DESCUBRIMIENTO DEL NÚCLEO. MODELO DE RUTHERFORD

 

 

 

 

El modelo de Thomson necesitaba ser puesto a prueba para contrastar su validez. Pero hay que tener en cuenta que el tamaño de los átomos es muy pequeño (por ejemplo, el diámetro estimado del átomo de hidrógeno es del orden de 0,00000001 cm), por lo que no resulta fácil detectar experimentalmente como están formados. El descubrimiento de la radiactividad a finales del siglo XIX proporcionó la posibilidad de bombardear la materia con partículas cargadas muy rápidas y contrastar el modelo.

 

 

Rutherford (1871-1937) concibió un experimento que consistía en lanzar partículas alfa (a) contra una finísima película de oro. La trayectoria de las partículas se podía observar, según se ve en el esquema de la figura adjunta, por los destellos que producían al chocar sobre una pantalla de sulfuro de cinc (ZnS). Aceptando el modelo de Thomson, las partículas tendrían que sufrir desviaciones muy pequeñas. Hay que tener en cuenta que, según ese modelo, la masa del átomo es fluida y está uniformemente repartida, por lo que no debería presentar resistencia excesiva al paso de las partículas a, que portan una gran cantidad de movimiento.

 

Sin embargo los resultados fueron bastante diferentes de lo esperado: Aunque, la mayor parte de las partículas a se comportaban según lo previsto y atravesaban la lámina de oro sin sufrir desviaciones aparentes, unas pocas sorprendentemente sufrían grandes desviaciones, llegando incluso en algunos casos al retroceso. Rutherford prestó la máxima atención a las partículas que sufrían grandes desviaciones, llegando a la conclusión de que el átomo no podía ser homogéneo, idea que le hizo rechazar el modelo de Thomson y proponer el suyo. Lo contó así:

 

Rutherford (1871 - 1937)

 

Había observado la dispersión de partículas y el Dr. Geiger, en mi laboratorio, la había examinado detenidamente. Encontró que la dispersión producida por piezas de metal delgadas era generalmente pequeña, del orden de un grado. Un día Geiger vino y me dijo: "¿No cree usted que el joven Marsden, a quien he preparado en los métodos radiactivos, debía empezar una pequeña investigación?". Yo había pensado lo mismo y le dije: "¿Por qué no le dejamos ver si las partículas pueden sufrir una gran dispersión con un gran ángulo?.  Debo decirle en confianza que yo no lo creo, puesto que las partículas son muy rápidas, de gran masa y gran energía, y si la dispersión fuera debida a la acumulación de de pequeñas dispersiones, la probabilidad de que fuese dispersada en el retroceso sería muy pequeña". Recuerdo que dos o tres días después vino Geiger con una gran excitación y me dijo: "Hemos logrado obtener el retroceso de algunas partículas". Es lo más increíble que me ha sucedido en mi vida, Casi tan increíble como si usted disparase una bala de 15 pulgadas contra un papel de seda y el proyectil se volviese contra usted. Al considerar el fenómeno, llegué a la conclusión de que el retroceso debía ser el resultado de una simple colisión, y al hacer los cálculos vi que era imposible obtener aquél orden de magnitud a no ser que se considere un sistema en la que la mayor parte del átomo se encuentre concentrada en un pequeño núcleo. Fue entonces cuando tuve la idea del átomo formado por un núcleo masivo como centro y con carga.

 
 

Así, Rutherford propuso en 1919 un modelo de un átomo prácticamente vacío, con un núcleo central en el que está concentrada la carga positiva y la masa. Los electrones de cada átomo (en un número igual a la carga nuclear) están alrededor del núcleo, completando el volumen del átomo. Tal como indica el dibujo adjunto, este modelo permite explicar los resultados del experimento de bombardeo con partículas a, al considerar que la desviación de las partículas se produce únicamente por causa de los núcleos de los átomos de la lámina de oro. No son afectadas por los electrones porque la masa de éstos es insignificante frente a la de los proyectiles.

 

Teniendo en cuenta que los electrones (de carga negativa) son atraídos por el núcleo central (de carga positiva), Rutherford planteó también que giran alrededor del núcleo como lo hacen los planetas alrededor del Sol, con lo que la fuerza de atracción electrostática dirigida hacia el núcleo da lugar a una aceleración centrípeta. Por ello, al modelo nuclear de Rutherford también se le llama modelo planetario.

 

 

Dos datos pueden ayudar a comprender la vacuidad del átomo nuclear de Rutherford: 1) El radio del núcleo es del orden de 10-15 m. 2)  El radio del átomo (medido desde el núcleo hasta el último electrón de dicho átomo) es del orden de 10-10 m (ambos datos para un átomo medio, semipesado). Esos datos dicen que si se agrandara el núcleo del átomo hasta que fuese similar a una canica, el tamaño del átomo sería mayor que un campo de fútbol.

 

Haz clic encima de la imagen para usar la animación. Si no lo tienes instala Modellus 2.5 (32 bits) o Modellus 3 (64 bits)

 

Para tomar conciencia de estos órdenes de magnitud también aconsejamos la animación adjunta. Representa paso a paso el patrón de dispersión de partículas cargadas positivamente (podrían ser partículas a) por otra carga fija del mismo signo (podría ser el núcleo de un átomo). Al comparar dicho patrón con el resultado del experimento de Rutherford se comprende que los átomos dispersantes tienen que estar prácticamente vacíos, es decir, su núcleo tiene que ser extremadamente pequeño en comparación con el volumen atómico.

 
Rutherford, E. 1911. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine. 21, 669-688.
Rutherford, E. 1914. The Structure of the Atom. Philosophical Magazine. 27, 488-498

 

 
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Departamento de Física y Química del IES "Leonardo Da Vinci"