Hoy en día, el concepto de que la materia está formada por pequeñas entidades llamadas átomos está ampliamente aceptado y nos parece muy natural. Aunque este concepto es muy antiguo, la descripción de los átomos en sí ha cambiado mucho a lo largo de la historia. El primer científico que intentó llevar a cabo experimentos para obtener información que permitiera construir un modelo atómico bien fundamentado fue Ernest Rutherford, gracias al experimento que hoy conocemos como dispersión de Rutherford, experimento de Rutherford o, también, experimento de la lámina de oro.
Historia del experimento de Rutherford
- Ya en el siglo V a.C., en la antigua Grecia, un filósofo griego llamado Demócrito propuso la idea de que la materia estaba formada por entidades indivisibles a las que denominó átomos. Sin embargo, en ese momento sus ideas no fueron aceptadas y prevalecieron otros modelos basados en elementos universales (agua, fuego...) o en postulados no científicos similares.
- 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 enunció un conjunto de propiedades que estos debían tener. Aunque no aportó 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 o los protones.
- En concreto, J.J. Thomson descubrió los electrones en 1897 y, poco después, se dedujo la existencia de los protones. Fue Thomson quien volvió a afirmar que la materia estaba formada por átomos y que estos átomos tenían una estructura basada en una masa de carga eléctrica positiva en la que se incrustaban los electrones (para lograr la carga eléctrica nula). Este modelo es ampliamente conocido como el Modelo del pudín de ciruela o Modelo de Thomson.
- Para investigar más a fondo esta teoría, Ernest Rutherford ideó un montaje experimental, junto con Hans Geiger y Ernest Marsden. Sin embargo, el experimento suele conocerse solo por el nombre de Rutherford o, simplemente, como el experimento de la lámina de oro.
¿Qué es el experimento de Rutherford?
El experimento de Rutherford o experimento de la lámina de oro fue diseñado para probar el modelo del átomo de Thomson. El objetivo era disparar partículas con carga positiva a una lámina de hora para estudiar la dispersión y probar el modelo.
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:
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 \(0,00004\,\mathrm{cm}\).
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.
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:
| Conclusión | Explicación |
| La materia 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. |
| Los átomos tienen un núcleo | Dado que sólo unas pocas partículas fueron fuertemente dispersadas (repelidas) por los átomos de oro, Rutherford llegó a la conclusión de que los átomos deben tener una parte en la que se concentra la carga positiva. Llamó a esta parte el núcleo. |
| El núcleo de un átomo es muy pequeño | Como la fracción de partículas alfa que se dispersaban fuertemente era muy pequeña, Rutherford también dedujo 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. |
| Los electrones orbitan alrededor del núcleo | Como los átomos tienen carga neutra, los electrones deben compensar la carga positiva del núcleo. Además, no pueden estar demasiado cerca del núcleo o las partículas alfa no serían dispersadas al no percibir una carga neta positiva. Como no pueden estar cerca de él, se ven obligados a orbitar el núcleo y a estar en movimiento; de lo contrario, caerían hacia el núcleo debido a la atracción electrostática. |
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.
Dos hechos que se dedujeron con el experimento de dispersión de Rutheford, pero que no se conocían entonces eran las partículas cargadas positivamente (protones) y particulas con carga neutra (neutrones). La existencia de los protones se intuía, pero no se conocía; los modelos no proporcionaban ninguna otra estructura del núcleo aparte de las consideraciones de carga y masa. Más tarde, se descubrió que existen partículas subatómicas llamadas protones, que tienen una carga eléctrica positiva.
Debido a la existencia de la repulsión eléctrica entre los protones, se predijo un tipo de partícula para blindar sus interacciones en el núcleo: el neutrón. El blindaje de la interacción debía producirse gracias a otra fuerza entre neutrones y protones (lo que hoy conocemos como fuerza nuclear fuerte).
Esta fuerza desempeña un papel en la dispersión de las partículas alfa, porque las partículas alfa también están formadas por neutrones y protones. Sin embargo, hasta que no se estableció completamente el modelo de esta fuerza, no se sabía que la mayoría de los efectos observados en la dispersión de Rutherford se debían a la fuerza eléctrica.
Experimento de Rutherford - Puntos clave
- Ernest Rutherford realizó una serie de experimentos de dispersión para obtener pruebas experimentales de las características de un modelo atómico.
- El experimento se basaba en la dispersión de partículas alfa, debido 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 dieron como resultado la existencia de un núcleo pequeño. La materia está casi vacía.
- El modelo desarrollado por Ernest Rutherford tenía algunas inconsistencias que fueron resueltas posteriormente, gracias a la física cuántica. Sin embargo, era un modelo atómico científico que, por primera vez en la historia, se basaba plenamente en pruebas experimentales.
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