[Ciencias de Joseleg] [Química] [La materia] [El
átomo físico clásico] [Ejercicios
resueltos] [Introducción] [La
electricidad y el átomo] [La
constante de Faraday y la electrolisis] [Experimentos
con tubos de rayos catódicos] [Modelo
atómico de Thomson] [Otros
modelos atómicos clásicos] [Modelo
atómico de Rutherford] [Introducción
al núcleo atómico] [Estequiometría
de isótopos] [Referencias]
Del modelo atómico
de Rutherford de 1911 podemos decir muchas cosas, y la principal es que
generalmente lo tratamos como una inmensa mezcla de cosas que no estaban en el
modelo original de Rutherford. Por ejemplo, el átomo de Rutherford es
generalmente dibujado con neutrones y protones, aun cuando estos fueron
formulados con posterioridad a dicho modelo. De hecho, la mezcla de ambos en el
núcleo confundía al grupo de investigación de Janet, los protones no eran
descritos como tal, sino como cargas positivas.
En cualquier caso,
trataremos de exponer paso a paso los componentes del modelo original de
Rutherford como del modelo para el núcleo que ha sido asociado a este. Una
tendencia que se hace más fuerte en el modelo de Rutherford es la fuerte
preeminencia de la física, sus métodos de investigación y de racionalización
sobre el átomo, de hecho, a pesar de que Rutherford ganó el premio Nobel de
química, este lo despreció en el sentido de que se consideraba físico. De este
incidente, queda la frase: La única Ciencia es la Física, lo demás es filatelia.
Aparentemente
existen muchas versiones de la misma cita (Birks, 1963). En cualquier caso, para la fecha en que
Rutherford propuso su modelo, la existencia del átomo fnalmente había sido
aceptada por la mayoría de la comunidad científica.
Aunque generalmente
abandonamos el tubo de Crookes cuando dejamos de lado el modelo atómico de
Thomson hay que tener claro que sus propiedades serán vitales tanto para el
modelo atómico de Rutherford como para el modelo atómico mecánico-cuántico. En
el modelo de Rutherford tenemos el pináculo de una serie de investigaciones que
comienza justo donde las del modelo de Thomson terminaron, es decir el tubo de
descarga de Crookes.
Figura 7‑1.
Wilhelm Conrad Röntgen (Lennep, 27 de marzo de 1845- Múnich, 10
de febrero de 1923) fue un ingeniero mecánico y físico alemán, de la
Universidad de Wurzburgo. El 8 de noviembre de 1895 produjo radiación
electromagnética en las longitudes de onda correspondiente a los actualmente
llamados rayos X. En los años siguientes, Röntgen publicó unos estudios «sobre
un nuevo tipo de rayos», que fueron traducidos al inglés, francés, italiano y
ruso.
En 1895 Wilhelm Conrad Röntgen “imagen anterior” (1845-1923)
físico alemán y profesor de la universidad de Wüzburg al operar tubos de
Crookes igual que sus contemporáneos como Lenard o Goldstein encontró un
detalle interesante. Röntgen era un aficionado a la fotografía, por lo que en
una ocación había almacenado placas fotográficas en su cajón envueltas en papel
negro para evitar que fueran veladas. Después de operar un tubo de Crookes a un
voltaje superior a los 5000 voltios se encontró con que sus amadas placas se
habían velado (Röntgen, 1896).
Posteriormente
corroboró esto tapando el tubo de Crookes con una bolsa de papel negro y
exponiendo una placa de revelado con pintura fluorescente, el brillo indicaba
que la luminiscencia del cristal podía atravesar diversos materiales
incluso a distancias de más de dos metros detrás de una puerta de madera (Glasser,
1995). Poco después se dio cuenta que diferentes
materiales podían absorber loa radiación emitida por el tubo de Crookes
haciendo que las placas de revelado generaran patrones. En consecuencia se puso
a realizar imágenes de todo, incluso de la mano de su esposa (Jakubek,
2007; Young, 1961). Röntgen publicó sus resultados en
diciembre del mismo año (Röntgen, 1896), dando el nombre de rayos X “desconocidos o
incógnitos”, descubrimiento que le valdría recibir el primer premio Nobel de
física en 1901.
Figura 7‑2.
Antoine Henri Becquerel (París, 15 de diciembre de 1852-Le
Croisic, 25 de agosto de 1908) fue un físico francés descubridor de la
radiactividad y galardonado con el Premio Nobel de Física del año 1903,
compartido con Pierre Curie y Marie Curie. Nació en una familia acomodada que
produjo cuatro generaciones de científicos: su abuelo Antoine César Becquerel,
su padre Alexandre Edmond Becquerel, y su hijo Jean Becquerel.
La clave para el
descubrimiento de la radioactividad era emplear las placas de revelado
fotográfico reportadas por Röntgen.
Figura 7‑3.
Dispersión de Rutherford-Villard (YouTube)
El mismo año en que
Röntgen publicó sus resultados se dieron las consecuencias. Para la época
publicar resultados eran enviarlos a los colegas especializados, uno de ellos
fue el matemático y astrónomo francés Jules Henri Poincaré (1854-1912).
Poincaré compartió la información con Antoine Henri Becquerel (1852-1908)
“imagen siguiente” (Bocanegra,
1996). Becquerel pronto comenzó a emplear
placas de revelado para estudiar las propiedades de fluorescencia de diversos
materiales. En 1986 Becquerel guardó unas rocas de sales de uranio sobre una
placa de revelado debido a que el Sol no salía para sus experimentos, en ese
momento él pensaba que las sales emitían fluorescencia debido al efecto del Sol
“ambas ideas estaban equivocadas, pero igual nadie sabía la respuesta
correcta”. Cuando el tiempo mejoró y sacó sus sales con la placa de revelado,
se dio cuenta que se habían velado sin la acción del sol (Baumgaertner, 1986).
Figura 7‑4.
Johannes (Hans) Wilhelm Geiger (Neustadt an der Weinstrasse,
Alemania, 30 de septiembre de 1882-Potsdam, 24 de septiembre de 1945) fue un
físico alemán que, junto a Walter Müller, desarrolló el contador Geiger.
Figura 7‑5.
Ernest Marsden (Reino
Unido: Lancashire 1889 - Wellington 1970), físico británico partícipe del
famoso experimento de Rutherford con partículas alfa. Tras la Primera Guerra
Mundial emigró a Nueva Zelanda donde se convirtió en un científico de
referencia presidente de la Royal Society of New Zealand. Durante la Segunda
Guerra Mundial volvió a Inglaterra donde colaboró en el desarrollo del radar.
En 1958 sería nombrado caballero. Trabajó junto a Geiger, utilizando el
experimento de Rutherford con rayos de partículas alfa.
En otras palabras,
las sales de uranio generaban una radiación comparable a la de los rayos X de
un tubo de Crookes, pero sin necesidad de ningún estímulo. No pasó mucho tiempo
para identificar que el oscurecimiento de las placas de revelado no tenía nada
que ver con la fluorescencia y se asemejaba a los rayos X en su poder de
penetración, el proyecto de investigación sobre el peculiar fenómeno cayó en
los esposos Curie (Badash,
2005).
Figura 7‑6. Pierre Curie (París,
15 de mayo de 1859 - ibíd. 19 de abril de 1906) fue un físico francés, pionero
en el estudio de la radiactividad y descubridor de la piezoelectricidad, que
fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1903 junto con Marie Curie y
Antoine Henri Becquerel.
Figura 7‑7. Maria Salomea
Skłodowska-Curie, más conocida como Marie Curie (Varsovia, 7 de noviembre de
1867-Passy, 4 de julio de 1934), fue una científica polaca nacionalizada
francesa. Pionera en el campo de la radiactividad, fue la primera persona en
recibir dos premios Nobel en distintas especialidades —Física y Química— y la
primera mujer en ocupar el puesto de profesora en la Universidad de París. En
1995 fue sepultada con honores en el Panteón de París por su contribución al
entendimiento de la naturaleza de la materia.
Casi 13 años
después Rutherford realizó un experimento conocido actualmente como “La
dispersión de Rutherford” para determinar la naturaleza de la radiación (Gonzalez-Magana
et al., n.d.), el experimento es semejante al realizado
por Hertz en los tubos de Crookes.
Un rayo de
radiación pasa a través de un campo eléctrico que dispersa los componentes por
cargas. Los resultados fueron más complejos de lo esperado ya que en lugar de
un solo giro como en los rayos catódicos, la radiación se dividía en tres
componentes, las partículas alfa, beta y la radiación electromagnética Gamma. Dos de
estas radiaciones giraban en sentido opuesto, mientras que la otra continuaba
sin ser afectada por el campo eléctrico.
Dos fueron los
grupos de investigación para lograr la dispersión de la radiación radioactiva
de Becquerel, el primero era el de Ernest Rutherford y el segundo el de Paul
Villard. Como se mencionó, la separación se haría por el método de Hertz
mediante la administración de un campo eléctrico lo bastante poderoso como para
desviar la radioactividad (Ernest
Rutherford, 1899). El primero de los componentes denominado
alfa era desviado hacia el polo negativo mostrando que poseía una carga
positiva. Adicionalmente poseían el menor poder de penetración de todas las
radiaciones separadas. Rutherford tomando en cuenta las discusiones sobre la
posible existencia del electrón como partícula comenzó a trabajar en una
relación carga masa para la partícula alfa, demostrando que se acercaba a la de
iones de helio con doble carga positiva (Ernest
Rutherford, 1899).
Para lograrlo,
Rutheford capturó la radiación alfa en un frasco de vidrio y luego como si se
tratara de un tubo de Crookes suministró electricidad. Los electrones de la
descarga recargaron los iones de helio recobrado este su naturaleza de gas
neutro. En esencia se trataba de una trasmutación a través de un rayo desde
elementos pesados para formar helio –al más puro sueño alquimista. La
transmutación de partículas alfa en gas de helio mediante una corriente
eléctrica es el principio teórico que permite la existencia de los contadores Geiger
y fue lograda por Rutheford y Hans Geiger en 1908 (Oliphant,
Harteck, & Rutherford, 1934)
El Segundo tipo de
radiación aislada tenía las mismas propiedades de un rayo catódico, por lo
tanto, debía estar formada por los mismos componentes, es decir, electrones. El
último componente se completaba como radiación electromagnética, similar a los
rayos X pero con muchísima mayor energía y fueron denominados rayos gamma. La
dispersión Rutherford-Villard sería de monumental importancia para fabricar los
instrumentos que disparasen únicamente partículas alfa, uno de los componentes
básicos del experimento de la lámina de oro, con el cual sería reformulado el
modelo del sistema solar para el átomo.
En
realidad se trata de una serie de experimentos realizados entre 1908 y 1913 por
el grupo de investigación de Rutheford, también son denominados como los
experimentos de Geiger-Marsden (Geiger, 1908, 1910; Geiger & Marsden, 1909, 1913; E Rutherford, 2012) realizados por Hans Wilhelm Geiger (1882-1945) y Ernest Marsden (1889-1970). En resumen, el experimento se puede
resumir con la pregunta ¿y si le disparamos radiación alfa a una lámina
metálica? Generalmente se nos dice que el experimento fue planteado para poner
a prueba el modelo atómico de Thomson. Aplicando las leyes del
electromagnetismo se podía calcular que la desviación generada por un átomo
modelado como un pastel con pasas en el cual la masa era una carga tenue
positiva debía ser posible pero insignificante. En la práctica, si se colocaba
una placa de revelado al fondo de la lámina metálica debida oscurecerse en
dirección recta.
Sin embargo, la realidad es
un poco más compleja. Todo comienza con el proceso que Geiger propone para
transmutar las partículas alfa en helio. Cuando comenzaron a trabajar con el
contador, se esperaba que no existieran interferencias –sumiendo que el aire
estaba compuesto por átomos de Thomson que no desviarían las partículas alfa –y
en consecuencia deberían obtenerse medidas estables, repetitivas y
proporcionales a la cantidad de radiación empleada por el emisor.
Figura 7‑8. Los
experimentos de la lámina de oro. (Izquierda) Los primeros aparatos para
la lámina de oro eran tubos. La fuente de radiación (R) estaba en un extremo, y
la placa de revelado (Z) al otro, y detrás de ella un microscopio (M). Las
láminas de varios materiales (S) podían intercambiarse o retirarse al igual que
el aire interno. (Derecha) Aparato del
experimento de la lámina de oro de 1913 es el que todos conocoemos y sobre el
cual se hacen las explicaciones (YouTube)
(YouTube).
El
problema es que el contador de Rutherford-Geiger daba resultados erráticos, e
irrepetibles, ergo, algo estaba causando interferencias con las partículas alfa,
¿Qué era? El modelo de Thomson no daba respuesta y en consecuencia debía
investigarse. La primera versión del experimento (Geiger,
1908) empelaba un montaje semejante a un tubo de Crookes, en una punta el
emisor de partículas alfa y en el otro extremo una pantalla de revelado que
brillaba cuando era impactada por las partículas alfa.
El
brillo era observado por medio de un microscopio en el extremo de la pantalla
de revelado. Tres versiones con este montaje fueron realizadas (1) sin aire y
sin placa de oro “control negativo”, (2) con aire y sin placa de oro, (3) sin
aire y con placa de oro. (1) No dispersaba las señales del revelado, mientras
que (2 y 3) dispersaban las señales interfiriendo con la trayectoria de las
partículas alfa. Los siguientes experimentos buscaron determinar los ángulos
más probables de dispersión, ver si la interferencia superaba los 90° y
determinar que materiales eran más convenientes para la placa metálica, sin
embargo, todos se trataban de aparatos semejantes a un tubo (Geiger &
Marsden, 1909; Geiger, 1910).
Figura 7‑9.
Lord Ernest Rutherford
(Reino Unido: 30 de agosto de 1871-Cambridge, 19 de octubre de 1937),
fue un físico y químico británico nacido en Nueva Zelanda. Se dedicó al estudio
de las partículas radiactivas y logró clasificarlas en alfa (α), beta (β) y
gamma (γ). Halló que la radiactividad iba acompañada por una desintegración de
los elementos, lo que le valió para ganar el Premio Nobel de Química en 1908.
Se le debe un modelo atómico, con el que probó la existencia del núcleo
atómico, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del
átomo. Consiguió la primera transmutación artificial con la colaboración de su
discípulo Frederick Soddy.
Rutherford
planteó un modelo atómico basado en los resultados de los tres experimentos
previos en el cual asumía “sin poder demostrarlo aun” que el átomo debía tener
un punto central con una enorme densidad y una carga positiva muy fuerte, la
cual explicaría la dispersión de las partículas alfa (Rutherford, 2012). El
tamaño de este núcleo era ínfimo con respecto al átomo –comparable con una
pelota de tenis con respecto a un estadio –pues la cantidad de partículas alfa
desviadas era de 1 entre 8000. Su teoría –expresada como una relación
matemática –fue puesta a prueba en el último experimento de la lámina de oro.
Se eligió el oro ya que podía crearse una lámina tan delgada que era casi
transparente, aunque el montaje planteaba el uso de varias láminas de diferente
grosor. En este caso la placa de revelado se encontraba rodeando a la lámina de
oro de forma radial, casi completando los 360 grados para poder en este caso
determinar si la lámina de oro era capaz de repeler la ocasional partícula alfa
de forma completa. Este último montaje es el que es representado en la mayoría
de los libros de texto que mencionan el experimento de la lámina de
oro (Geiger & Marsden, 1913). El aparato de 1913 es el que ha sido
trasladado a los libros de texto.
Finalmente, aunque escasas,
si pudieron detectarse partículas alfa que rebotaban casi de frente con la
lámina de oro, ¿Cómo era esto posible? Era como disparar una bala de calibre 50
a una delgada lámina de seda y que la bala rebotara por la densidad de algo muy
pequeño contra la persona que disparó. Debido a que el modelo de Thomson no
mostraba explicación alguna para esta aparente paradoja, este debía ser
modificado.
Evidentemente el
experimento de Rutherford y su ecuación se trasladaban a un modelo del átomo
que había estado rondando en la comunidad científica desde 1901 y nuevamente en
1904 con los trabajos de Perrin y Nagaoka (Nagaoka, 1904; Perrin, 1901).
Se trataba del modelo del sistema solar para el átomo, donde el núcleo se
encontraba en el centro del átomo, el tamaño calculado por Rutherford para el
núcleo del oro era de 10-14 metros, mientras que el tamaño para
el átomo de oro era de 10-10 metros.
El modelo original
de Rutherford trata el núcleo como un sistema sin estructura interna, en su
ecuación es tratado literalmente como un punto en el espacio. Al rededor del
núcleo se ubican los electrones en orbitas sucesivas como si se tratara de
planetas. Mientras que los planetas están atados al Sol por la fuerza de la
gravedad, en el modelo de Rutherford los electrones están atados al núcleo por
la fuerza de la electricidad. Pero al tratarse de un viejo modelo, el problema
que Perrin había enfrentado se convirtió en la sombra en el costado del modelo
planetario y es el colapso del átomo. Sin embargo, a parte de este problema,
aun existían aspectos que harían de este primer modelo de Rutherford
incompleto, y se trataba del modelo para el núcleo del átomo.
Figura 7‑10.
Modelo atómico de Rutherford. Puesta a punto, a la izquierda el
experimento final de la lámina de oro de acuerdo a lo esperado bajo el modelo
atómico de Thomson (arriba), a la derecha los resultados obtenidos "que ya
eran esperado en base a los experimentos previos de 1908 y 1910" que
obligaban a cambiar hacia el modelo planetario.
Siendo que el
modelo de Rutherford es concomitante con la demostración de la existencia del
átomo por parte de Jean Perrin (Perrin, 1911), el átomo de Rutherford ha
sido catapultado al nivel de icono popular. Cualquiera que imagine un átomo
visualiza un modelo atómico de Rutherford. De hecho, el logo de la
Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos y el logo de la Agencia
Internacional de Energía Atómica contienen un modelo atómico de Rutherford en
su versión original, en donde el núcleo es una partícula sin estructura interna.
Figura 7‑11. El
átomo popular. Tenga en cuenta que el modelo atómico de Rutherford
carece de una estructura interna para el núcleo.
En términos de la investigación, el primer modelo de
Rutherford se convertiría en la base de dos programas de investigación
separados. El primero es el que el propio Rutherford seguiría y es el de
encontrar un modelo para el núcleo atómico, y el segundo que sería asumido por
Bohr y sus sucesores es el de encontrar una explicación para los electrones
orbitando.
Mientras que la
primera daría una explicación para la tabla periódica, la segunda daría
explicación para la fórmula de Ridley y el espectro del átomo de hidrógeno. Por
lo anterior separaremos el modelo del núcleo del átomo de esta descripción del
modelo de Rutherford, este planteamiento se apoya en el sentido cronológico, el
modelo del núcleo comenzó a hacerse claro en 1919 con el reporte del protón,
mientras que el modelo de Bohr fue planteado ya en 1913.
No hay comentarios:
Publicar un comentario