Experimento de Rutherford

¿Qué es el experimento de Rutherford?

El mecanismo de los experimentos era relativamente sencillo: básicamente, la idea era extraer conclusiones sobre la estructura del núcleo atómico del oro, disparando partículas alfa contra la lámina para detectar dónde impactaban en la pantalla, tras la interacción con la lámina. El grosor de la lámina evitó posibles fenómenos de dispersión múltiple que comprometerían las conclusiones del experimento. Idealmente, cada partícula alfa debía interactuar con un solo átomo de oro.

A continuación puedes encontrar un diagrama del experimento de dispersión de Rutherford:

Fig. 1: Ejemplo del montaje del experimento de dispersión de Rutherford. Aquí encontramos la fuente de partículas alfa contenida en su caja , la cual emite un rayo de partículas alfa . En el lado derecho vemos la pantalla que envuelve una lámina muy fina de oro. El rayo de partículas apunta al centro de la lámina. Una vez la atraviesa, la gran mayoría de rayos siguen la misma trayectoria, pero algunos sales dispersados.

Montaje del experimento de Rutherford

El montaje experimental era el siguiente:

1. Una lámina de oro: como veremos, Rutherford usó una lámina de oro muy fina para este experimento. Dado que el oro es muy maleable, fue posible reducir su espesor a \(0,00004\,\mathrm{cm}\).

2. Un haz de partículas alfa: las partículas alfa son núcleos de helio (dos protones y dos neutrones) que, ya en la década de 1910, eran conocidos por solo tener carga positiva. Dado que Rutherford quería comprobar la estructura de los átomos, era útil considerar pequeñas partículas con carga positiva que se podían disparar contra la lámina de oro. Según el modelo de Thomson, los átomos eran cuerpos relativamente grandes con carga positiva y con electrones incrustados en ellos.

3. Una pantalla que detectaba las partículas alfa: su objetivo era medir dónde impactaban las partículas alfa, tras ser dispersadas por la lámina de oro.

Resultados del experimento de Rutherford

Ernest Rutherford esperaba detectar la mayoría de las partículas alfa en el lado más cercano a su rayo emisor. Esperaba esto porque el modelo de Thomson se basaba en grandes masas de carga positiva que repelieron las partículas alfa hacia atrás (de vuelta hacia el emisor).

Sin embargo, el experimento arrojó resultados contrarios: la mayoría de las partículas alfa atravesaban la lámina de oro y no se dispersaban, y la mayoría de las que se desviaban lo hacían ligeramente. Sólo se observó una fuerte dispersión de una pequeña fracción y, cuanto mayor era el ángulo de dispersión, menor era el número de partículas alfa detectadas.

Las conclusiones de estos experimentos fueron las siguientes:

Tabla 1. Experimento de Rutherford: Resumen de los resultados y las conclusiones del experimento.

Tras varios experimentos de dispersión, Ernest Rutherford creó un modelo teórico basado en la premisa de que la mayor parte de la masa del átomo se concentra en el núcleo. Como sus observaciones se ajustaban a las predicciones de este modelo, pudo deducir esta característica de los átomos.

Estas características eran muy diferentes a las del modelo atómico de Thomson y constituyeron lo que conocemos como el modelo de Rutherford. Este fue el primer modelo atómico totalmente basado en pruebas experimentales.

Sin embargo, este modelo no estaba exento de problemas que había que resolver, tanto con el método experimental como con el propio modelo:

• El grosor de la lámina podía afectar significativamente al patrón de dispersión y ofrecer conclusiones sesgadas.
• Tras el desarrollo de la Teoría de la Relatividad de Einstein, 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?

Rutherford comprobó que la primera cuestión era irrelevante: las escalas del grosor de las láminas utilizadas eran suficientes para obtener resultados fiables de dispersión. La segunda cuestión, sin embargo, suscitó muchas dudas que se resolvieron con la introducción de la física cuántica, el modelo atómico de Bohr y el modelo atómico cuántico.