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Modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Rutherford[1]​ es un modelo atómico o la estructura interna del átomo propuesto por el químico y físico británico-neozelandés Ernest Rutherford[2]​ en 1911, para explicar los resultados de su «experimento de la lámina de oro».

Animación 3D de un átomo según Ernest Rutherford.

Rutherford llegó a la conclusión de que la masa del átomo se concentraba en una región pequeña de cargas positivas que impedían el paso de las partículas alfa. Más tarde propuso un nuevo modelo atómico que poseía un núcleo o centro en el que el Modelo atómico de Thomson no pudo explicar cómo se mantiene la carga en los electrones dentro del átomo. Tampoco pudo explicar la estabilidad de un átomo. La teoría no mencionó nada sobre el núcleo del átomo.

En el se concentra la masa y la carga positiva, y que en la zona extra nuclear se encuentran los electrones de carga negativa.

Modelo de un átomo de Rutherford. Propuso un núcleo con protones (negro en el centro) y con electrones (en rojo) girando alrededor de este.

Historia

Antes de que Rutherford propusiera su modelo atómico, los físicos aceptaban que las cargas eléctricas en el átomo tenían una distribución más o menos uniforme. Rutherford trató de ver cómo era la dispersión de las partículas alfa por parte de los átomos de una lámina de oro muy delgada. Los ángulos resultantes de la desviación de las partículas supuestamente aportarían información sobre cómo era la distribución de carga en los átomos. Era de esperar que, si las cargas estaban distribuidas uniformemente según el modelo atómico de Thomson, la mayoría de las partículas atravesarían la delgada lámina sufriendo solo ligeras deflexiones, siguiendo una trayectoria aproximadamente recta. Aunque esto era cierto para la mayoría de las partículas alfa, un número importante de estas sufrían deflexiones de cerca de 180º, es decir, prácticamente salían rebotadas en dirección opuesta al incidente.

Rutherford pensó que no era suficiente fracción de partículas rebotadas en dirección opuesta podía ser explicada si se suponía la existencia de fuertes concentraciones de carga positiva en el átomo. La mecánica newtoniana en conjunción con la ley de Coulomb predice que el ángulo de deflexión de una partícula alfa relativamente liviana por parte de un átomo de oro más pesado, depende del "parámetro de impacto" o distancia entre la trayectoria de la partícula y el núcleo:[3]

(1) 

Donde:

 , siendo   la constante dieléctrica del vacío y   la carga eléctrica del centro dispersor.
 , es la energía cinética inicial de la partícula alfa incidente.
  es el parámetro de impacto.

Dado que Rutherford observó una fracción apreciable de partículas "rebotadas" para las cuales el ángulo de deflexión es cercano a χ ≈ π, de la relación inversa a (1):

(2) 

se deduce que el parámetro de impacto debe ser bastante menor que el radio atómico. De hecho, el parámetro de impacto necesario para obtener una fracción apreciable de partículas "rebotadas" sirvió para hacer una estimación del tamaño del núcleo atómico, que resulta ser unas cien mil veces más pequeño que el diámetro atómico. Este hecho resultó ser la capacidad uniformable sobre la carga positiva de los neutrones.

La Importancia del modelo y limitaciones

La importancia del modelo de Rutherford residió en proponer por primera vez la existencia de un núcleo central en el átomo (término que acuñó el propio Rutherford en 1912, un año después de que los resultados de Geiger y Mardsen fueran anunciados oficialmente[4]​). Lo que Rutherford consideró esencial, para explicar los resultados experimentales, fue «una concentración de carga» en el centro del átomo, ya que, sin ella, no podía explicarse que algunas partículas fueran rebotadas en dirección casi opuesta a la incidente. Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya que implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se concentraba toda la carga positiva y más del 99,9 % de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el átomo en su mayor parte estaba vacío.

Rutherford propuso que los electrones orbitarían en ese espacio vacío alrededor de un minúsculo núcleo atómico, situado en el centro del átomo. Además, se abrían varios problemas nuevos que llevarían al descubrimiento de nuevos hechos y teorías al tratar de explicarlos:

  • Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño, hecho que llevó posteriormente a la postulación y descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte, que es una de las cuatro interacciones fundamentales.
  • Por otro lado existía otra dificultad proveniente de la electrodinámica clásica que predice que una partícula cargada y acelerada, como sería el caso de los electrones orbitando alrededor del núcleo, produciría radiación electromagnética, perdiendo energía y finalmente cayendo sobre el núcleo. Las leyes de Newton, junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de  s, toda la energía del átomo se habría radiado, con la consiguiente caída de los electrones sobre el núcleo.[5]​ Se trata, por tanto de un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica.

Según Rutherford, las órbitas de los electrones no están muy bien definidas y forman una estructura compleja alrededor del núcleo, dándole un tamaño y forma algo indefinidas. Los resultados de su experimento le permitieron calcular que el radio atómico era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, y en consecuencia, que el interior de un átomo está prácticamente vacío.

Modelos posteriores

El modelo atómico de Rutherford fue sustituido muy pronto por el de modelo de Bohr. Bohr intentó explicar fenomenológicamente que solo algunas órbitas de los electrones son posibles. Lo cual daría cuenta de los espectros de emisión y absorción de los átomos en forma de bandas discretas.

El modelo de Bohr «resolvía» formalmente el problema, proveniente de la electrodinámica, postulando que sencillamente los electrones no radiaban, hecho que fue explicado por la mecánica cuántica según la cual la aceleración promedio del electrón deslocalizado es nula.

Predecesor:
Modelo atómico de Thomson
Modelo atómico de Rutherford
1911-1913
Sucesor:
Modelo atómico de Bohr

Véase también

Referencias

  1. Ron, José Manuel Sánchez (11 de noviembre de 1993). Espacio, tiempo y atómos. Relatividad y mecánica cuántica. Ediciones AKAL. ISBN 9788446001522. Consultado el 11 de diciembre de 2015. 
  2. Calahorro, Cristóbal Valenzuela (1 de enero de 1995). Química general. Introducción a la Química Teórica. Universidad de Salamanca. ISBN 9788474817836. Consultado el 11 de diciembre de 2015. 
  3. Landau & Lifshitz, pp. 63-65
  4. Gribbin, John (2003). «13». Historia de la Ciencia 1543-2001. RBA Coleccionables. p. 413. ISBN 978-84-473-6082-6. 
  5. Bransden, B. H. y C. J. Joachain (1992), Physics of Atoms and Molecules. Harlow-Essex-England, Longman Group Limited. 0-582-44401-2

Bibliografía

  •   Datos: Q275411
  •   Multimedia: Rutherford model / Q275411

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con protones negro en el centro y con electrones en rojo girando alrededor de este Indice 1 Historia 2 La Importancia del modelo y limitaciones 3 Modelos posteriores 4 Vease tambien 5 Referencias 6 BibliografiaHistoria EditarAntes de que Rutherford propusiera su modelo atomico los fisicos aceptaban que las cargas electricas en el atomo tenian una distribucion mas o menos uniforme Rutherford trato de ver como era la dispersion de las particulas alfa por parte de los atomos de una lamina de oro muy delgada Los angulos resultantes de la desviacion de las particulas supuestamente aportarian informacion sobre como era la distribucion de carga en los atomos Era de esperar que si las cargas estaban distribuidas uniformemente segun el modelo atomico de Thomson la mayoria de las particulas atravesarian la delgada lamina sufriendo solo ligeras deflexiones siguiendo una trayectoria aproximadamente recta Aunque esto era cierto para la mayoria de las particulas alfa un numero importante de estas sufrian deflexiones de cerca de 180º es decir practicamente salian rebotadas en direccion opuesta al incidente Rutherford penso que no era suficiente fraccion de particulas rebotadas en direccion opuesta podia ser explicada si se suponia la existencia de fuertes concentraciones de carga positiva en el atomo La mecanica newtoniana en conjuncion con la ley de Coulomb predice que el angulo de deflexion de una particula alfa relativamente liviana por parte de un atomo de oro mas pesado depende del parametro de impacto o distancia entre la trayectoria de la particula y el nucleo 3 1 x 2 p 2 cos 1 2 K E 0 b 1 2 K E 0 b 2 displaystyle chi 2 pi 2 cos 1 left frac 2K E 0 b sqrt 1 2K E 0 b 2 right Donde K q N 4 p e 0 displaystyle K q N 4 pi varepsilon 0 siendo e 0 displaystyle varepsilon 0 la constante dielectrica del vacio y q N displaystyle q N la carga electrica del centro dispersor E 0 displaystyle E 0 es la energia cinetica inicial de la particula alfa incidente b displaystyle b es el parametro de impacto Dado que Rutherford observo una fraccion apreciable de particulas rebotadas para las cuales el angulo de deflexion es cercano a x p de la relacion inversa a 1 2 b 2 K E 0 cot x 2 displaystyle b frac 2K E 0 cot frac chi 2 se deduce que el parametro de impacto debe ser bastante menor que el radio atomico De hecho el parametro de impacto necesario para obtener una fraccion apreciable de particulas rebotadas sirvio para hacer una estimacion del tamano del nucleo atomico que resulta ser unas cien mil veces mas pequeno que el diametro atomico Este hecho resulto ser la capacidad uniformable sobre la carga positiva de los neutrones La Importancia del modelo y limitaciones EditarLa importancia del modelo de Rutherford residio en proponer por primera vez la existencia de un nucleo central en el atomo termino que acuno el propio Rutherford en 1912 un ano despues de que los resultados de Geiger y Mardsen fueran anunciados oficialmente 4 Lo que Rutherford considero esencial para explicar los resultados experimentales fue una concentracion de carga en el centro del atomo ya que sin ella no podia explicarse que algunas particulas fueran rebotadas en direccion casi opuesta a la incidente Este fue un paso crucial en la comprension de la materia ya que implicaba la existencia de un nucleo atomico donde se concentraba toda la carga positiva y mas del 99 9 de la masa Las estimaciones del nucleo revelaban que el atomo en su mayor parte estaba vacio Rutherford propuso que los electrones orbitarian en ese espacio vacio alrededor de un minusculo nucleo atomico situado en el centro del atomo Ademas se abrian varios problemas nuevos que llevarian al descubrimiento de nuevos hechos y teorias al tratar de explicarlos Por un lado se planteo el problema de como un conjunto de cargas positivas podian mantenerse unidas en un volumen tan pequeno hecho que llevo posteriormente a la postulacion y descubrimiento de la fuerza nuclear fuerte que es una de las cuatro interacciones fundamentales Por otro lado existia otra dificultad proveniente de la electrodinamica clasica que predice que una particula cargada y acelerada como seria el caso de los electrones orbitando alrededor del nucleo produciria radiacion electromagnetica perdiendo energia y finalmente cayendo sobre el nucleo Las leyes de Newton junto con las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al atomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10 10 displaystyle 10 10 s toda la energia del atomo se habria radiado con la consiguiente caida de los electrones sobre el nucleo 5 Se trata por tanto de un modelo fisicamente inestable desde el punto de vista de la fisica clasica Segun Rutherford las orbitas de los electrones no estan muy bien definidas y forman una estructura compleja alrededor del nucleo dandole un tamano y forma algo indefinidas Los resultados de su experimento le permitieron calcular que el radio atomico era diez mil veces mayor que el nucleo mismo y en consecuencia que el interior de un atomo esta practicamente vacio Modelos posteriores EditarEl modelo atomico de Rutherford fue sustituido muy pronto por el de modelo de Bohr Bohr intento explicar fenomenologicamente que solo algunas orbitas de los electrones son posibles Lo cual daria cuenta de los espectros de emision y absorcion de los atomos en forma de bandas discretas El modelo de Bohr resolvia formalmente el problema proveniente de la electrodinamica postulando que sencillamente los electrones no radiaban hecho que fue explicado por la mecanica cuantica segun la cual la aceleracion promedio del electron deslocalizado es nula Predecesor Modelo atomico de Thomson Modelo atomico de Rutherford1911 1913 Sucesor Modelo atomico de BohrVease tambien Editar Portal Fisica Contenido relacionado con Fisica Modelo atomico de Thomson Modelo atomico de Bohr Modelo atomico de Sommerfeld Modelo atomico de Schrodinger Modelo atomico de John DaltonReferencias Editar Ron Jose Manuel Sanchez 11 de noviembre de 1993 Espacio tiempo y atomos Relatividad y mecanica cuantica Ediciones AKAL ISBN 9788446001522 Consultado el 11 de diciembre de 2015 Calahorro Cristobal Valenzuela 1 de enero de 1995 Quimica general Introduccion a la Quimica Teorica Universidad de Salamanca ISBN 9788474817836 Consultado el 11 de diciembre de 2015 Landau amp Lifshitz pp 63 65 Gribbin John 2003 13 Historia de la Ciencia 1543 2001 RBA Coleccionables p 413 ISBN 978 84 473 6082 6 Bransden B H y C J Joachain 1992 Physics of Atoms and Molecules Harlow Essex England Longman Group Limited 0 582 44401 2Bibliografia EditarLandau amp Lifshitz Mecanica Ed Reverte Barcelona 1991 ISBN 84 291 4081 6 Datos Q275411 Multimedia Rutherford model Q275411 Obtenido de https es wikipedia org w index php title Modelo atomico de Rutherford amp oldid 148593895, wikipedia, wiki, leyendo, leer, libro, biblioteca,

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