La dispersión de Rutherford es un tipo de experimento basado en la dispersión de partículas debida a interacciones eléctricas con los átomos de una lámina.
En el siglo V a.C., en la antigua Grecia, un filósofo griego llamado Demócrito propuso que la materia estaba formada por entidades indivisibles, a las que denominó "átomos". Sin embargo, sus ideas no fueron aceptadas, y prevalecieron otros modelos basados en elementos universales (agua, fuego) o características similares no científicas.
Con los avances de la química durante el siglo XVII, un científico inglés llamado John Dalton recuperó la idea de los átomos como constituyentes básicos de la materia y desarrolló un conjunto de propiedades que debían tener los átomos. Aunque no proporcionó más información sobre la estructura de los átomos, allanó el camino para que químicos y físicos estudiaran las distintas propiedades de los elementos y la existencia de partículas subatómicas, como los electrones y los protones.
En particular, J.J. Thomson descubrió los electrones en 1897, y la existencia de los protones se constató poco después. Fue Thomson quien propuso que la materia está formada por átomos. Propuso lo que se conoció como el "modelo del budín de ciruelas", que intentaba explicar dos propiedades conocidas de los átomos. Rutherford ideó un montaje experimental (junto con Hans Geiger y Ernest Marsden) para investigar más a fondo esta teoría, que ahora se conoce como experimento de dispersión de Rutherford o experimento de la lámina de oro.
¿Qué es el experimento de dispersión de Rutherford?
El experimento de dispersión de Rutherford se diseñó para demostrar el modelo del átomo de Thomson. Como Thomson propuso un modelo en el que la materia estaba formada por átomos que llenaban casi todo el espacio disponible con una carga positiva, el objetivo del experimento de Rutherford era disparar partículas cargadas positivamente para estudiar la dispersión y probar el modelo.
Diagrama y descripción de la dispersión de Rutherford
Esto es lo que Rutherford utilizó en el experimento
- Una lámina de oro. Para este experimento, Rutherford utilizó una lámina de oro muy fina (como el oro es muy maleable, es posible reducir su grosor a 0,00004 cm).
- Un haz de partículas alfa. Las partículas alfa eran los núcleos del helio (dos protones y dos neutrones), que, en la década de 1910, se sabía que sólo tenían carga positiva. Dado que Rutherford quería comprobar la estructura de los átomos, pensó en pequeñas partículas con carga positiva que pudiera disparar contra la lámina de oro. Esto se debe a que, segúnelmodelo de Thomson, los átomos eran cuerpos relativamente grandes, cargados positivamente y con electrones incrustados en ellos.
- Una pantalla que detectaba las partículas alfa. La finalidad de la pantalla era medir lo que les ocurría a las partículas alfa (su punto de impacto) tras ser dispersadas por la lámina de oro.
A continuación se muestra un diagrama del experimento de dispersión de Rutherford:
¿Cuáles fueron los resultados del experimento de dispersión de Rutherford?
El mecanismo del experimento es relativamente sencillo. Disparando partículas alfa contra la lámina de oro y detectando dónde acaban, podemos extraer importantes conclusiones sobre la estructura atómicadelátomo de oro. Al realizar este experimento, es importante reducir al máximo el grosor de la lámina, ya que así se evitan sucesos de dispersión múltiple que podrían comprometer las conclusiones del experimento. Lo ideal es que cada partícula alfa interactúe con un solo átomo de oro.
Conclusiones del experimento
Cuando Rutherford hizo el experimento, esperaba detectar la mayoría de las partículas alfa en el lado más cercano al emisor alfa. Esto se debía a que el modelo de Thomson se basaba en grandes trozos de carga positiva que repelerían las partículas alfa (hacia atrás). Sin embargo, el experimento arrojó los resultados contrarios.La mayoría de las partículas alfaatravesaron la lámina de oro y no se dispersaron, y unas pocas partículas se dispersaron ligeramente. Sólo un pequeño número de partículas se dispersaron fuertemente, y Rutherford observó que cuanto mayor era el ángulo de dispersión, menor era el número de partículas alfa.
Esto es lo que concluyó el experimento
- Lamateria está casi vacía. Como la mayoría de las partículas alfa no se desviaron de su trayectoria original, Rutherford dedujo que los espacios entre los átomos son grandes en comparación con el tamaño de los propios átomos.
- Como sólo unas pocas partículas fueron fuertemente dispersadas (repelidas) por los átomos de oro, Rutherford llegó a la conclusión de que los átomos debían tener una parte en la que se concentraba la carga positiva. Llamó a esta parte el núcleo.
- Como la fracción de partículas alfa que se dispersaban fuertemente era muy pequeña, Rutherford dedujo también que el tamaño del núcleo tiene que ser muy pequeño. Basó esta conclusión en las propiedades eléctricas de los cuerpos cargados y en las fuerzas que ejercen sobre otros.
- Tras varios experimentos de dispersión, Rutherford creó un modelo teórico en el que la mayor parte de la masa del átomo se concentraba en el núcleo. Como sus observaciones se ajustaban a las predicciones de este modelo, pudo deducir esta característica de los átomos.
Además, Rutherford llegó a la siguiente conclusión utilizando conocimientos previos y los resultados de sus experimentos:
- Los electrones orbitan alrededor del núcleo. Como los átomos tienen carga neutra, los electrones deben equilibrar la carga positiva del núcleo. Además, los electrones no pueden estar demasiado cerca del núcleo, pues de lo contrario no dispersarían las partículas alfa. Como no pueden estar cerca de él, los electrones se ven obligados a orbitar el núcleo (y, por tanto, están en movimiento). Sinoorbitaran alrededor del núcleo, caerían hacia él debido a la atracción electrostática.
Problemas con el experimento
Estas características eran muy diferentes de las del modelo atómico de Thomson, yelmodelo de Rutherford fue el primer modelo atómico totalmente basado en pruebas experimentales. Sin embargo, había que resolver problemas tanto con el método experimental como con el propio modelo. He aquí algunos de esos problemas:
- El grosor de la lámina podía afectar significativamente al patrón de dispersión, por lo que ofrecía conclusiones sesgadas.
- Después de que Einstein desarrollara su Teoría de la Relatividad, se descubrió que las cargas en movimiento irradian energía continuamente. Si los electrones orbitan alrededor del núcleo, ¿cómo es posible que no pierdan toda su energía debido a la radiación y caigan hacia el núcleo?
La primera cuestión era irrelevante: las escalas del grosor de las láminas utilizadas eran suficientes para obtener resultados fiables de la dispersión. Sin embargo, la segunda cuestión suscitó muchas preocupaciones, que se resolvieron más tarde con la introducción de la física cuántica, el modelo atómico de Bohr y el modelo atómico cuántico.
Hay otra cuestión con el experimento de dispersión de Rutherford que no se conocía entonces. Como la existencia de protones se intuía pero no se conocía, los modelos no proporcionaban más estructura del núcleo aparte de las consideraciones de carga y masa. Más tarde se descubrió que las partículas subatómicas llamadas protones tienen carga eléctrica positiva.
Debido a la repulsión eléctrica entre protones, se predijo un tipo de partícula para proteger sus interacciones en el núcleo. Esta partícula es el neutrón. El apantallamiento de la interacción tenía que deberse a otra fuerza entre neutrones y protones (lo que ahora conocemos como fuerza fuerte).
Esta fuerza interviene en la dispersión de las partículas alfa, porque las partículas alfa están formadas a su vez por neutrones y protones. Sin embargo, hasta que no se estableció plenamente el modelo de esta fuerza, no se supo que la mayoría de los efectos observados en la dispersión de Rutherford se deben en realidad a la fuerza eléctrica y no a la fuerza fuerte.
La fuerza causante de la dispersión es la fuerza eléctrica de repulsión entre los núcleos de oro y las partículas alfa. Sin embargo, aún debemos considerar el efecto normalmente irrelevante (pero presente) de la fuerza fuerte.
Dispersión de Rutherford - Puntos clave
- Rutherford realizó una serie de experimentos de dispersión para obtener pruebas experimentales sobre las características de un modelo atómico.
- El experimento se basaba en la dispersión de partículas alfa debida a la presencia de una lámina de oro. La dispersión se producía por la interacción electrostática entre las partículas alfa y los núcleos de oro.
- Los resultados de los experimentos contradijeron el modelo atómico desarrollado por Thomson y demostraron la existencia de un núcleo pequeño.
- El modelo desarrollado por Rutherford tenía algunas incoherencias que se resolvieron posteriormente gracias a la física cuántica. No obstante, era un modelo atómico excelente que se basaba plenamente en pruebas experimentales por primera vez en la historia.
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