fbpx
Wikipedia

Experimento de Rutherford

Los experimentos de Rutherford fueron una serie de experimentos históricos mediante los cuales los científicos descubrieron que cada átomo tiene un núcleo donde tiene las cargas positivas y la mayor parte de su masa se concentran. Ellos dedujeron esto midiendo cómo un haz de partículas alfa se dispersa cuando golpea una delgada hoja metálica. Los experimentos se realizaron entre 1908 y 1924 por Hans Geiger y Ernest Marsden bajo la dirección de Ernest Rutherford en los laboratorios de la Universidad de Mánchester.

Resumen

La teoría popular de la estructura atómica fue la de JJ Thomson. Thomson fue el científico que descubrió el electrón que forma parte de cada átomo. Thomson creía que el átomo era una esfera de carga positiva en la cual estaban dispuestos los electrones. Los protones y los neutrones eran desconocidos en esa época.

El modelo de Thomson no fue universalmente aceptado. Thomson mismo no fue capaz de desarrollar un modelo estable y completo de su concepto. Hantaro Nagaoka, un científico japonés, lo rechazó alegando que las cargas eléctricas opuestas no pueden penetrar entre sí. En cambio, propuso que los electrones orbitaban la carga positiva como los anillos de Saturno.[1]

La predicción

Unas partículas alfa el bueno una partícula sub-microscópica con una carga positiva. Según el modelo de Thomson, si una partícula alfa chocara con un átomo, pasaría directamente a través. A escala atómica, el concepto de «materia sólida» carece de sentido, por lo que la partícula alfa no rebotaría en el átomo como si fueran canicas. Solo se vería afectada por los campos eléctricos del átomo, y en el modelo de Thomson los campos eléctricos eran demasiado débiles para afectar una partícula alfa pasajera en un grado significativo. Ambas cargas negativas y positivas dentro del átomo de Thomson se extienden sobre todo el volumen del átomo. De acuerdo con la Ley de Coulomb, cuanto menos concentrada es una esfera de carga eléctrica, más débil será su campo eléctrico en su superficie.

 

Como ejemplo trabajado, considere una partícula alfa que pasa tangencialmente a un átomo de oro de Thomson, donde experimentará el campo eléctrico en su punto más fuerte y, de este modo, experimentará la máxima deflexión θ. Puesto que los electrones son muy ligeros comparados con la partícula alfa, su influencia puede ser despreciada y el átomo puede ser visto como una esfera de carga positiva.

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

Usando la física clásica, el cambio lateral de la partícula alfa en el momento Δp puede ser aproximado usando el impulso de la relación de fuerza y la expresión fuerza de Coulomb.

 
 
 

El cálculo anterior no es más que una aproximación, pero está claro que la deflexión a lo sumo estará en el orden de una pequeña fracción de un grado. Si la partícula alfa pasara a través de una lámina de oro de unos 400 átomos de espesor y experimentara una deflexión máxima en la misma dirección (poco probable), seguiría siendo una pequeña deflexión.

El resultado

A petición de Rutherford, Geiger y Marsden realizaron una serie de experimentos en los que dirigieron un haz de partículas alfa en una fina lámina de oro y midieron el patrón de dispersión usando una pantalla fluorescente. Detectaron partículas alfa rebotando en la hoja de oro en todas las direcciones, algunas de vuelta en la fuente. Esto debía ser imposible según el modelo de Thomson. Obviamente, esas partículas habían encontrado una fuerza electrostática mucho mayor que el modelo de Thomson, lo que a su vez implicaba que la carga positiva del átomo se concentraba en un volumen mucho más pequeño de lo que Thomson imaginaba.[2]

Cuando Geiger y Marsden dispararon partículas alfa en sus láminas, se dieron cuenta de que solo una pequeña fracción de las partículas alfa se desvió en más de 90°. La mayoría voló directamente a través de la lámina. Esto sugirió que esas esferas minúsculas de la carga positiva intensa fueron separadas por vastos golfos del espacio vacío. La mayoría de las partículas pasaron a través del espacio vacío con una desviación mínima, y una pequeña fracción golpeó los núcleos y se desvió fuertemente.

Rutherford rechazó así el modelo de Thomson, y en cambio propuso un modelo en el que el átomo consistía en su mayoría espacio vacío, con toda su carga positiva concentrada en el centro de un volumen muy pequeño, rodeado por una nube de electrones.

Resumen: la mayoría de los rayos alfa atravesaron la lámina sin dividirse, la mayor parte del espacio de un átomo es espacio vacío. Hay una densa y diminuta región que llamó núcleo, que contiene carga positiva y casi toda la masa del átomo; algunos rayos se desviaron porque pasan muy cerca del centro con carga eléctrica del mismo tipo que los rayos alfa (carga positiva); muy pocos rebotaron porque chocaron frontalmente contra ejes centros de carga positiva.

Cronograma

Contexto

Ernest Rutherford fue profesor de física en la Universidad de Mánchester. Ya había recibido numerosos honores por sus estudios de radiación. Había descubierto la existencia de rayos alfa; rayos beta y rayos gamma, y había demostrado que estos eran la consecuencia de la desintegración de los átomos. En 1906, recibió la visita de un físico alemán llamado Hans Geiger, y quedó tan impresionado que le pidió a Geiger que se quedara y le ayudara en sus investigaciones. Ernest Marsden era un estudiante de licenciatura en física que estudiaba bajo Geiger.

Las partículas alfa son pequeñas partículas positivamente cargadas que son emitidas espontáneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio. El propio Rutherford los había descubierto en 1899. En 1908 estaba tratando de medir con precisión su relación de carga-masa. Para hacer esto, primero necesitaba saber cuántas partículas alfa su muestra de radio estaba emitiendo (después de lo cual mediría su carga total y dividiría una por la otra). Las partículas alfa son demasiado pequeñas para ser vistas incluso con un microscopio, pero Rutherford sabía que las partículas alfa ionizan las moléculas de aire, y si el aire está dentro de un campo eléctrico, los iones producirán una corriente eléctrica. En este principio, Rutherford y Geiger diseñaron un dispositivo de conteo simple que consistió en dos electrodos en un tubo de cristal. Cada partícula alfa que pasaba por el tubo creaba un pulso electricidad que podía ser contado. Era una versión temprana del contador Geiger.[3]

Los experimentos que diseñaron involucraron bombardear una lámina metálica con partículas alfa para observar cómo la lámina los dispersó en relación con su espesor y material. Utilizaron una pantalla fluorescente para medir las trayectorias de las partículas. Cada impacto de una partícula alfa en la pantalla produjo un pequeño destello de luz. Geiger trabajó en un laboratorio oscurecido durante horas y horas, contando estos pequeños centellos con un microscopio. Rutherford carecía de la resistencia para este trabajo, por lo que se lo dejó a sus colegas más jóvenes.[4]​ Para la lámina metálica, probaron una variedad de metales, pero preferían el oro porque podían hacer que la lámina fuera muy fina, ya que el oro es muy maleable.[5]​ Como fuente de partículas alfa, la sustancia de elección de Rutherford era el radio, una sustancia varios millones de veces más radiactiva que el uranio.

El experimento de 1908

 
Este aparato fue descrito en un artículo de 1908 por Hans Geiger. Solo podía medir deflexiones de unos pocos grados.

Un artículo de 1908 por Geiger, «Sobre la Dispersión de Partículas por Materia», describe el siguiente experimento. Geiger construyó un largo tubo de vidrio de casi dos metros de longitud. En un extremo del tubo había una cantidad de "emanación de radio" (R) que servía como fuente de partículas alfa. El extremo opuesto del tubo se cubrió con una pantalla fosforescente (Z). En el centro del tubo había una hendidura de 0,9 mm de ancho. Las partículas alfa de R pasaron a través de la hendidura y crearon un parche brillante de luz en la pantalla. Se utilizó un microscopio (M) para contar los centelleos en la pantalla y medir su propagación. Geiger bombeó todo el aire del tubo para que las partículas alfa estuvieran desobstruidas y dejaron una imagen limpia y apretada en la pantalla que correspondía a la forma de la hendidura. Geiger entonces dejó un poco de aire en el tubo, y el parche brillante se hizo más difuso. Geiger luego bombeó el aire y colocó una hoja de oro sobre la ranura en AA. Esto también hizo que el parche de luz en la pantalla se extendiera más. Este experimento demostró que tanto el aire como la materia sólida podrían dispersar notablemente las partículas alfa. El aparato, sin embargo, solo podía observar pequeños ángulos de deflexión. Rutherford quería saber si las partículas alfa estaban siendo esparcidas por ángulos aún mayores-quizás más de 90°.

El experimento de 1909

 
 
En estos experimentos, las partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva (A) se observaron rebotando de un reflector de metal (R) y sobre una pantalla fluorescente (S) en el otro lado de una placa de plomo (P).

En un artículo de 1909, «En una Reflexión Difusa de las Partículas Alfa»,[6]​ Geiger y Marsden describieron el experimento mediante el cual demostraron que las partículas alfa pueden ser dispersadas por más de 90°. En su experimento prepararon un pequeño tubo de vidrio cónico (AB) que contenía radio, y su apertura fue sellada con mica. Esto fue su emisor de partículas alfa. Ellos montaron una placa de plomo (P), detrás de la cual se colocó una pantalla fluorescente (S). Ellos posicionaron el tubo de radio en el otro lado de la placa, de tal manera que las partículas alfa que emitió no pudieron golpear directamente la pantalla. Ellos notaron unos cuanto centelleos en la pantalla. Se debía a que algunas partículas alfa evitaron la placa de plomo rebotando en las moléculas de aire. Luego colocaron una lámina de metal (R) en el lado de la placa de plomo. Se dieron cuenta de más centelleos en la pantalla porque las partículas alfa estaban rebotando en la lámina. Contando los centelleos, notaron que los metales con mayor masa atómica, como el oro, reflejaban más partículas alfa que las más ligeras como el aluminio.

Geiger y Marsden entonces querían estimar el número total de partículas alfa que se estaban reflejando. La configuración anterior no era adecuada para ello porque el tubo contenía varias sustancias radiactivas (radio y sus productos de desintegración) y, por lo tanto, las partículas alfa emitidas tenían rangos variables y porque era difícil para ellos determinar a qué velocidad emitía el tubo partículas alfa. Esta vez, colocaron una pequeña cantidad de radio C (bismuto-214) sobre una placa de plomo, que rebotó sobre un reflector de platino (R) y sobre la pantalla. Ellos encontraron que solo una pequeña fracción de las partículas alfa que golpeó el reflector rebotó en la pantalla (1 en 8000).[6]

El experimento de 1910

 
Este aparato se describió en el documento de 1910 de Geiger. Fue diseñado para medir con precisión cómo la dispersión varió según la sustancia y el espesor de la lámina.

Un artículo de 1910 de Geiger, «La dispersión de las α-partículas por materia», describe un experimento mediante el cual intentó medir cómo el ángulo más probable a través del cual se desvía una partícula alfa varía con el material por el que pasa, el espesor de dicho material, y la velocidad de las partículas alfa. Geiger construyó un tubo de vidrio hermético del que se bombeaba el aire. En un extremo había un bulbo (B) que contenía "emanción de radio" (radón-222). Por medio de mercurio, el radón en B fue bombeado por el estrecho del tubo hacia una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente (S). El microscopio que utilizó para contar los centelleos en la pantalla fue fijado a una escala de milímetro vertical con un vernier, lo que permitió a Geiger para medir con precisión donde los destellos de luz apareció en la pantalla y así calcular los ángulos de las partículas de deflexión. Las partículas alfa emitidas desde A se estrecharon a una viga por un pequeño orificio circular en D. Geiger colocó una lámina de metal en la trayectoria de los rayos en D y E para observar cómo cambió la zona de destellos. También podría variar la velocidad de las partículas alfa colocando hojas extra de mic o aluminio en A.

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

  • el ángulo de deflexión más probable aumenta con el espesor del material
  • el ángulo de deflexión más probable es proporcional a la masa atómica de la sustancia
  • el ángulo de deflexión más probable disminuye con la velocidad de las partículas alfa
  • la porbabilidad que una partícula se desvíe por más de 90° es muy pequeña

Rutherford modela matemáticamente el patrón de dispersión

En 1911, Rutherford publicó un documento histórico en 1911 titulado «La dispersión de partículas alfa y beta por materia y la estructura del átomo»[7]​ en el que propuso que el átomo contenga en su centro un volumen de carga eléctrica que es muy pequeño e intenso (Rutherford lo trató como una carga puntual en sus ecuaciones). A los efectos de sus ecuaciones, supuso que esta carga central era positiva, pero admitió que no podía probar esto todavía.

Rutherford desarrolló un ecuación que modelaba cómo la lámina debía dispersar las partículas alfa si toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atómica se concentraban en un solo punto en el centro de un átomo.

 

 

s = el número de partículas alfa que caen sobre el área unitaria con un ángulo de deflexión Φ
r = la distancia del punto de incidencia de los rayos alfa sobre el material de dispersión
X = el número total de partículas que caen sobre el material de dispersión
n = el número de átomos en un volumen unitario del material
t = el espesor de la lámina
Qn = la carga positiva del núcleo atómico
Qα = la carga positiva de las partículas alfa
m = la masa de una partícula alfa
v = la velocidad de la partícula alfa

La lámina de oro

En un artículo de 1913, «Las leyes de la deflexión de las partículas α mediante ángulos grandes»,[8]​ Geiger y Marsden describen una serie de experimentos mediante los cuales intentaron verificar experimentalmente la ecuación anterior que desarrolló Rutherford. La ecuación de Rutherford predijo que el número de centelleos por minuto (s) que se observará en un ángulo dado (Φ) debería ser proporcional a:

  1. csc4Φ/2
  2. espesor de la lámina t
  3. magnitud de la carga central Qn
  4. 1/(mv2)2

Su artículo de 1913 describe cuatro experimentos por los cuales demostraron cada una estas cuatro relaciones.

 
 
Este aparato fue descrito en un documento de 1913 de Geiger y Marsden. Fue diseñado para medir con precisión el patrón de dispersión de las partículas alfa producidas por la lámina metálica (F). El microscopio (M) y la pantalla (S) se fijaron a un cilindro giratorio y se pudieron mover un círculo completo alrededor de la lámina para que pudieran contar centelleos desde todos los ángulos.[8]

Para probar cómo la dispersión varió con el ángulo de deflexión (i.e., si s ∝ csc4Φ/2) Geiger y Marsden construyeron un aparato que consistía en un cilindro de metal hueco montado en un plato giratorio. Dentro del cilindro había una lámina metálica (F) y una fuente de radiación que contenía radón (R), montada sobre una columna separada (T) que permitía que el cilindro girara independientemente. La columna era también un tubo por el cual se bombeaba aire fuera de cilindro. Un microscopio (M) con su objetivo cubierto por una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc (S) penetró en la pared del cilindro y apuntó a la hoja metálica. Al girar la mesa, el microscopio se puede mover un círculo alrededor de la lámina, permitiendo que Geiger observe y cuente las partículas alfa desviadas hasta 150°. Corrigiendo el error experimental, Geiger y Marsden encontraron que el número de partículas alfa que son desviadas por un ángulo Φ es en efecto proporcional a csc4Φ/2.[8]

 
 
Este aparato se usó para medir cómo el patrón de dispersión de partículas alfa varió en relación con el grosor de la lámina metálica, el peso atómico del material y la velocidad de las partículas alfa. El disco giratorio en el centro tenía seis agujeros que podían ser cubiertos con lámina.[8]

Geiger y Marsden luego probabron cómo la dispersión varió con el espesor de la lámina (i.e. if s ∝ t). Construyeron un disco (S) con seis orificios perforados en él. Los orificios fueron cubiertos con láminas de metal de espesor variable, or ninguno para el control. Este disco se selló entonces en un anillo de latón (A) entre dos pplacas de vidrio (B y C). El disco podría ser girado por media de una barra (P) para llevar cada ventana delante de la fuente de partículas alfa (R). En el panel de vidrio trasero se encontraba una pantalla de sulfuro de zinc (Z). Geiger y Marsden observaron que el número de centelleos que aparecieron en la pantalla era en realidad proporcional al espesor, siempre y cuando dicho espesor fuera pequeño.[8]

Geiger y Marsden reutilizaron el aparato anterior para medir cómo el patrón de dispersión varió con el cuadrado de la carga nuclear (i.e. si s ∝ Qn2). Geiger y Marsden supusieron que la carga del núcleo era proporcional al peso atómico del elemento, por lo que probaron si la dispersión era proporcional al peso atómico al cuadrado. Geiger y Marsden cubrían los agujeros del disco con láminas de oro, estaño, plata, cobre y aluminio. Medían el poder de frenado de cada lámina al equipararlo a un espesor equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que cada lámina produjo en la pantalla. Dividieron el número de centelleos por minuto por el equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que cada lámina produjo en la pantalla. Dividieron el número de centelleos por minuto por el equivalente de aire de la lámina respectiva, luege se dividieron de nuevo por la raíz cuadrada del peso atómico (ellos sabían que para las láminas de igual poder de frenado, el número de átomos por unidad de área es proporcional a la raíz cuadrada del peso atómico). Así, para cada metal, Geiger y Marsden obtuvieron el número de centelleos que produce un número fijo de átomos. Para cada metal, entonces dividieron este número por el cuadrado del peso atómico, y encontraron que las proporiciones eran más o menos iguales. Así probaron que s ∝ Qn2.[8]

Por último, Geiger y Marsden probado cómo la dispersión varió con la velocidad de las partículas alfa (i.e. si s α 1/v4). Utilizando de nuevo el mismo aparato, ellos retardaron las partículas alfa colocando hojas adicionales de mica delante de la fuente de partículas alfa. Observaron que, dentro del rango de error experimental, que el número de escintilaciones era en realidad proporcional a 1/v4.[8]

Rutherford determina que el núcleo está cargado positivamente

En su artículo de 1911, Rutherford supuso que la carga central del átomo estaba cargada positivamente, pero reconoció que no podía decir con seguridad, ya que una carga negativa o positiva habría sido adecuada a su modelo de dispersión.[9]​ Los resultados de otros experimentos confirmaron su hipótesis. En un artículo de 1913,[10]​ Rutherford declaró que el «núcleo» estaba cargado positivamente, basado en el resultado de experimento que exploraban la dispersión de partículas alfa en varios gases.

En 1917, Rutherford y su asistente William Kay comenzaron a explorar el paso de las partículas alfa a través de gases como el hidrógeno y el nitrógeno. En un experimento en el que dispararon un haz de partículas alfa a través del hidrógeno, las partículas alfa golpearon los núcleos de hidrógeno hacia adelante en la dirección de la viga, no hacia atrás. En un experimento en el que dispararon partículas alfa a través de nitrógeno, descubrió que las partículas alfa golpearon a núcleos de hidrógeno (i.e. protones) fuera de los núcleos de nitrógeno.[9]

Véase también

Bibliografía

  • «Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus». American Institute of Physics. Consultado el 23 de octubre de 2014. 
  • «HyperPhysics». Georgia State University. Consultado el 13 de agosto de 2014. 
  • . Cavendish Laboratory. Archivado desde el original el 6 de octubre de 2014. Consultado el 23 de julio de 2014. 
  • Daintith, John; Gjertsen, Derek (1999). A Dictionary of Scientists. Oxford University Press. ISBN 0-19-280086-8. 
  • Fowler, Michael. «Rutherford Scattering». Lecture notes for Physics 252. University of Virginia. Consultado el 23 de julio de 2014. 
  • Geiger, Hans (1908). «On the Scattering of α-Particles by Matter». Proceedings of the Royal Society of London A 81 (546): 174-177. Bibcode:1908RSPSA..81..174G. doi:10.1098/rspa.1908.0067. 
  • Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1909). «On a Diffuse Reflection of the α-Particles». Proceedings of the Royal Society of London A 82 (557): 495-500. Bibcode:1909RSPSA..82..495G. doi:10.1098/rspa.1909.0054. 
  • Geiger, Hans (1910). «The Scattering of the α-Particles by Matter». Proceedings of the Royal Society of London A 83 (565): 492-504. Bibcode:1910RSPSA..83..492G. doi:10.1098/rspa.1910.0038. 
  • Geiger, Hans; Marsden, Ernest (1913). «The Laws of Deflexion of α Particles through Large Angles». Philosophical Magazine. Series 6 25 (148): 604-623. doi:10.1080/14786440408634197. 
  • Heilbron, John L. (2003). Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms. Oxford University Press. ISBN 0-19-512378-6. 
  • Jewett, John W., Jr.; Serway, Raymond A. (2014). «Early Models of the Atom». Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (9th edición). Brooks/Cole. p. 1299. 
  • Manners, Joy (2000). Quantum Physics: An Introduction. CRC Press. ISBN 0-7503-0720-X. 
  • Nagaoka, Hantaro (1904). . Philosophical Magazine. Series 6 7: 445-455. doi:10.1080/14786440409463141. Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2017. Consultado el 10 de noviembre de 2016. 
  • Reeves, Richard (2008). A Force of Nature: The Frontier Genius of Ernest Rutherford. W. W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-07604-2. 
  • Rutherford, Ernest (1911). «The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom». Philosophical Magazine. Series 6 21: 669-688. doi:10.1080/14786440508637080. 
  • Rutherford, Ernest (1912). «The origin of β and γ rays from radioactive substances». Philosophical Magazine. Series 6 24 (142): 453-462. doi:10.1080/14786441008637351. 
  • Rutherford, Ernest; Nuttal, John Mitchell (1913). «Scattering of α-Particles by Gases». Philosophical Magazine. Series 6 26 (154): 702-712. doi:10.1080/14786441308635014. 
  • Rutherford, Ernest (1914). «The Structure of the Atom». Philosophical Magazine. Series 6 27 (159): 488-498. doi:10.1080/14786440308635117. 
  • Rutherford, Ernest; Ratcliffe, John A. (1938). «Forty Years of Physics». En Needham, Joseph; Pagel, Walter, eds. Background to Modern Science. Cambridge University Press. 
  • Rutherford, Ernest (1913). Radioactive Substances and their Radiations. Cambridge University Press. 
  • Thomson, Joseph J. (1904). «On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure». Philosophical Magazine. Series 6 7 (39): 237. doi:10.1080/14786440409463107. 
  • Tibbetts, Gary (2007). How the Great Scientists Reasoned: The Scientific Method in Action. Elsevier. ISBN 978-0-12-398498-2. 

Enlaces externos

  • Experimento de Rutherford
  • El famoso applet original de Nori sobre la dispersión de las partículas alfa en el experimento de Rutherford

Referencias

  1. Nagaoka (1904)
  2. Manners (2000)
  3. Heilbron (2003)
  4. Reeves (2008)
  5. Tibbetts (2007)
  6. Geiger & Marsden (1909)
  7. Rutherford (1911)
  8. Geiger & Marsden (1913)
  9. «Rutherford's Nuclear World: The Story of the Discovery of the Nucleus». American Institute of Physics. Consultado el 23 de octubre de 2014. 
  10. Rutherford & Nuttal (1913)
  •   Datos: Q1648751
  •   Multimedia: Geiger-Marsden experiment

experimento, rutherford, experimentos, rutherford, fueron, serie, experimentos, históricos, mediante, cuales, científicos, descubrieron, cada, átomo, tiene, núcleo, donde, tiene, cargas, positivas, mayor, parte, masa, concentran, ellos, dedujeron, esto, midien. Los experimentos de Rutherford fueron una serie de experimentos historicos mediante los cuales los cientificos descubrieron que cada atomo tiene un nucleo donde tiene las cargas positivas y la mayor parte de su masa se concentran Ellos dedujeron esto midiendo como un haz de particulas alfa se dispersa cuando golpea una delgada hoja metalica Los experimentos se realizaron entre 1908 y 1924 por Hans Geiger y Ernest Marsden bajo la direccion de Ernest Rutherford en los laboratorios de la Universidad de Manchester Indice 1 Resumen 1 1 La prediccion 1 2 El resultado 2 Cronograma 2 1 Contexto 2 2 El experimento de 1908 2 3 El experimento de 1909 2 4 El experimento de 1910 2 5 Rutherford modela matematicamente el patron de dispersion 2 6 La lamina de oro 2 7 Rutherford determina que el nucleo esta cargado positivamente 3 Vease tambien 4 Bibliografia 5 Enlaces externos 6 ReferenciasResumen EditarLa teoria popular de la estructura atomica fue la de JJ Thomson Thomson fue el cientifico que descubrio el electron que forma parte de cada atomo Thomson creia que el atomo era una esfera de carga positiva en la cual estaban dispuestos los electrones Los protones y los neutrones eran desconocidos en esa epoca El modelo de Thomson no fue universalmente aceptado Thomson mismo no fue capaz de desarrollar un modelo estable y completo de su concepto Hantaro Nagaoka un cientifico japones lo rechazo alegando que las cargas electricas opuestas no pueden penetrar entre si En cambio propuso que los electrones orbitaban la carga positiva como los anillos de Saturno 1 La prediccion Editar Unas particulas alfa el bueno una particula sub microscopica con una carga positiva Segun el modelo de Thomson si una particula alfa chocara con un atomo pasaria directamente a traves A escala atomica el concepto de materia solida carece de sentido por lo que la particula alfa no rebotaria en el atomo como si fueran canicas Solo se veria afectada por los campos electricos del atomo y en el modelo de Thomson los campos electricos eran demasiado debiles para afectar una particula alfa pasajera en un grado significativo Ambas cargas negativas y positivas dentro del atomo de Thomson se extienden sobre todo el volumen del atomo De acuerdo con la Ley de Coulomb cuanto menos concentrada es una esfera de carga electrica mas debil sera su campo electrico en su superficie Como ejemplo trabajado considere una particula alfa que pasa tangencialmente a un atomo de oro de Thomson donde experimentara el campo electrico en su punto mas fuerte y de este modo experimentara la maxima deflexion 8 Puesto que los electrones son muy ligeros comparados con la particula alfa su influencia puede ser despreciada y el atomo puede ser visto como una esfera de carga positiva Qn carga de un atomo de oro 79e 1 266 10 17 C Qa carga de una particula alfa 2e 3 204 10 19 C r radio de un atomo de oro 1 44 10 10 m va velocidad de una particula alfa 1 53 107 m s ma masa de una particula alfa 6 645 10 27 kg k Constante de Coulomb 8 998 109 N m C2Usando la fisica clasica el cambio lateral de la particula alfa en el momento Dp puede ser aproximado usando el impulso de la relacion de fuerza y la expresion fuerza de Coulomb D p F D t k Q a Q n r 2 2 r v a displaystyle Delta p F Delta t k cdot frac Q alpha Q n r 2 cdot frac 2r v alpha 8 D p p lt k 2 Q a Q n m a r v a 2 8 998 10 9 2 3 204 10 19 1 266 10 17 6 645 10 27 1 44 10 10 1 53 10 7 2 displaystyle theta approx frac Delta p p lt k cdot frac 2Q alpha Q n m alpha rv alpha 2 8 998 cdot 10 9 times frac 2 times 3 204 cdot 10 19 times 1 266 cdot 10 17 6 645 cdot 10 27 times 1 44 cdot 10 10 times 1 53 cdot 10 7 2 8 lt 0 000326 r a d o r 0 0186 displaystyle theta lt 0 000326 mathrm rad mathrm or 0 0186 circ El calculo anterior no es mas que una aproximacion pero esta claro que la deflexion a lo sumo estara en el orden de una pequena fraccion de un grado Si la particula alfa pasara a traves de una lamina de oro de unos 400 atomos de espesor y experimentara una deflexion maxima en la misma direccion poco probable seguiria siendo una pequena deflexion El resultado Editar A peticion de Rutherford Geiger y Marsden realizaron una serie de experimentos en los que dirigieron un haz de particulas alfa en una fina lamina de oro y midieron el patron de dispersion usando una pantalla fluorescente Detectaron particulas alfa rebotando en la hoja de oro en todas las direcciones algunas de vuelta en la fuente Esto debia ser imposible segun el modelo de Thomson Obviamente esas particulas habian encontrado una fuerza electrostatica mucho mayor que el modelo de Thomson lo que a su vez implicaba que la carga positiva del atomo se concentraba en un volumen mucho mas pequeno de lo que Thomson imaginaba 2 Cuando Geiger y Marsden dispararon particulas alfa en sus laminas se dieron cuenta de que solo una pequena fraccion de las particulas alfa se desvio en mas de 90 La mayoria volo directamente a traves de la lamina Esto sugirio que esas esferas minusculas de la carga positiva intensa fueron separadas por vastos golfos del espacio vacio La mayoria de las particulas pasaron a traves del espacio vacio con una desviacion minima y una pequena fraccion golpeo los nucleos y se desvio fuertemente Rutherford rechazo asi el modelo de Thomson y en cambio propuso un modelo en el que el atomo consistia en su mayoria espacio vacio con toda su carga positiva concentrada en el centro de un volumen muy pequeno rodeado por una nube de electrones Resumen la mayoria de los rayos alfa atravesaron la lamina sin dividirse la mayor parte del espacio de un atomo es espacio vacio Hay una densa y diminuta region que llamo nucleo que contiene carga positiva y casi toda la masa del atomo algunos rayos se desviaron porque pasan muy cerca del centro con carga electrica del mismo tipo que los rayos alfa carga positiva muy pocos rebotaron porque chocaron frontalmente contra ejes centros de carga positiva Cronograma EditarContexto Editar Ernest Rutherford Hans Geiger Ernest Marsden Ernest Rutherford fue profesor de fisica en la Universidad de Manchester Ya habia recibido numerosos honores por sus estudios de radiacion Habia descubierto la existencia de rayos alfa rayos beta y rayos gamma y habia demostrado que estos eran la consecuencia de la desintegracion de los atomos En 1906 recibio la visita de un fisico aleman llamado Hans Geiger y quedo tan impresionado que le pidio a Geiger que se quedara y le ayudara en sus investigaciones Ernest Marsden era un estudiante de licenciatura en fisica que estudiaba bajo Geiger Las particulas alfa son pequenas particulas positivamente cargadas que son emitidas espontaneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio El propio Rutherford los habia descubierto en 1899 En 1908 estaba tratando de medir con precision su relacion de carga masa Para hacer esto primero necesitaba saber cuantas particulas alfa su muestra de radio estaba emitiendo despues de lo cual mediria su carga total y dividiria una por la otra Las particulas alfa son demasiado pequenas para ser vistas incluso con un microscopio pero Rutherford sabia que las particulas alfa ionizan las moleculas de aire y si el aire esta dentro de un campo electrico los iones produciran una corriente electrica En este principio Rutherford y Geiger disenaron un dispositivo de conteo simple que consistio en dos electrodos en un tubo de cristal Cada particula alfa que pasaba por el tubo creaba un pulso electricidad que podia ser contado Era una version temprana del contador Geiger 3 Los experimentos que disenaron involucraron bombardear una lamina metalica con particulas alfa para observar como la lamina los disperso en relacion con su espesor y material Utilizaron una pantalla fluorescente para medir las trayectorias de las particulas Cada impacto de una particula alfa en la pantalla produjo un pequeno destello de luz Geiger trabajo en un laboratorio oscurecido durante horas y horas contando estos pequenos centellos con un microscopio Rutherford carecia de la resistencia para este trabajo por lo que se lo dejo a sus colegas mas jovenes 4 Para la lamina metalica probaron una variedad de metales pero preferian el oro porque podian hacer que la lamina fuera muy fina ya que el oro es muy maleable 5 Como fuente de particulas alfa la sustancia de eleccion de Rutherford era el radio una sustancia varios millones de veces mas radiactiva que el uranio El experimento de 1908 Editar Este aparato fue descrito en un articulo de 1908 por Hans Geiger Solo podia medir deflexiones de unos pocos grados Un articulo de 1908 por Geiger Sobre la Dispersion de Particulas por Materia describe el siguiente experimento Geiger construyo un largo tubo de vidrio de casi dos metros de longitud En un extremo del tubo habia una cantidad de emanacion de radio R que servia como fuente de particulas alfa El extremo opuesto del tubo se cubrio con una pantalla fosforescente Z En el centro del tubo habia una hendidura de 0 9 mm de ancho Las particulas alfa de R pasaron a traves de la hendidura y crearon un parche brillante de luz en la pantalla Se utilizo un microscopio M para contar los centelleos en la pantalla y medir su propagacion Geiger bombeo todo el aire del tubo para que las particulas alfa estuvieran desobstruidas y dejaron una imagen limpia y apretada en la pantalla que correspondia a la forma de la hendidura Geiger entonces dejo un poco de aire en el tubo y el parche brillante se hizo mas difuso Geiger luego bombeo el aire y coloco una hoja de oro sobre la ranura en AA Esto tambien hizo que el parche de luz en la pantalla se extendiera mas Este experimento demostro que tanto el aire como la materia solida podrian dispersar notablemente las particulas alfa El aparato sin embargo solo podia observar pequenos angulos de deflexion Rutherford queria saber si las particulas alfa estaban siendo esparcidas por angulos aun mayores quizas mas de 90 El experimento de 1909 Editar En estos experimentos las particulas alfa emitidas por una fuente radiactiva A se observaron rebotando de un reflector de metal R y sobre una pantalla fluorescente S en el otro lado de una placa de plomo P En un articulo de 1909 En una Reflexion Difusa de las Particulas Alfa 6 Geiger y Marsden describieron el experimento mediante el cual demostraron que las particulas alfa pueden ser dispersadas por mas de 90 En su experimento prepararon un pequeno tubo de vidrio conico AB que contenia radio y su apertura fue sellada con mica Esto fue su emisor de particulas alfa Ellos montaron una placa de plomo P detras de la cual se coloco una pantalla fluorescente S Ellos posicionaron el tubo de radio en el otro lado de la placa de tal manera que las particulas alfa que emitio no pudieron golpear directamente la pantalla Ellos notaron unos cuanto centelleos en la pantalla Se debia a que algunas particulas alfa evitaron la placa de plomo rebotando en las moleculas de aire Luego colocaron una lamina de metal R en el lado de la placa de plomo Se dieron cuenta de mas centelleos en la pantalla porque las particulas alfa estaban rebotando en la lamina Contando los centelleos notaron que los metales con mayor masa atomica como el oro reflejaban mas particulas alfa que las mas ligeras como el aluminio Geiger y Marsden entonces querian estimar el numero total de particulas alfa que se estaban reflejando La configuracion anterior no era adecuada para ello porque el tubo contenia varias sustancias radiactivas radio y sus productos de desintegracion y por lo tanto las particulas alfa emitidas tenian rangos variables y porque era dificil para ellos determinar a que velocidad emitia el tubo particulas alfa Esta vez colocaron una pequena cantidad de radio C bismuto 214 sobre una placa de plomo que reboto sobre un reflector de platino R y sobre la pantalla Ellos encontraron que solo una pequena fraccion de las particulas alfa que golpeo el reflector reboto en la pantalla 1 en 8000 6 El experimento de 1910 Editar Este aparato se describio en el documento de 1910 de Geiger Fue disenado para medir con precision como la dispersion vario segun la sustancia y el espesor de la lamina Un articulo de 1910 de Geiger La dispersion de las a particulas por materia describe un experimento mediante el cual intento medir como el angulo mas probable a traves del cual se desvia una particula alfa varia con el material por el que pasa el espesor de dicho material y la velocidad de las particulas alfa Geiger construyo un tubo de vidrio hermetico del que se bombeaba el aire En un extremo habia un bulbo B que contenia emancion de radio radon 222 Por medio de mercurio el radon en B fue bombeado por el estrecho del tubo hacia una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente S El microscopio que utilizo para contar los centelleos en la pantalla fue fijado a una escala de milimetro vertical con un vernier lo que permitio a Geiger para medir con precision donde los destellos de luz aparecio en la pantalla y asi calcular los angulos de las particulas de deflexion Las particulas alfa emitidas desde A se estrecharon a una viga por un pequeno orificio circular en D Geiger coloco una lamina de metal en la trayectoria de los rayos en D y E para observar como cambio la zona de destellos Tambien podria variar la velocidad de las particulas alfa colocando hojas extra de mic o aluminio en A A partir de las meidiciones que tomo Geiger llego a las siguientes conclusiones el angulo de deflexion mas probable aumenta con el espesor del material el angulo de deflexion mas probable es proporcional a la masa atomica de la sustancia el angulo de deflexion mas probable disminuye con la velocidad de las particulas alfa la porbabilidad que una particula se desvie por mas de 90 es muy pequenaRutherford modela matematicamente el patron de dispersion Editar En 1911 Rutherford publico un documento historico en 1911 titulado La dispersion de particulas alfa y beta por materia y la estructura del atomo 7 en el que propuso que el atomo contenga en su centro un volumen de carga electrica que es muy pequeno e intenso Rutherford lo trato como una carga puntual en sus ecuaciones A los efectos de sus ecuaciones supuso que esta carga central era positiva pero admitio que no podia probar esto todavia Rutherford desarrollo un ecuacion que modelaba como la lamina debia dispersar las particulas alfa si toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atomica se concentraban en un solo punto en el centro de un atomo s X n t csc 4 ϕ 2 16 r 2 2 Q n Q a m v 2 2 displaystyle s frac Xnt csc 4 tfrac phi 2 16r 2 cdot frac 2Q n Q alpha mv 2 2 s el numero de particulas alfa que caen sobre el area unitaria con un angulo de deflexion F r la distancia del punto de incidencia de los rayos alfa sobre el material de dispersion X el numero total de particulas que caen sobre el material de dispersion n el numero de atomos en un volumen unitario del material t el espesor de la lamina Qn la carga positiva del nucleo atomico Qa la carga positiva de las particulas alfa m la masa de una particula alfa v la velocidad de la particula alfaLa lamina de oro Editar En un articulo de 1913 Las leyes de la deflexion de las particulas a mediante angulos grandes 8 Geiger y Marsden describen una serie de experimentos mediante los cuales intentaron verificar experimentalmente la ecuacion anterior que desarrollo Rutherford La ecuacion de Rutherford predijo que el numero de centelleos por minuto s que se observara en un angulo dado F deberia ser proporcional a csc4F 2 espesor de la lamina t magnitud de la carga central Qn 1 mv2 2Su articulo de 1913 describe cuatro experimentos por los cuales demostraron cada una estas cuatro relaciones Este aparato fue descrito en un documento de 1913 de Geiger y Marsden Fue disenado para medir con precision el patron de dispersion de las particulas alfa producidas por la lamina metalica F El microscopio M y la pantalla S se fijaron a un cilindro giratorio y se pudieron mover un circulo completo alrededor de la lamina para que pudieran contar centelleos desde todos los angulos 8 Para probar como la dispersion vario con el angulo de deflexion i e si s csc4F 2 Geiger y Marsden construyeron un aparato que consistia en un cilindro de metal hueco montado en un plato giratorio Dentro del cilindro habia una lamina metalica F y una fuente de radiacion que contenia radon R montada sobre una columna separada T que permitia que el cilindro girara independientemente La columna era tambien un tubo por el cual se bombeaba aire fuera de cilindro Un microscopio M con su objetivo cubierto por una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc S penetro en la pared del cilindro y apunto a la hoja metalica Al girar la mesa el microscopio se puede mover un circulo alrededor de la lamina permitiendo que Geiger observe y cuente las particulas alfa desviadas hasta 150 Corrigiendo el error experimental Geiger y Marsden encontraron que el numero de particulas alfa que son desviadas por un angulo F es en efecto proporcional a csc4F 2 8 Este aparato se uso para medir como el patron de dispersion de particulas alfa vario en relacion con el grosor de la lamina metalica el peso atomico del material y la velocidad de las particulas alfa El disco giratorio en el centro tenia seis agujeros que podian ser cubiertos con lamina 8 Geiger y Marsden luego probabron como la dispersion vario con el espesor de la lamina i e if s t Construyeron un disco S con seis orificios perforados en el Los orificios fueron cubiertos con laminas de metal de espesor variable or ninguno para el control Este disco se sello entonces en un anillo de laton A entre dos pplacas de vidrio B y C El disco podria ser girado por media de una barra P para llevar cada ventana delante de la fuente de particulas alfa R En el panel de vidrio trasero se encontraba una pantalla de sulfuro de zinc Z Geiger y Marsden observaron que el numero de centelleos que aparecieron en la pantalla era en realidad proporcional al espesor siempre y cuando dicho espesor fuera pequeno 8 Geiger y Marsden reutilizaron el aparato anterior para medir como el patron de dispersion vario con el cuadrado de la carga nuclear i e si s Qn2 Geiger y Marsden supusieron que la carga del nucleo era proporcional al peso atomico del elemento por lo que probaron si la dispersion era proporcional al peso atomico al cuadrado Geiger y Marsden cubrian los agujeros del disco con laminas de oro estano plata cobre y aluminio Median el poder de frenado de cada lamina al equipararlo a un espesor equivalente de aire Contaron el numero de centelleos por minuto que cada lamina produjo en la pantalla Dividieron el numero de centelleos por minuto por el equivalente de aire Contaron el numero de centelleos por minuto que cada lamina produjo en la pantalla Dividieron el numero de centelleos por minuto por el equivalente de aire de la lamina respectiva luege se dividieron de nuevo por la raiz cuadrada del peso atomico ellos sabian que para las laminas de igual poder de frenado el numero de atomos por unidad de area es proporcional a la raiz cuadrada del peso atomico Asi para cada metal Geiger y Marsden obtuvieron el numero de centelleos que produce un numero fijo de atomos Para cada metal entonces dividieron este numero por el cuadrado del peso atomico y encontraron que las proporiciones eran mas o menos iguales Asi probaron que s Qn2 8 Por ultimo Geiger y Marsden probado como la dispersion vario con la velocidad de las particulas alfa i e si s a 1 v4 Utilizando de nuevo el mismo aparato ellos retardaron las particulas alfa colocando hojas adicionales de mica delante de la fuente de particulas alfa Observaron que dentro del rango de error experimental que el numero de escintilaciones era en realidad proporcional a 1 v4 8 Rutherford determina que el nucleo esta cargado positivamente Editar En su articulo de 1911 Rutherford supuso que la carga central del atomo estaba cargada positivamente pero reconocio que no podia decir con seguridad ya que una carga negativa o positiva habria sido adecuada a su modelo de dispersion 9 Los resultados de otros experimentos confirmaron su hipotesis En un articulo de 1913 10 Rutherford declaro que el nucleo estaba cargado positivamente basado en el resultado de experimento que exploraban la dispersion de particulas alfa en varios gases En 1917 Rutherford y su asistente William Kay comenzaron a explorar el paso de las particulas alfa a traves de gases como el hidrogeno y el nitrogeno En un experimento en el que dispararon un haz de particulas alfa a traves del hidrogeno las particulas alfa golpearon los nucleos de hidrogeno hacia adelante en la direccion de la viga no hacia atras En un experimento en el que dispararon particulas alfa a traves de nitrogeno descubrio que las particulas alfa golpearon a nucleos de hidrogeno i e protones fuera de los nucleos de nitrogeno 9 Vease tambien EditarDispersion de Rutherford Modelo atomico de Thomson Joseph Thomson Ernest Rutherford Modelo atomico de Rutherford Particula Alfa Poder de frenadoBibliografia Editar Rutherford s Nuclear World The Story of the Discovery of the Nucleus American Institute of Physics Consultado el 23 de octubre de 2014 HyperPhysics Georgia State University Consultado el 13 de agosto de 2014 Geiger and Marsden Cavendish Laboratory Archivado desde el original el 6 de octubre de 2014 Consultado el 23 de julio de 2014 Daintith John Gjertsen Derek 1999 A Dictionary of Scientists Oxford University Press ISBN 0 19 280086 8 Fowler Michael Rutherford Scattering Lecture notes for Physics 252 University of Virginia Consultado el 23 de julio de 2014 Geiger Hans 1908 On the Scattering of a Particles by Matter Proceedings of the Royal Society of London A 81 546 174 177 Bibcode 1908RSPSA 81 174G doi 10 1098 rspa 1908 0067 Geiger Hans Marsden Ernest 1909 On a Diffuse Reflection of the a Particles Proceedings of the Royal Society of London A 82 557 495 500 Bibcode 1909RSPSA 82 495G doi 10 1098 rspa 1909 0054 Geiger Hans 1910 The Scattering of the a Particles by Matter Proceedings of the Royal Society of London A 83 565 492 504 Bibcode 1910RSPSA 83 492G doi 10 1098 rspa 1910 0038 Geiger Hans Marsden Ernest 1913 The Laws of Deflexion of a Particles through Large Angles Philosophical Magazine Series 6 25 148 604 623 doi 10 1080 14786440408634197 Heilbron John L 2003 Ernest Rutherford and the Explosion of Atoms Oxford University Press ISBN 0 19 512378 6 Jewett John W Jr Serway Raymond A 2014 Early Models of the Atom Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics 9th edicion Brooks Cole p 1299 Manners Joy 2000 Quantum Physics An Introduction CRC Press ISBN 0 7503 0720 X Nagaoka Hantaro 1904 Kinetics of a System of Particles illustrating the Line and the Band Spectrum and the Phenomena of Radioactivity Philosophical Magazine Series 6 7 445 455 doi 10 1080 14786440409463141 Archivado desde el original el 27 de noviembre de 2017 Consultado el 10 de noviembre de 2016 Reeves Richard 2008 A Force of Nature The Frontier Genius of Ernest Rutherford W W Norton amp Co ISBN 978 0 393 07604 2 Rutherford Ernest 1911 The Scattering of a and b Particles by Matter and the Structure of the Atom Philosophical Magazine Series 6 21 669 688 doi 10 1080 14786440508637080 Rutherford Ernest 1912 The origin of b and g rays from radioactive substances Philosophical Magazine Series 6 24 142 453 462 doi 10 1080 14786441008637351 Rutherford Ernest Nuttal John Mitchell 1913 Scattering of a Particles by Gases Philosophical Magazine Series 6 26 154 702 712 doi 10 1080 14786441308635014 Rutherford Ernest 1914 The Structure of the Atom Philosophical Magazine Series 6 27 159 488 498 doi 10 1080 14786440308635117 Rutherford Ernest Ratcliffe John A 1938 Forty Years of Physics En Needham Joseph Pagel Walter eds Background to Modern Science Cambridge University Press Rutherford Ernest 1913 Radioactive Substances and their Radiations Cambridge University Press Thomson Joseph J 1904 On the Structure of the Atom an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure Philosophical Magazine Series 6 7 39 237 doi 10 1080 14786440409463107 Tibbetts Gary 2007 How the Great Scientists Reasoned The Scientific Method in Action Elsevier ISBN 978 0 12 398498 2 Enlaces externos EditarExperimento de Rutherford El famoso applet original de Nori sobre la dispersion de las particulas alfa en el experimento de RutherfordReferencias Editar Nagaoka 1904 Manners 2000 Heilbron 2003 Reeves 2008 Tibbetts 2007 a b Geiger amp Marsden 1909 Rutherford 1911 a b c d e f g Geiger amp Marsden 1913 a b Rutherford s Nuclear World The Story of the Discovery of the Nucleus American Institute of Physics Consultado el 23 de octubre de 2014 Rutherford amp Nuttal 1913 Datos Q1648751 Multimedia Geiger Marsden experimentObtenido de https es wikipedia org w index php title Experimento de Rutherford amp oldid 137417008, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

español

, española, descargar, gratis, descargar gratis, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, imagen, música, canción, película, libro, juego, juegos