La teoría atómica de Rutherford experimento y modelo detallados
En la actualidad, es común asumir que la materia está compuesta por partículas diminutas llamadas átomos. Aunque este concepto ha existido desde hace mucho tiempo, la explicación de los átomos ha evolucionado a lo largo de los años. Ernest Rutherford fue el primer científico en intentar realizar experimentos para obtener datos que pudieran ayudar a establecer un modelo atómico sólido. Su famoso experimento, conocido como dispersión de Rutherford, experimento de la lámina de oro o experimento de Rutherford, es considerado su mayor contribución en este campo.
El experimento de Rutherford
El método experimental de Rutherford consistía en bombardear láminas delgadas de oro con núcleos de helio (partículas alfa) en el laboratorio, midiendo los ángulos de desviación que presentaba el haz de partículas al atravesar el oro. Este procedimiento, en ocasiones, generaba desviaciones de hasta 90° que contrariaban el modelo atómico propuesto por Thompson, el cual dominaba en esa época.
Según el modelo de Thompson, el átomo es una esfera con carga positiva en la que se encuentran incrustados los electrones de carga negativa. Una comparación que se hace frecuentemente es la de un pudín con pasas, siendo el pudín el átomo y las pasas los electrones.
Descubrimientos obtenidos en el ensayo de Rutherford
Ernest Rutherford tenía la expectativa de que la gran mayoría de las enérgicas partículas alfa, emitidas por su rayo, serían detectadas en el lado más próximo al emisor. ¿Por qué esta expectativa? Porque el modelo de Thomson postulaba que grandes masas cargadas positivamente repelerían las partículas alfa en dirección contraria al emisor.
Sin embargo, los resultados de su experimento no coincidieron con esta predicción. En cambio, el resultado fue contrario: la mayor parte de las partículas atravesó la lámina de oro sin alteración, y aquellas que sí fueron desviadas, lo fueron en menor grado. Solo una pequeña proporción de partículas alfa mostró un alto grado de dispersión, y cuanto más desviadas estaban, menos partículas se detectaban.
Debido a que solo unas pocas partículas alfa fueron fuertemente desviadas (repelidas) por los átomos de oro, Rutherford llegó a la conclusión de que los átomos tienen una parte central de carga positiva altamente concentrada. A esta parte la llamó "núcleo".
Introducción al concepto del modelo de Rutherford sobre la estructura atómica
El Modelo Atómico de Rutherford, también conocido como el modelo planetario, fue creado en 1911 por Ernest Rutherford (20 de agosto de 1871 – 19 de octubre de 1937).
Anteriormente, se creía en el modelo de Thomson que sugería que los electrones estaban dispersos en un medio de carga positiva. Sin embargo, en 1909, dos ayudantes de Rutherford, Geiger y Marsden, llevaron a cabo un estudio conocido como "el experimento de la hoja de oro". Este experimento demostró que el modelo de "pudín con pasas" de Thomson era incorrecto, ya que evidenciaron una estructura en el átomo con una gran carga positiva.
La prueba de la lámina dorada
Un par de científicos, Hans Geiger y Ernest Marsden, llevaron a cabo una serie de experimentos entre los años 1909 y 1913 en los laboratorios de física de la Universidad de Manchester. Estos experimentos fueron supervisados por Ernest Rutherford y tuvieron un resultado revolucionario en el modelo atómico.
Los experimentos consistían en bombardear una delgada lámina de oro con partículas alfa, que son átomos sin electrones y, por lo tanto, con carga positiva. Según el modelo de Thomson, las partículas deberían atravesar los átomos de oro en línea recta.
Con el fin de estudiar la deflexión causada a las partículas alfa, se utilizó un filtro fluorescente de sulfuro de zinc alrededor de la lámina de oro de 100 nm de espesor. Los resultados obtenidos fueron sorprendentes: mientras que algunas partículas atravesaron los átomos de oro en línea recta, otras fueron desviadas en diferentes direcciones de manera aleatoria.
Resultados obtenidos en el ensayo de Rutherford
Los antiguos modelos atómicos sostenían que la carga positiva se hallaba distribuida de forma homogénea en su interior, lo que facilitaría su penetración al no ser demasiado intensa en un punto concreto.
Sin embargo, los resultados inesperados del experimento llevado a cabo por Rutherford lo hicieron llegar a la conclusión de que, en realidad, el átomo presentaba un núcleo central con una carga positiva muy elevada, que ejercía una fuerte repulsión hacia las partículas alfa que intentaban atravesarlo.
A partir del número de partículas alfa reflejadas por el núcleo y de las que lograban atravesarlo, Rutherford pudo también determinar el tamaño de dicho núcleo en comparación con la órbita de los electrones que lo rodeaban, concluyendo además que la mayor parte del espacio de un átomo se encuentra vacío.
Restricciones y fallos en el enfoque de Rutherford
El modelo atómico propuesto por Rutherford se consideró un gran avance en el campo de la física, sin embargo, aún presentaba limitaciones e imperfecciones que lo hacían incompleto. Según las leyes de Newton, era un concepto imposible y tampoco lograba explicar un aspecto clave de las leyes de Maxwell. Algunas de las cuestiones que no pudo abarcar son las siguientes:
- La naturaleza de la estructura atómica
- La disposición de los electrones en el átomo
- La interacción entre los electrones y el núcleo
- La existencia de niveles de energía
Estas limitaciones llevaron a la necesidad de seguir investigando y proponer nuevos modelos que pudieran dar cuenta de estos fenómenos. A pesar de sus fallos, el modelo de Rutherford fue un gran avance en su época y sentó las bases para posteriores teorías y descubrimientos.
El concepto del modelo de Rutherford para la estructura atómica
En el año 1911, el eminente científico británico Ernest Rutherford presentó el modelo atómico que lleva su nombre, el cual se erige como una de las primeras propuestas para explicar la complejidad de la estructura interna del átomo. Este modelo fue desarrollado por Rutherford tras llevar a cabo experimentos con láminas de oro y analizar detenidamente sus resultados.
En comparación con otras teorías previas, tales como el Modelo atómico de Dalton y el modelo atómico de Thompson, el modelo atómico de Rutherford supuso un avance significativo y determinante en el campo de la física. De hecho, su propuesta aún es considerada como el punto de partida hacia el modelo atómico que actualmente se acepta.
De acuerdo con Rutherford, los átomos están compuestos por un núcleo central, el cual concentra la mayor parte de su masa. Asimismo, en su teoría el núcleo presenta una carga eléctrica positiva y rota alrededor de él un grupo de partículas de menor tamaño y carga opuesta, conocidas como electrones.
La Evolución del Experimento realizado por Rutherford
El famoso experimento de Rutherford, también conocido como experimento de la lámina de oro, fue ideado con el propósito de comprobar la teoría del átomo propuesta por Thomson. La meta era lanzar partículas con carga positiva hacia una delgada lámina de oro para observar su dispersión y poner a prueba la teoría.
La mecánica del experimento era más bien sencilla: se trataba de sacar conclusiones acerca de la estructura del núcleo atómico del oro, disparando partículas alfa contra la lámina y registrando dónde éstas impactaban en la pantalla después de interactuar con la lámina. El grosor de la lámina aseguraba que no hubiera fenómenos de dispersión múltiple que pudieran afectar los resultados del experimento. Cada partícula alfa debía interactuar idealmente con un solo átomo de oro.
Fig. 1: Representación del montaje del experimento de dispersión de Rutherford. En la figura se puede ver el dispositivo emisor de partículas alfa, así como su contenedor, que emiten un rayo de partículas alfa. En el panel situado al lado derecho, se observa la pantalla que rodea una lámina muy delgada de oro. El rayo de partículas está dirigido hacia el centro de la lámina. Tras atravesarla, la gran mayoría de partículas sigue una misma trayectoria, aunque algunas sufren dispersión.
Fundamentos esenciales del enfoque atómico de Rutherford
El avanzado modelo científico propuesto por Rutherford-Bohr fue ampliamente aclamado por la comunidad científica y sentó las bases para comprender la compleja estructura del átomo, revelando la existencia de varias partículas subatómicas.
Gracias a la continua investigación de científicos posteriores, se logró determinar con precisión el número de electrones o número atómico de cada elemento, aportando valiosa información sobre la composición de la materia.
A pesar de los numerosos avances en el campo de la ciencia, en la cultura popular el modelo Rutherford-Bohr sigue siendo el más extendido y aceptado, ya que simplifica y facilita la comprensión del átomo como un sistema similar a un sistema planetario, con un núcleo formado por protones y neutrones y electrones que giran alrededor en órbitas.
Quién fue Ernest Rutherford
El nacimiento y la infancia: Ernest Rutherford nació el 30 de agosto de 1871 en Nueva Zelanda. Sus padres, migrantes británicos, se establecieron en este país en busca de una vida mejor, y fue allí donde Ernest vio la luz por primera vez.
Los estudios: Aunque asistió a la escuela y la universidad en su país natal, Rutherford obtuvo una beca para estudiar en la prestigiosa Universidad de Cambridge, en Inglaterra. Fue allí donde tuvo la oportunidad de conocer a JJ Thomson, el científico que descubrió el electrón y desarrolló el modelo atómico que lleva su nombre.
El éxito y el Nobel: Gracias a la recomendación de Thomson, Rutherford fue contratado por una universidad en Canadá, donde llevó a cabo importantes investigaciones en el campo de la química de las sustancias radioactivas. Sus logros le valieron el prestigioso Premio Nobel de Química en 1908.
