Esperimentu de Rutherford

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L'esperimentu de Rutherford ameyoró'l modelu atómicu de Thomson.

Los esperimentos de Rutherford fueron una serie d'esperimentos históricos por aciu el cual los científicos afayaron que cada átomu tien un nucleu onde'l so carga positiva y la mayor parte de la so masa concéntrense. Ellos deducieron esto midiendo cómo un fexe de partícules alfa esvalíxase cuando cute una delgada fueya metálico. Los esperimentos realizar ente 1908 y 1913 por Hans Geiger y Ernest Marsden so la direición de Ernest Rutherford nos llaboratorios de la Universidá de Manchester.

Resumen[editar | editar la fonte]

La teoría popular de la estructura atómica de la dómina foi la de JJ Thomson. Thomson foi'l científicu qu'afayó'l electrón que forma parte de cada átomu. Thomson creía que l'átomu yera una esfera de carga positiva na cual taben dispuestos los electrones. Los protones y los neutrones yeren desconocíos nesa dómina.

El modelu de Thomson nun foi universalmente aceptáu. Thomson mesmu nun foi capaz de desenvolver un modelu estable y completu del so conceutu. Hantaro Nagaoka, un científicu xaponés, refugar alegando que les cargues eléctriques opuestes nun pueden enfusar ente sigo. Sicasí, propunxo que los electrones orbitaban la carga positiva como los aníos de Saturno.[1]

La predicción[editar | editar la fonte]

Una partícula alfa ye una partícula sub-microscópica con una carga positiva. Según el modelu de Thomson, si una partícula alfa topetara un átomu, pasaría direutamente al traviés. A escala atómica, el conceutu de materia sólido» escarez de sentíu, polo que la partícula alfa non rebotaría nel átomu como si fueren banzones. Namái se vería afeutada pelos campos eléctricos del átomu, y nel modelu de Thomson los campos eléctricos yeren demasiáu débiles p'afectar una partícula alfa pasaxera nun grau significativu. Dambes cargues negativu y positivu dientro del átomu de Thomson estiéndense sobremanera'l volume del átomu. Acordies con la Llei de Coulomb, cuantimenos concentrada ye una esfera de carga eléctrica, más débil va ser el so campu eléctrico na so superficie.

Thomson model alpha particle scattering.svg

Como exemplu trabayáu, considere una partícula alfa que pasa tangencialmente a un átomu d'oru de Thomson, onde va esperimentar el campu eléctrico nel so puntu más fuerte y, d'esta miente, va esperimentar la máxima deflexión θ. Cuidao que los electrones son bien llixeros comparaos cola partícula alfa, la so influencia puede ser despreciada y l'átomu puede ser vistu como una esfera de carga positiva.

Qn = carga d'un átomu d'oru = 79y = 1.266 × 10-17 C
Qα = carga d'una partícula alfa = 2y = 3.204 × 10-19 C
r = radio d'un átomu d'oru = 1.44 × 10-10 m
vα = velocidá d'una partícula alfa = 1.53 107 m/s
mα = masa d'una partícula alfa = 6.645 × 10-27 kg
k = Constante de Coulomb = 8.998 × 109 N·m2/C2

Usando la física clásica, el cambéu llateral de la partícula alfa nel momentu Δp puede ser averáu usando l'impulsu de la relación de fuercia y l'espresión fuercia de Coulomb.

El cálculu anterior nun ye más qu'un aproximamientu, pero ta claro que la deflexión a lo sumo va tar nel orde d'una pequeña fracción d'un grau. Si la partícula alfa pasara al traviés d'una llámina d'oru d'unos 400 átomos d'espesura y esperimentara una deflexión máxima na mesma direición (pocu probable), siguiría siendo una pequeña deflexión.

La resultancia[editar | editar la fonte]

A pidimientu de Rutherford, Geiger y Marsden realizaron una serie d'esperimentos los que señalaron un fexe de partícules alfa nuna fina llámina de metal y midieron el patrón de dispersión usando una pantalla fluorescente. Detectaron partícules alfa rebotando na fueya de metal en toles direiciones, dalgunes de vuelta na fonte. Esto tendría de ser imposible según el modelu de Thomson. Obviamente, eses partícules atoparen una fuercia electrostática enforma mayor que'l modelu de Thomson, lo que de la mesma implicaba que la carga positiva del átomu concentrar nun volume muncho más pequeño de lo que Thomson imaxinaba.[2]

Cuando Geiger y Marsden dispararon partícules alfa nes sos llámines metáliques, diéronse cuenta de que namái una pequeña fracción de les partícules alfa esviar en más de 90°. La mayoría voló direutamente al traviés de la llámina. Esto suxurió qu'eses esferes minúscules de la carga positiva intensa fueron dixebraes por vastos golfos del espaciu vacíu. La mayoría de les partícules pasaron al traviés del espaciu vacíu con una esviación mínima, y una pequeña fracción cutió los nucleos y esvióse fuertemente.

Rutherford refugó asina'l modelu de Thomson, y sicasí propunxo un modelu nel que l'átomu consistió na mayoría d'espaciu vacíu, con tola so carga positiva concentrada nel so centru nun volume bien pequeño, arrodiáu per una nube d'electrones.

Cronograma[editar | editar la fonte]

Fondu[editar | editar la fonte]

Ernest Rutherford foi profesor de física na Universidá de Mánchester. Yá recibiera numberosos honores polos sos estudios de radiación. Afayara la esistencia de rayu alfa, rayu beta y rayu gamma, y demostrara qu'éstos yeren la consecuencia de la distintegración de los átomos. En 1906, recibió la visita d'un físicu alemán llamáu Hans Geiger, y quedó tan impresionáu que-y pidió a Geiger que se quedara y ayudáralu nes sos investigaciones. Ernest Marsden yera un estudiante de llicenciatura en física qu'estudiaba so Geiger.

Les partícules alfa son pequeñes partícules positivamente cargaes que son emitíes bonalmente por ciertes sustances como l'uraniu y el radiu. El mesmu Rutherford afayar en 1899. En 1908 taba tratando de midir con precisión la so relación de carga-masa. Pa faer esto, primero precisaba saber cuántes partícules alfa la so amuesa de radio taba emitiendo (dempués de lo cual midiría la so carga total y estremaría una pola otra). Les partícules alfa son demasiáu pequeñes pa ser vistes inclusive con un microscopiu, pero Rutherford sabía que les partícules alfa ionizan les molécules d'aire, y si l'aire ta dientro d'un campu eléctrico, los iones van producir una corriente eléctrica. Nesti principiu, Rutherford y Geiger diseñaron un dispositivu de conteo simple que consistió en dos electrodos nun tubu de cristal. Cada partícula alfa que pasaba pol tubu creaba un pulsu eletricidá que podía ser contáu. Yera una versión temprana del contador Geiger.[3]

Los esperimentos que diseñaron arreyaron bombardear una llámina metálica con partícules alfa pa reparar cómo la llámina esvalixar en relación cola so espesura y material. Utilizaron una pantalla fluorescente pa midir les trayectories de les partícules. Cada impautu d'una partícula alfa na pantalla produció un pequeñu rellumu de lluz. Geiger trabayó nun llaboratoriu escurecíu mientres hores y hores, cuntando estos pequeños centellos con un microscopiu. Rutherford escarecía de la resistencia pa esti trabayu, polo que lo dexó a los sos colegues más nuevos.[4] Pa la llámina metálica, probaron una variedá de metales, pero preferíen l'oru porque podíen faer que la llámina fuera bien fina, una y bones l'oru ye bien maleable.[5] Como fonte de partícules alfa, la sustanza d'eleición de Rutherford yera'l radiu, una sustanza dellos millones de vegaes más radiactiva que l'uraniu.

L'esperimentu de 1908[editar | editar la fonte]

Esti aparatu foi descritu nun artículu de 1908 por Hans Geiger. Namái podía midir deflexiones d'unos pocos graos.

Un artículu de 1908 por Geiger, «Sobre la Dispersión de Partícules por Materia», describe'l siguiente esperimentu. Geiger construyó un llargu tubu de vidriu de casi dos metros de llargor. Nun estremu del tubu había una cantidá de "emanación de radiu" (R) que sirvía como fonte de partícules alfa. L'estremu opuestu del tubu cubrir con una pantalla fosforescente (Z). Nel centru del tubu había una hendidura de 0,9 mm d'anchu. Les partícules alfa de R pasaron al traviés de la hendidura y crearon un parche brillosu de lluz na pantalla. Utilizóse un microscopiu (M) pa cuntar los centelleos na pantalla y midir el so espardimientu. Geiger bombió tol aire del tubu por que les partícules alfa tuvieren desobstruidas y dexaron una imaxe llimpio y apertao na pantalla que correspondía a la forma de la hendidura. Geiger entós dexó un pocu d'aire nel tubu, y el parche brillosu fíxose más difusu. Geiger depués bombió l'aire y asitió una fueya d'oru sobre la ranura n'AA. Esto tamién fixo que'l parche de lluz na pantalla estendiérase más. Esti esperimentu demostró que tanto l'aire como la materia sólido podríen esvalixar notablemente les partícules alfa. L'aparatu, sicasí, namái podía reparar pequeños ángulos de deflexión. Rutherford quería saber si les partícules alfa taben siendo espardíes por ángulos entá mayores-quiciabes más de 90°.

L'esperimentu de 1909[editar | editar la fonte]

Nestos esperimentos, les partícules alfa emitíes por una fonte radiactiva (A) reparáronse rebotando d'un reflector de metal (R) y sobre una pantalla fluorescente (S) nel otru llau d'una placa de chombu (P).

Nun artículu de 1909, «Nuna Reflexón Difusa de les Partícules Alfa»,[6] Geiger y Marsden describieron l'esperimentu por aciu el cual demostraron que les partícules alfa pueden ser esvalixaes por más de 90°. Nel so esperimentu prepararon un pequeñu tubu de vidriu cónicu (AB) que contenía radiu, y la so apertura foi sellada con mica. Esto foi'l so emisor de partícules alfa. Ellos montaron una placa de chombu (P), detrás de la cual asitióse una pantalla fluorescente (S). Ellos asitiaron el tubu de radiu nel otru llau de la placa. de tal manera que les partícules alfa qu'emitió nun pudieron cutir direutamente la pantalla. Ellos notaron unos cuanto centelleos na pantalla. Deber a que delles partícules alfa evitaron la placa de chombu rebotando nes molécules d'aire. Depués asitiaron una llámina de metal (R) nel llau de la placa de chombu. Diéronse cuenta de más centelleos na pantalla porque les partícules alfa taben rebotando na llámina. Cuntando los centelleos, notaron que los metales con mayor masa atómico, como l'oru, reflexaben más partícules alfa que les más llixeres como l'aluminiu.

Geiger y Marsden entós queríen envalorar el númberu total de partícules alfa que se taben reflexando. La configuración anterior nun yera afecha pa ello porque'l tubu contenía delles sustances radiactives (radio y los sos productos de desintegración) y, poro, les partícules alfa emitíes teníen rangos variables y porque yera difícil pa ellos determinar a qué velocidá emitía'l tubu partícules alfa. Esta vegada, asitiaron una pequeña cantidá de radiu C (bismuto-214) sobre una placa de chombu, que rebotó sobre un reflector de platino (R) y sobre la pantalla. Ellos atoparon que namái una pequeña fracción de les partícules alfa que cutió'l reflector rebotó na pantalla (1 en 8000).[6]

L'esperimentu de 1910[editar | editar la fonte]

Esti aparatu describir nel documentu de 1910 de Geiger. Foi diseñáu pa midir con precisión cómo la dispersión varió según la sustanza y l'espesura de la llámina.

Un artículu de 1910 de Geiger, «La dispersión de les partícules por materia», describe un esperimentu por aciu el cual intentó midir cómo l'ángulu más probable al traviés del cual esviar una partícula alfa varia col material pol que pasa, la espesura de dichu material, y la velocidá de les partícules alfa. Geiger construyó un tubu de vidriu herméticu del que se bombiaba l'aire. Nun estremu había un bulbu (B) que contenía "emanción de radiu" (radón-222). Per mediu de mercuriu, el radón en B foi bombiáu pol estrechu del tubu escontra una pantalla de sulfuru de cinc fluorescente (S). El microscopiu qu'utilizó pa cuntar los centelleos na pantalla foi afitáu a una escala de milímetru vertical con un vernier, lo que dexó a Geiger pa midir con precisión onde los rellumos de lluz apaeció na pantalla y asina calcular los ángulos de les partícules de deflexión. Les partícules alfa emitíes dende A estrecháronse a una viga por un pequeñu furu circular en D. Geiger asitió una llámina de metal na trayeutoria de los rayos en D y Y pa reparar cómo camudó la zona de rellumos. Tamién podría variar la velocidá de les partícules alfa asitiando fueyes extra de mic o aluminiu n'A.

A partir de les meidiciones que tomó, Geiger llegó a les siguientes conclusiones:

  • l'ángulu de deflexión más probable aumenta cola espesura del material
  • l'ángulu de deflexión más probable ye proporcional a la masa atómico de la sustanza
  • l'ángulu de deflexión más probable mengua cola velocidá de les partícules alfa
  • la porbabilidad qu'una partícula esviar por más de 90° ye bien pequeña

Rutherford modela matemáticamente el patrón de dispersión[editar | editar la fonte]

En 1911, Rutherford publicó un documentu históricu en 1911 tituláu «La dispersión de partícules alfa y beta por materia y l'estructura del átomu»[7] nel que propunxo que l'átomu contenga nel so centru un volume de carga eléctrica que ye bien pequeñu ya intensu (Rutherford tratar como una carga puntual nes sos ecuaciones). A los efectos de les sos ecuaciones, supunxo qu'esta carga central yera positiva, pero almitió que nun podía probar esto inda.

Rutherford desenvolvió una ecuación matemática que modelaba cómo la llámina tenía d'esvalixar les partícules alfa si tola carga positiva y la mayor parte de la masa atómico concentrar nun solu puntu nel centru d'un átomu.

Rutherford's scattering equation illustrated.svg

s = el númberu de partícules alfa que cayen sobre la área unitaria con un ángulu de deflexión Φ
r = la distancia del puntu d'incidencia de los rayos alfa sobre'l material de dispersión
X = el númberu total de partícules que cayen sobre'l material de dispersión
n = el númberu d'átomos nun volume unitario del material
t = la espesura de la llámina :Qn

= la carga positiva del nucleu atómicu :Qα = la carga positiva de les partícules alfa :m = la masa d'una partícula alfa :v = la velocidá de la partícula alfa

L'esperimentu de 1913[editar | editar la fonte]

Nun artículu de 1913, «Les lleis de la deflexión de les partícules α por aciu ángulos grandes»,[8] Geiger y Marsden describen una serie d'esperimentos por aciu los cualos intentaron verificar esperimentalmente la ecuación anterior que desenvolvió Rutherford. La ecuación de Rutherford predixo que'l númberu de centelleos per minutu (s) que se va reparar nun ángulu dáu (Φ) tendría de ser proporcional a:

  1. csc4Φ/2
  2. espesura de la llámina t
  3. magnitú de la carga central Qn
  4. 1/(mv2)2

El so artículu de 1913 describe cuatro experimentos polos cualos demostraron caúna estos cuatro rellaciones.

Esti aparatu foi descritu nun documentu de 1913 de Geiger y Marsden. Foi diseñáu pa medier con precisión el patrón de dispersión de les partícules alfa producíes pola llámina metálica (F). El microscopiu (M) y la pantalla (S) afitar a un cilindru xiratoriu y pudieron movese un círculu completu alredor de la llámina por que pudieren cuntar centelleos dende tolos ángulos.[8]

Pa probar cómo la dispersión varió col ángulu de deflexión (i.y., si s ∝ csc4Φ/2) Geiger y Marsden construyeron un aparatu que consistía nun cilindru de metal bueco montáu nun platu xiratoriu. Dientro del cilindru había una llámina metálica (F) y una fonte de radiación que contenía radón (R), montada sobre una columna separada (T) que dexaba que'l cilindru xirara independientemente. La columna yera tamién un tubu pol cual bombiábase aire fora de cilindru. Un microscopiu (M) col so oxetivu cubiertu por una pantalla fluorescente de sulfuru de cinc (S) enfusó na paré del cilindru y apuntó a la fueya metálica. Al xirar la mesa, el microscopiu puede movese un círculu alredor de la llámina, dexando que Geiger repare y cunte les partícules alfa esviaes hasta 150°. Corrixendo l'erru esperimental, Geiger y Marsden atoparon que'l númberu de partícules alfa que son esviaes por un ángulu Φ ye n'efectu proporcional a csc4Φ/2.[8]

Esti aparatu usar pa midir cómo'l patrón de dispersión de partícules alfa varió en relación cola grosez de la llámina metálica, el pesu atómicu del material y la velocidá de les partícules alfa. El discu xiratoriu nel centru tenía seis agujeros que podíen ser cubiertos con llámina.[8]

Geiger y Marsden depués probabron cómo la dispersión varió cola espesura de la llámina (i.y. if s ∝ t). Construyeron un discu (S) con seis orificios furaos nél. Los furos fueron cubiertos con llámines de metal d'espesura variable, or nengunu pal control. Esti discu sellóse entós nun aníu de latón (A) ente dos pplacas de vidriu (B y C). El discu podría ser xiráu per media d'una barra (P) pa llevar cada ventana delantre de la fonte de partícules alfa (R). Nel panel de vidriu traseru atopábase una pantalla de sulfuru de cinc (Z). Geiger y Marsden repararon que'l númberu de centelleos qu'apaecieron na pantalla yera en realidá proporcional a la espesura, siempres y cuando dichu espesura fuera pequeñu.[8]

Geiger y Marsden reutilizaron l'aparatu anterior pa midir cómo'l patrón de dispersión varió col cuadráu de la carga nuclear (i.y. si s ∝ Qn2). Geiger y Marsden supunxeron que la carga del nucleu yera proporcional al pesu atómicu del elementu, polo que probaron si la dispersión yera proporcional al pesu atómicu al cuadráu. Geiger y Marsden cubríen los furacos del discu con llámines d'oru, estañu, plata, cobre y aluminiu. Midíen el poder de frenáu de cada llámina al oldealo a una espesura equivalente d'aire. Cuntaron el númberu de centelleos per minutu que cada llámina produció na pantalla. Estremaron el númberu de centelleos per minutu pol equivalente d'aire. Cuntaron el númberu de centelleos per minutu que cada llámina produció na pantalla. Estremaron el númberu de centelleos per minutu pol quivalente d'aire de la llámina respeutiva, luege estremar de nuevu pol raigañu cuadrada del pesu atómicu (ellos sabíen que pa les llámines d'igual poder de frenáu, el númberu d'átomos per unidá d'área ye proporcional al raigañu cuadráu del pesu atómicu). Asina, pa cada metal, Geiger y Marsden llograron el númberu de centelleos que produz un númberu fixu d'átomos. Pa cada metal, entós estremaron esti númberu pol cuadráu del pesu atómicu, y atoparon que les proporiciones yeren más o menos iguales. Asina probaron que s ∝ Qn2.[8]

A lo último, Geiger y Marsden probáu cómo la dispersión varió cola velocidá de les partícules alfa (i.y. si s α 1/v4). Utilizando de nuevu'l mesmu aparatu, ellos retardaron les partícules alfa asitiando fueyes adicionales de mica delantre de la fonte de partícules alfa. Repararon que, dientro del rangu d'erru esperimental, que'l númberu de escintilaciones yera en realidá proporcional a 1/v4.[8]

Rutherford determina que'l nucleu ta cargáu positivamente[editar | editar la fonte]

Nel so artículu de 1911, Rutherford supunxo que la carga central del átomu taba cargada positivamente, pero reconoció que nun podía dicir con seguridá, una y bones una carga negativa o positiva sería afecha al so modelu de dispersión.[9] Les resultaos d'otros esperimentos confirmaron la so hipótesis. Nun artículu de 1913,[10] Rutherford declaró que'l nucleu» taba cargáu positivamente, basáu na resultancia d'esperimentu qu'esquizaben la dispersión de partícules alfa en dellos gases.

En 1917, Rutherford y el so asistente William Kay empezaron a esquizar el pasu de les partícules alfa al traviés de gases como l'hidróxenu y el nitróxenu. Nun esperimentu nel que dispararon un fexe de partícules alfa al traviés del hidróxenu, les partícules alfa cutieron los nucleos d'hidróxenu escontra alantre na direición de la viga, non escontra tras. Nun esperimentu nel que dispararon partícules alfa al traviés de nitróxenu, afayó que les partícules alfa cutieron a nucleos d'hidróxenu (i.y. protones) fuera de los nucleos de nitróxenu.[9]

Legáu[editar | editar la fonte]

Foi'l sucesu más increíble que m'asocediera en tola mio vida. Yera casi tan increíble como si disparara un proyeutil de 15 pulgaes nun cachu de papel de seda y volviera y te cutiera. En considerancia, di cuenta de qu'esta dispersión escontra tras tien de ser la resultancia d'un solu choque, y cuando fixi cálculos vi que yera imposible consiguir daqué d'esi orde de magnitú nun siendo que tomó un sistema nel que la mayor parte de la masa del átomu concentrar nun nucleu minúsculu nucleu. Foi entós cuando tuvi la idea d'un átomu con un minúsculu centru masivu, con una carga.

Ernest Rutherford, conferencia en Cambridge

El descubrimientu del nucleu foi unu de los descubrimientos científicos más importantes de tolos tiempos. Por cuenta de que reveló la estructura de tola materia, afectó a tolos campos científicos y d'inxeniería.

Ver tamién[editar | editar la fonte]

Bibliografía[editar | editar la fonte]

Action. Elsevier. ISBN 978-0-12-398498-2.

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]

Referencies[editar | editar la fonte]

  1. Nagaoka (1904)
  2. Manners (2000)
  3. Heilbron (2003)
  4. Reeves (2008)
  5. Tibbetts (2007)
  6. 6,0 6,1 Geiger & Marsden (1909)
  7. Rutherford (1911)
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 Geiger & Marsden (1913)
  9. 9,0 9,1 «Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus». American Institute of Physics. Consultáu'l 23 d'ochobre de 2014.
  10. Rutherford & Nuttal (1913)




Experimento de Rutherford