El modelo atómico de Rutherford

En el 100º aniversario del modelo atómico de Bohr, vamos a hablar, por supuesto, del modelo atómico de… ¡Rutherford! No es que Bohr me caiga mal, sino que siempre he sentido más simpatía por la Física experimental que por la teórica, y da la casualidad de que el modelo atómico de Rutherford estaba basado directamente en los resultados experimentales del propio Rutherford y de su equipo, mientras que Bohr (sin quitarle ningún mérito) cogió los problemas de unos y de otros, los combinó, les añadió un toque cuántico y después de darle unas cuantas pensadas y (seguro que) muchas noches sin dormir presentó su modelo al mundo.

Ernest Rutherford nació en 1871 en Nueva Zelanda y después de graduarse en el Canterbury College de Christchurch en su país natal, se trasladó a Cambridge primero y a Montreal después, para luego volver a cruzar el Atlántico para recalar en Manchester y terminar en Cambridge de nuevo dirigiendo el prestigioso laboratorio Cavendish sucediendo a J.J. Thomson, con quien había empezado a trabajar durante su primera estancia en Cambridge.  Fue durante su estancia en Manchester donde desarrolló su modelo atómico con la importante colaboración de otros dos grandes experimentador, Hans Geiger, cuyo apellido da nombre a el famoso contador de partículas y Ernest Marsden.

Antes de entrar con el modelo atómico de Rutherford, es necesario empezar con un modelo atómico previo, el modelo de Thomson (si, el mismo de antes). La verdad es que podríamos ir hacia atrás mucho más en el tiempo, y hacia delante también, para analizar la evolución histórica del modelo atómico, pero no quiero que dejéis de leer todavía.

J.J. Thomson, fue entre otras muchas cosas, el descubridor del electrón y el primero que midió la relación carga-masa del electrón usando un tubo de rayos catódicos. Podéis leer más sobre el experimento de Thomson en esta genial entrada de El zombi de Schrödinger. En cuanto al modelo atómico, Thomson propuso que los electrones estaban en (cita textual) “una esfera de electrización uniforme positiva que produce una fuerza atractiva radial en cada corpúsculo proporcional a su distancia al centro de la esfera”. Donde pone corpúsculo, léase electrón que es la denominación que Thomson utilizaba en aquella época. En resumen, Thomson proponía como modelo atómico, lo que se ha llegado a conocer como, un pastel de pasas siendo los electrones las pasas del pastel. Este modelo funcionaba bien con el átomo de hidrógeno con un solo electrón o incluso con elementos de dos o tres electrones, pero cuando se pasaba a elementos más complejos, con mayor número de electrones, la cosa se complicaba un poco ya que había que colocar los electrones de manera que estuvieran en equilibrio electrostático con la “esfera de electrización uniforme” y el propio Thomson admitía que a partir de “siete u ocho electrones” había que hacer malabarismos para colocar los electrones para que el átomo fuera estable y encontrar la distribución de equilibrio “era demasiado complicado para el cálculo”.

Casi debería haber llamado a la entrada el modelo atómico de Thomson… pero aquí vamos con Rutherford. Mientras Rutherford estaba en Montreal, ya se había llegado a comprender cual era la naturaleza de las radiaciones α, β y γ o se tenían indicios muy claros de cual era su naturaleza. Cuando llegó a Manchester, la suerte le sonrió al encontrarse a Geiger allí, el cual sería fundamental para el establecimiento de su modelo. Rutherford y Geiger se centraron en la investigación de las partículas α y su uso en diversos experimentos. Uno de los primeros resultados de esa investigación fue el desarrollo de un método “eléctrico” para contar las partículas que emitían las sustancias radiactivas. Veinte años más tarde, Geiger junto con Müller mejorarían el método eléctrico de conteo dando lugar al famoso contador geiger. Anteriormente el conteo de partículas se realizaba de una manera más tradicional. Se ponía una pantalla de sulfuro de zinc fosforescente delante de la fuente de partículas y se contaban uno a uno los destellos que se producían. Sin embargo este método no era del todo fiable, ya que dependía, entre otras cosas, de la paciencia del observador. Investigaciones paralelas como la de Erich Regener en la Universidad de Berlín mejorarían las técnicas de conteo en una pantalla de sulfuro de zinc, hasta tal punto que los resultados obtenidos no diferían de los de aquel contador geiger primitivo, por lo que Rutherford abandonó su método eléctrico y volvió a contar destellos a ojo.

A raíz del buen trabajo que estaba realizando Geiger, Rutherford lo ascendió de manera que ahora podría tener a su cargo a estudiantes para formar en técnicas de radiactividad. Así fue como, en el curso académico 1908-1909, Ernest Marsden empezó a colaborar con Geiger y Rutherford. El experimento en el que trabajaron trataba sobre la difusión de partículas α cuando atravesaban finas láminas de aluminio, oro y otros elementos. Para ello colocaban una lámina de aluminio u oro entre la pantalla de sulfuro de zinc y el tubo por el cual salían las partículas α. Los chicos de Rutherford se dieron cuenta que la dispersión de las partículas α que pasaban a través de las láminas era importante. Gran parte del número de partículas atravesaba la lámina en la dirección inicial del movimiento, pero muchas otras eran desviadas en un ángulo muy grande o incluso rebotaban hacia atrás.

Cuando Geiger y Marsden informaron a Rutherford de este resultado, y dado que no le gustaba el modelo de pastel de pasas, se dio cuenta de que las medidas no se ajustaban a lo que se esperaba del modelo de Thomson, ya que si la carga positiva se distribuía uniformemente (parte del pastel) la interacción entre la carga eléctrica y la carga interna del átomo no sería lo suficientemente fuerte como para desviar la partícula un ángulo grande o incluso hacer que rebotara. Sólo se podía explicar si la carga positiva estaba en una zona muy pequeña en el centro del átomo estando los electrones a una distancia considerable del centro.

Sin embargo, a pesar de que Geiger y Marsden publicaron el resultado del experimento en 1909, Rutherford no publicó el modelo atómico definitivo hasta dos años más tarde, en 1911. En esta publicación explicaba, el por qué de los resultados de Geiger y Marsden. Para explicar la dispersión y modelar el átomo, Rutherford tuvo que buscar una fórmula matemática que explicara el resultado. Cuentan las malas lenguas que a Rutherford, como a otros experimentadores, le gustaban las matemáticas menos que a un filólogo, así que para solucionar el problema tuvo que recurrir a un joven matemático llamado R. H. Fowler, el cual sería luego su yerno.

Cuando se estudió el movimiento de los electrones alrededor del núcleo positivo en este modelo, se dieron cuenta de que es inestable ya que cuando los electrones giran alrededor del núcleo, emiten energía, por lo que poco a poco, debido a la pérdida de energía, terminarían cayendo al núcleo. Pero entonces hace 100 años apareció Bohr le aplicó la hipótesis cuántica y… pero eso es otra historia.

Esta entrada participa en el XLV edición del Carnaval de la Física, alojado en esta ocasión por Cuantos y Cuerdas

Referencias:

Sanchez Ron, J.M., Historia de la Física Cuántica. I. El periodo fundacional (1860-1926)

Gamow, George, Biografía de la Física

Thomson, Joseph J., Electricidad y Materia

http://es.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford

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