproximado usando el impulso de la relación de fuerza y la expresión fuerza de Coulomb.

El cálculo anterior no es más que una aproximación, pero está claro que la deflexión a lo sumo estará en el orden de una pequeña fracción de un grado. Si la partícula alfa pasara a través de una lámina de oro de unos 400 átomos de espesor y experimentara una deflexión máxima en la misma dirección (poco probable), seguiría siendo una pequeña deflexión.

El resultado[editar]

A petición de Rutherford, Geiger y Marsden realizaron una serie de experimentos los que señalaron un haz de partículas alfa en una fina lámina de metal y midieron el patrón de dispersión usando una pantalla fluorescente. Detectaron partículas alfa rebotando en la hoja de metal en todas las direcciones, algunas de vuelta en la fuente. Esto debería haber sido imposible según el modelo de Thomson. Obviamente, esas partículas habían encontrado una fuerza electrostática mucho mayor que el modelo de Thomson, lo que a su vez implicaba que la carga positiva del átomo se concentraba en un volumen mucho más pequeño de lo que Thomson imaginaba.[2]

Cuando Geiger y Marsden dispararon partículas alfa en sus láminas metálicas, se dieron cuenta de que sólo una pequeña fracción de las partículas alfa se desvió en más de 90°. La mayoría voló directamente a través de la lámina. Esto sugirió que esas esferas minúsculas de la carga positiva intensa fueron separadas por vastos golfos del espacio vacío. La mayoría de las partículas pasaron a través del espacio vacío con una desviación mínima, y una pequeña fracción golpeó los núcleos y se desvió fuertemente.

Rutherford rechazó así el modelo de Thomson, y en cambio propuso un modelo en el que el átomo consistió en la mayoría de espacio vacío, con toda su carga positiva concentrada en su centro en un volumen muy pequeño, rodeado por una nube de electrones.

Cronograma[editar]

Fondo[editar]

Ernest Rutherford fue profesor de física en la Universidad de Manchester. Ya había recibido numerosos honores por sus estudios de radiación. Había descubierto la existencia de rayos alfa, rayos beta y rayos gamm, y había demostrado que éstos eran la consecuencia de la distintegración de los átomos. En 1906, recibió la visita de un físico alemán llamado Hans Geiger, y quedó tan impresionado que le pidió a Geiger que se quedara y le ayudara en sus investigaciones. Ernest Marsden era un estudiante de licenciatura en física que estudiaba bajo Geiger.

Las partículas alfa son pequeñas partículas positivamente cargadas que son emitidas espontáneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio. El propio Rutherford los había descubierto en 1899. En 1908 estaba tratando de medir con precisión su relación de carga-masa. Para hacer esto, primero necesitaba saber cuántas partículas alfa su muestra de radio estaba emitiendo (después de lo cual mediría su carga total y dividiría una por la otra). Las partículas alfa son demasiado pequeñas para ser vistas incluso con un microscopio, pero Rutherford sabía que las partículas alfa ionizan les moléculas de aire, y si el aire está dentro de un campo eléctrico, los iones producirán una corriente eléctrica. En este principio, Rutherford y Geiger diseñaron un dispositivo de conteo simple que consistió en dos electrodos en un tubo de cristal. Cada partícula alfa que pasaba por el tubo creaba un pulso electricidad que podía ser contado. Era una versión temprana del contador Geiger.[3]

Los experimentos que diseñaron involucraron bombardear una lámina metálica con partículas alfa par observar cómo la lámina los dispersó en relación con su espesor y material. Utilizaron una pantalla fluorescente para medir las trayectorias de las partículas. Cada impacto de una partícula alfa en la pantalla produjo un pequeño destello de luz. Geiger trabajó en un laboratorio oscurecido durante horas y horas, contando estos pequeños centellos con un microscopio. Rutherford carecía de la resistencia para este trabajo, por lo que se lo dejó a sus colegas más jóvenes.[4] Para la lámina metálica, probaron una variedad de metales, pero preferían el oro porque podían hacer que la lámina fuera muy fina, ya que el oro es muy maleable.[5] Como fuente de partículas alfa, la sustancia de elección de Rutherford era el radio, una sustancia varios millones de veces más radiactiva que el uranio.

El experimento de 1908[editar]

Este aparato fue descrito en un artículo de 1908 por Hans Geiger. Sólo podía medir deflexiones de unos pocos grados.

Un artículo de 1908 por Geiger, «Sobre la Dispersión de Partículas por Materia», describe el siguiente experimento. Geiger construyó un largo tubo de vidrio de casi dos metros de longitud. En un extremo del tubo había una cantidad de "emanación de radio" (R) que servía como fuente de partículas alfa. El extremo opuesto del tubo se cubrió con una pantalla fosforescente (Z). En el centro del tubo había una hendidura de 0,9 mm de ancho. Las partículas alfa de R pasaron a través de la hendidura y crearon un parche brillante de luz en la pantalla. Se utilizó un microscopio (M) para contar los centelleos en la pantalla y medir su propagación. Geiger bombeó todo el aire del tubo para que las partículas alfa estuvieran desobstruidas y dejaron una imagen limpia y apretada en la pantalla que correspondía a la forma de la hendidura. Geiger entonces dejó un poco de aire en el tubo, y el parche brillante se hizo más difuso. Geiger luego bombeó el aire y colocó una hoja de oro sobre la ranura en AA. Esto también hizo que el parche de luz en la pantalla se extendiera más. Este experimento demostró que tanto el aire como la materia sólida podrían dispersar notablemente las partículas alfa. El aparato, sin embargo, sólo podía observar pequeños ángulos de deflexión. Rutherford quería saber si las partículas alfa estaban siendo esparcidas por ángulos aún mayores-quizás más de 90°.

El experimento de 1909[editar]

En estos experimentos, las partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva (A) se observaron rebotando de un reflector de metal (R) y sobre un pantalla fluorescente (S) en el otro lado de una placa de plomo (P).

En un artículo de 1909, «En una Reflexión Difusa de las Partículas Alfa»,[6] Geiger y Marsden describieron el experimento mediante el cual demostraron que las partículas alfa pueden ser dispersadas por más de 90°. En su experimento prepararon un pequeño tubo de vidrio cónico (AB) que contenía radio, y su apertura fue sellada con mica. Esto fue su emisor de partículas alfa. Ellos montaron una placa de plomo (P), detrás de la cual se colocó una pantalla fluorescente (S). Ellos posicionaron el tubo de radio en el otro lado de la placa. de tal manera que las partículas alfa que emitió no pudieron golpear directamente la pantalla. Ellos notoran unos cuanto centelleos en la pantalla. Se debía a que algunas partículas alfa evitaron la placa de plomo rebotando en las moléculas de aire. Luego colocaron una lámina de metal (R) en el lado de la placa de plomo. Se dieron cuenta de más centelleos en la pantalla porque las partículas alfa estaban rebotando en la lámina. Contando los centelleos, notaron que los metales con mayor masa atómica, como el oro, reflejaban más partículas alfa que las más ligeras como el aluminio.

Geiger y Marsden entonces querían estimar el número total de partículas alfa que se estaban reflejando. La configuración anterior no era adecuada para ello porque el tubo contenía varias sustancias radiactivas (radio y sus productos de desintegración) y, por lo tanto, las partículas alfa emitidas tenían rangos variables y porque era difícil para ellos determinar a qué velocidad emitía el tubo partículas alfa. Esta vez, colocaron una pequeña cantidad de radio C (bismuto-214) sobre una placa de plomo, que rebotó sobre un reflector de platino (R) y sobre la pantalla. Ellos encontraron que sólo una pequeña fracción de las partículas alfa que golpeó el reflector rebotó en la pantalla (1 en 8000).[6]

El experimento de 1910[editar]

Este aparato se describió en el documento de 1910 de Geiger. Fue diseñado para medir con precisión cómo la dispersión varió según la sustancia y el espesor de la lámina.

Un artículo de 1910 de Geiger, «La dispersión de las α-partículas por materia», describe un experimento mediante el cual intentó medir cómo el ángulo más probable a través del cual se desvía una partícula alfa varía con el material por el que pasa, el espesor de dicho material, y la volecidad de las partículas alfa. Geiger construyó un tubo de vidrio hermético del que se bombeaba el aire. En un extremo había un bulbo (B) que contenía "emanción de radio" (radón-222). Por medio de mercurio, el radón en B fue bombeado por el estrecho del tubo había una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente (S). El microscopio que utilizó para contat los centelleos en la pantalla fue fijado a una escala de milímetro vertical con un vernier, lo que permitió a Geiger para medir con precisión donde los destellos de luz apareció en la pantalla y así calcular los ángulos de las partículas de deflexión. Las partículas alfa emitidas desde A se estrecharon a una viga por un pequeño orificio circular en D. Geiger colocó una lámina de metal en la trayectoria de los rayos en D y E para observar cómo cambió la zona de destellos. También podría variar la velocidad de las partículas alfa colocando hojas extra de mic o aluminio en A.

A partir de las meidiciones que tomó, Geiger llegó a las siguientes conclusiones:

  • el ángulo de deflexión más probable aumenta con el espesor del material
  • el ángulo de deflexión más probable es proporcional a la masa atómica de la sustancia
  • el ángulo de deflexión más probable disminuy con la velocidad de las partículas alfa
  • la porbabilidad que una partícula se desvíe por más de 90° es muy pequeña

Rutherford modela matemáticamente el patrón de dispersión[editar]

En 1911, Rutherford publicó un documento histórico en 1911 titulado «La dispersión de partículas alfa y beta por materia y la estructura del átomo»[7] en el que propuso que el átomo contenga en su centro un volumen de carga eléctrica que es muy pequeño e intenso (Rutherford lo trató como un carga puntual en sus ecuaciones). A los efectos de sus ecuaciones, supuso que esta carga central era positiva, pero admitió que no podía probar esto todavía.

Rutherford desarrolló un ecuación matemática que modelaba cómo la lámina debía dispersar las partículas alfa si toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atómica se concentraban en un solo punto en el centro de un átomo.

Rutherford's scattering equation illustrated.svg

s = el número de partículas alfa que caen sobre el área unitaria con un ángulo de deflexión Φ
r = la distancia del punto de incidencia de los rayos alfa sobre el material de dispersión
X = el número total de partículas que caen sobre el material de dispersión
n = el número de átomos en un volumen unitario del material
t = el espesor de la lámina
Qn = la carga positiva del núcleo atómico
Qα = la carga positiva de las partículas alfa
m = la masa de una partícula alfa
v = la velocidad de la partícula alfa

El experimento de 1913[editar]

En un artículo de 1913, «Las leyes de la deflexión de las partículas α mediante ángulos grandes»,[8] Geiger y Marsden describen una serie de experimentos mediante los cuales intentaron verificar experimentalmente la ecuación anterior que desarrolló Rutherford. La ecuación de Rutherford predijo que el número de centelleos por minuto (s) que se observará en un ángulo dado (Φ) debería ser proporcional a:

  1. csc4Φ/2
  2. espesor de la lámina t
  3. magnitud de la carga central Qn
  4. 1/(mv2)2

Su artículo de 1913 describe cuatro experimentos por los cuales demostraron cada una estas cuatro relaciones.

Este aparato fue descrito en un documento de 1913 de Geiger y Marsden. Fue diseñado para medier con precisión el patrón de dispersión de las partículas alfa producidas por la lámina metálica (F). El microscopio (M) y la pantalla (S) se fijaron a un cilindro giratorio y se pudieron mover un círculo completo alrededor de la lámina para que pudieran contar centelleos desde todos los ángulos.[8]

Para probar cómo la dispersión varió con el ángulo de deflexión (i.e., si s ∝ csc4Φ/2) Geiger y Marsden construyeron un aparato que consistía en un cilindro de metal hueco montado en un plato giratorio. Dentro del cilindro había una lámina metálica (F) y una fuente de radiación que contenía radón (R), montada sobre una column separada (T) que permitía que el cilindro girara independientemente. La columna era también un tubo por el cual se bombeaba aire fuera de cilindro. Un microscopio (M) con su objetivo cubierto por una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc (S) penetró en la pared del cilindro y apuntó a la hoja metálica. Al girar la mesa, el microscopio se puede mover un círculo alrededor de la lámina, permitiendo que Geiger observe y cuente las partículas alfa desviadas hasta 150°. Corrigiendo el error experimental, Geiger y Marsden encontraron que el número de partículas alfa que son desviadas por un ángulo Φ es en efecto proporcional a csc4Φ/2.[8]

Este aparato se usó para medir cómo el patrón de dispersión de partículas alfa varió en relación con el grosor de la lámina metálica, el peso atómico del material y la velocidad de las partículas alfa. El disco giratorio en el centro tenía seis agujeros que podían ser cubiertos con lámina.[8]

Geiger y Marsden luego probabron cómo la dispersión varió con el espesor de la lámina (i.e. if s ∝ t). Construyeron un disco (S) con seis orificios perforados en él. Los orificios fueron cubiertos con láminas de metal de espesor variable, or ninguno para el control. Este disco se selló entonces en un anillo de latón (A) entre dos pplacas de vidrio (B y C). El disco podría ser girado por media de una barra (P) para llevar cada ventana delante de la fuente de partículas alfa (R). En el panel de vidrio trasero se encontraba una pantalla de sulfuro de zinc (Z). Geiger y Marsden observaron que el número de centelleos que aparecieron en la pantalla era en realidad proporcional al espesor, siempre y cuando dicho espesor fuera pequeño.[8]

Geiger y Marsden reutilizaron el aparato anterior para medir cómo el patrón de dispersión varió con el cuadrado de la carga nuclear (i.e. si s ∝ Qn2). Geiger y Marsden supusieron que la carga del núcleo era proporcional al peso atómico del elemento, por lo que probaron si la dispersión era proporcional al peso atómico al cuadrado. Geiger y Marsden cubrían los agujeros del disco con láminas de oro, estaño, plata, cobre y aluminio. Medían el poder de frenado de cada lámina al equipararlo a un espesor equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que cada lámina produjo en la pantalla. Dividieron el número de centelleos por minuto por el equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que cada lámina produjo en la pantalla. Dividieron el número de centelleos por minuto por el quivalente de aire de la lámina respectiva, luege se dividieron de nuevo por la raíz cuadrada del peso atómico (ellos sabían que para las láminas de igual poder de frenado, el número de átomos por unidad de área es proporcional a la raíz cuadrada del peso atómico). Así, para cada metal, Geiger y Marsden obtuvieron el número de centelleos que produce un número fijo de átomos. Para cada metal, entonces dividieron este número por el cuadrado del peso atómico, y encontraron que las proporiciones eran más o menos iguales. Así probaron que s ∝ Qn2.[8]

Por último, Geiger y Marsden probado cómo la dispersión varió con la velocidad de las partículas alfa (i.e. si s α 1/v4). Utilizando de nuevo el mismo aparato, ellos retardaron las partículas alfa colocando hojas adicionales de mica delante de la fuente de partículas alfa. Observaron que, dentro del rango de error experimental, que el número de escintilaciones era en realidad proporcional a 1/v4.[8]

Rutherford determina que el núcleo está cargado positivamente[editar]

En su artículo de 1911, Rutherford supuso que la carga cental del átomo estaba cargada positivamente, pero reconoció que no podía decir con seguridad, ya que una carga negativa o positiva habría sido adecuada a su modelo de dispersión.[9] Los resultdos de otros experimentos confirmaron su hipótesis. En un artículo de 1913,[10] Rutherford declaró que el «núcleo» estaba cargado positivamente, basado en el resultado de experimento que exploraban la dispersión de partículas alfa en varios gases.

En 1917, Rutherford y su asistente William Kay comenzaron a explorar el paso de las partículas alfa a través de gases como el hidrógeno y el nitrógeno. En un experimento en el que dispararon un haz de partículas alfa a través del hidrógeno, las partículas alfa golpearon los núcleos de hidrógeno hacia adelante en la dirección de la viga, no hacia atrás. En un experimento en el que dispararon partículas alfa a través de nitrógeno, descubrió que las partículas alfa golpearon a núcleos de hidrógeno (i.e. protones) fuera de los núcleos de nitrógeno.[9]

Legado[editar]

Fue el suceso más increíble que me había ocurrido en toda mi vida. Era casi tan increíble como si se disparara un proyectil de 15 pulgadas en un trozo de papel de seda y volviera y te golpeara. En consideración, me di cuenta de que esta dispersión hacia atrás debe ser el resultado de una sola colisión, y cuando hice cálculos vi que era imposible conseguir algo de ese orden de magnitud a menos que tomó un sistema en el que la mayor parte de la masa del átomo se concentró en un núcleo minúsculo núcleo. Fue entonces cuando tuve la idea de un átomo con un minúsculo centro masivo, con una carga.

Ernest Rutherford, conferencia en Cambridge

El descubrimiento del núcleo fue uno de los descubrimientos científicos más importantes de todos los tiempos. Debido a que reveló la estructura de toda la materia, afectó a todas los campos científicos ye de ingeniería.

Véase también[editar]

Bibliografía[editar]

Enlaces externos[editar]

Referencias[editar]

  1. Nagaoka (1904)
  2. Manners (2000)
  3. Heilbron (2003)
  4. Reeves (2008)
  5. Tibbetts (2007)
  6. a b Geiger & Marsden (1909)
  7. Rutherford (1911)
  8. a b c d e f g Geiger & Marsden (1913)
  9. a b «Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus». American Institute of Physics. Consultado el 2014-10-23. 
  10. Rutherford & Nuttal (1913)