Experimento de Rutherford

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

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

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

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.

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