Modelu atómicu de Rutherford

Modelu d'un átomu de Rutherford. Propunxo un nucleu con protones y electrones xirando alredor d'este.

Animación 3D d'un átomu según Ernest Rutherford.

El modelu atómicu de Rutherford ye un modelu atómicu o teoría sobre la estructura interna del átomu propuestu pol químicu y físicu británicu-neozelandés Ernest Rutherford en 1911, pa esplicar los resultaos de la so «esperimentu de la llámina d'oru».

Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomu concentrar nuna rexón pequeña de cargues positives que torgaben el pasu de les partícules alfa. Suxurió un nuevu modelu nel cual l'átomu tenía un nucleu o centru nel cual concéntrase la masa y la carga positiva, y que na zona extra nuclear atópense los electrones de carga negativa.

Historia

Primero que Rutherford propunxera'l so modelu atómicu, los físicos aceptaben que les cargues eléctriques nel átomu teníen una distribución más o menos uniforme. Rutherford trató de ver cómo yera la dispersión de les partícules alfa per parte de los átomos d'una llámina d'oru bien delgao. Los ángulos resultantes de la esviación de les partícules supuestamente apurriríen información sobre cómo yera la distribución de carga nos átomos. Yera d'esperar que, si les cargues taben distribuyíes uniformemente según el modelu atómicu de Thompson, la mayoría de les partícules travesaríen la delgada llámina sufriendo solo llixeres deflexiones, siguiendo una trayeutoria aprosimao recta. Anque esto yera ciertu pa la mayoría de les partícules alfa, un númberu importante d'estes sufríen deflexiones de cerca de 180º, esto ye, prácticamente salíen rebotadas en direición opuesta al incidente.

Rutherford pensó qu'esta fracción de partícules rebotadas en direición opuesta podía ser esplicada si suponíase la esistencia de fuertes concentraciones de carga positiva nel átomu. La mecánica newtoniana en conxunción cola llei de Coulomb prediz que l'ángulu de deflexión d'una partícula alfa relativamente llixera per parte d'un átomu d'oru más pesao, depende del "parámetru d'impactu" o distancia ente la trayeutoria de la partícula y el nucleu:

(1)

$\chi =2\pi -2\cos ^{-1}\left({\frac {2K/(Y_{0}b)}{\sqrt {1+2K/(Y_{0}b)^{2}}}}\right)$

Onde:

$K=(q_{N}/4\pi \varepsilon _{0})\,$, siendo $\varepsilon _{0}$ la constante dieléctrica del vacíu y $q_{N}\,$ la carga eléctrica del centru dispersor.

$Y_{0}\,$, ye la enerxía cinética inicial de la partícula alfa incidente.

$b\,$ ye'l parámetru d'impactu.

Cuidao que Rutherford reparó una fracción apreciable de partícules "rebotadas" pa les cualos l'ángulu de deflexión ye cercanu a χ ≈ π, de la relación inversa a (1):

(2)

$b={\frac {2K}{Y_{0}}}\cot {\frac {\chi }{2}}$

deduzse que'l parámetru d'impactu tien de ser bastante menor que'l radiu atómicu. Ello ye que el parámetru d'impactu necesariu pa llograr una fracción apreciable de partícules "rebotadas" sirvió pa faer una estimación del tamañu del nucleu atómicu, que resulta ser unes cien mil vegaes más pequeñu que'l diámetru atómicu. Esti fechu resultó ser la capacidá uniformable sobre la carga positiva de neutrones.

Importancia del modelu y llimitaciones

La importancia del modelu de Rutherford moró en proponer per primer vegada la esistencia d'un nucleu central nel átomu (términu qu'acuñó'l mesmu Rutherford en 1912, un añu dempués de que los resultaos de Geiger y Mardsen fueren anunciaos oficialmente). Lo que Rutherford consideró esencial, pa esplicar los resultaos esperimentales, foi «una concentración de carga» nel centru del átomu, yá que, ensin ella, nun podía esplicase que delles partícules fueren rebotadas en direición casi opuesta a la incidente. Este foi un pasu crucial na comprensión de la materia, yá que implicaba la esistencia d'un nucleu atómicu onde se concentraba tola carga positiva y más del 99,9 % de la masa. Les estimaciones del nucleu revelaben que l'átomu nel so mayor parte taba vacíu.

Rutherford propunxo que los electrones orbitarían nesi espaciu vacíu alredor d'un minúsculu nucleu atómicu, asitiáu nel centru del átomu. Amás, abríense dellos problemes nuevos que llevaríen al descubrimientu de nuevos fechos y teoríes al tratar d'esplicalos:

• Per un sitiu plantegóse'l problema de cómo un conxuntu de cargues positives podíen caltenese xuníes nun volume tan pequeño, fechu que llevó darréu a la postulación y descubrimientu de la fuercia nuclear fuerte, que ye una de los cuatro interacciones fundamentales.
• Per otru llau esistía otra dificultá proveniente de la electrodinámica clásica que prediz qu'una partícula cargao y acelerao, como sería'l casu de los electrones orbitando alredor del nucleu, produciría radiación electromagnético, perdiendo enerxía y finalmente cayendo sobre'l nucleu. Les lleis de Newton, xuntu coles ecuaciones de Maxwell del electromagnetismu aplicaes al átomu de Rutherford lleven a que nun tiempu del orde de $10^{-10}$s, tola enerxía del átomu radiaríase, cola consiguiente cayida de los electrones sobre'l nucleu. Trátase, por tantu d'un modelu físicamente inestable, dende'l puntu de vista de la física clásica.

Según Rutherford, les órbites de los electrones nun tán perbién definíes y formen una estructura complexa alredor del nucleu, dándo-y un tamañu y forma daqué indefiníes. Les resultancies de la so esperimentu dexáron-y calcular qu'el radiu atómicu yera diez mil vegaes mayor que'l nucleu mesmu, y arriendes d'ello, que l'interior d'un átomu ta prácticamente vacíu.

Modelos posteriores

El modelu atómicu de Rutherford foi sustituyíu bien llueu pol de Bohr. Bohr intentó esplicar fenomenológicamente que solo delles órbites de los electrones son posibles. Lo cual daría cuenta de los espectro d'emisión y absorción de los átomos en forma de bandes discretes.

El modelu de Bohr «resolvía» formalmente'l problema, proveniente de la electrodinámica, postulando que cenciellamente los electrones nun radiaben, fechu que foi esplicáu pola mecánica cuántica según la cual l'aceleración promediu del electrón deslocalizado ye nula.

Predecesor: Modelu atómicu de Thomson

Modelu atómicu de Rutherford 1911-1913

Socesor: Modelu atómicu de Bohr

Ver tamién

• Modelu atómicu de Thomson
• Modelu atómicu de Bohr
• Modelu atómicu de Sommerfeld
• Modelu atómicu de Schrödinger
• Modelu atómicu de John Dalton

Bibliografía

• Landau & Lifshitz: Mecánica, Ed. Reverté, Barcelona, 1991. ISBN 84-291-4081-6.