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Experimento de Rutherford

Experimento de Rutherford

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 o experimento de Rutherford.

Contexto histórico y motivación

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 momneto, us 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.

Experimento de dispersión de Rutherford: modelo atómico

El experimento fue diseñado para probar el modelo del átomo de Thomson. Dado que Thomson propuso un modelo en el que la materia estaría formada por átomos que llenarían casi todo el espacio disponible con una carga positiva, el objetivo era disparar partículas con carga positiva para estudiar la dispersión y probar el modelo.

Diagrama y descripción de la dispersión 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 0,000 04 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.

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

Experimento de Rutherford Montaje experimental StudySmarterFigura 1: diagrama del experimento de dispersión de Rutherford.Fuente: commons.wikimedia.org

Resultados y consecuencias del experimento de dispersión 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.

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:

  • 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.
  • 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.
  • 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.

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.

Además, llegó a la siguiente conclusión, utilizando los conocimientos previos junto con los resultados de sus experimentos:

  • 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.

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.

Preguntas frecuentes sobre Experimento de Rutherford

Rutherford realizó un experimento de dispersión de partículas para estudiar la validez del modelo atómico de Thomson, que descubrió el electrón y fue mentor de Ernest Rutherford. El experimento consistía en estudiar la dispersión de partículas alfa (núcleos de helio) al impactar con una lámina de oro.

El resultado del experimento de Rutherford fue que la inmensa mayoría de partículas no interactúaban con la lámina, la colisión no sucedió y por lo tanto no se desviaban. La pequeña fracción de partículas desviadas en una dirección concreta, se reducía dependiendo del ángulo de desviación medido.

Demostró que la materia está casi vacía y que la carga positiva y la mayor parte de la masa de los átomos se concentra en una pequeña región llamada "núcleo".

La dependencia de la fracción de partículas alfa, en función del ángulo de desviación, indicaba que la materia está prácticamente vacía (el tamaño de los núcleos, donde se concentra la carga positiva, en comparación con la distancia internuclear, es pequeño). La propiedad de neutralidad de carga de la materia, motivó a Rutherford a proponer que los átomos están formados por un núcleo positivo y electrones que orbitan a su alrededor para compensar la carga eléctrica.

Dado que el oro es un material extremadamente maleable, Rutherford usó oro en sus experimentos para conseguir una lámina muy fina que evitase múltiples interacciones de las partículas alfa con los núcleos de oro.

Cuestionario final de Experimento de Rutherford

Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

A lo largo de la historia, el concepto sobre de qué está hecha la materia ha cambiado significativamente.

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Pregunta

¿Cuáles fueron los componentes básicos del experimento de dispersión de Rutherford?

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Answer

Una fina lámina de oro, un emisor de partículas alfa y una pantalla detectora.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

Rutherford dedujo de los resultados de sus experimentos que la materia está prácticamente vacía.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

La física cuántica resolvió el problema de pérdida de energía por radiación de los electrones que orbitan el núcleo.

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Pregunta

Elige la respuesta correcta:

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Answer

Rutherford esperaba que la mayoría de partículas alfa se viesen dispersadas de vuelta al emisor, tras interactuar con la lámina de oro.

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Pregunta

¿Quién fue la primera persona en proponer que la materia estaba hecha de pequeños constituyentes?

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Answer

Demócrito.

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Pregunta

¿Quién fue el científico que propuso una serie de leyes sobre las características de los átomos basándose en evidencia experimental química?

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Answer

John Dalton.

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Pregunta

Nombra los tres principales elementos usados en el experimentos de dispersión de Rutherford.

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Answer

Una fina lámina de oro, un emisor de partículas alfa y una pantalla.

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Pregunta

¿Por qué utilizó Rutherford una lámina de oro en sus experimentos?

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Answer

Debido a su maleabilidad, el oro permitía (con la tecnología de la época) hacer láminas muy finas.

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Pregunta

¿Por qué era relevante el grosor de la lámina de oro?

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Answer

Cuanto menor sea el grosor, se reducen en mayor medida posibles fenómenos encadenados de dispersión.

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Pregunta

Enuncia una conclusión indirecta derivada de los experimentos de dispersión de Rutherford (no derivada experimentalmente de las observaciones).

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Answer

Los electrones orbitan el núcleo.

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Pregunta

¿Quién propuso el modelo atómico que Rutherford pretendía estudiar con sus experimentos?

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Answer

Thomson.

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Pregunta

¿Qué permiten deducir sobre el tamaño del núcleo los experimentos de dispersión de Rutherford?

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Answer

Que los núcleos atómicos son pequeños y los espacios entre ellos son grandes (la materia está casi vacía).

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Pregunta

¿Qué permiten deducir sobre la carga eléctrica del núcleo los experimentos de dispersión de Rutherford?

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Answer

La carga eléctrica positiva de los átomos está concentrada en el núcleo.

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Pregunta

¿Qué permiten deducir sobre la masa del núcleo los experimentos de dispersión de Rutherford?

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Answer

La mayoría de la masa de los átomos está concentrada en el núcleo (los electrones apenas contribuyen).

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