modelo de Rutherford

El modelo de Rutherford es el nombre que recibe el concepto de que un átomo contiene un núcleo compacto. Este concepto surgió después de que Ernest Rutherford dirigiera el experimento de Geiger-Marsden en 1909, el cual mostró un retroceso de partículas alfa mucho mayor del que podía explicar el modelo atómico de J.J. Thomson . El modelo de Thomson presentaba una carga positiva dispersa en el átomo. El análisis de Rutherford propuso una alta carga central concentrada en un volumen muy pequeño en comparación con el resto del átomo, y este volumen central contendría la mayor parte de la masa atómica . Esta región central se conocería más tarde como el núcleo atómico . Rutherford no abordó la organización de los electrones en el átomo ni propuso un modelo atómico. Niels Bohr se unió al laboratorio de Rutherford y desarrolló una teoría sobre el movimiento de los electrones que se conoció como el modelo de Bohr .

A lo largo del siglo XIX, se discutieron y publicaron ideas especulativas sobre los átomos. El modelo de J.J. Thomson fue el primero de estos modelos en basarse en partículas subatómicas detectadas experimentalmente. En el mismo artículo en el que Thomson anunció sus resultados sobre la naturaleza "corpuscular" de los rayos catódicos , un evento considerado el descubrimiento del electrón , comenzó a especular sobre modelos atómicos compuestos de electrones. Desarrolló su modelo, ahora llamado modelo del pudín de pasas , principalmente entre 1904 y 1906. Produjo un elaborado modelo mecánico de los electrones moviéndose en anillos concéntricos, pero la carga positiva necesaria para equilibrar los electrones negativos era una simple esfera de carga uniforme y composición desconocida. ^{[ 1 ] : 13} Entre 1904 y 1910, Thomson desarrolló fórmulas para la desviación de partículas beta rápidas de su modelo atómico para compararlas con el experimento. Un trabajo similar de Rutherford, utilizando partículas alfa, demostraría finalmente que el modelo de Thomson no podía ser correcto. ^{[ 2 ] : 269}

Entre los primeros modelos también se encontraban los modelos "planetarios" o similares al Sistema Solar. ^{[ 1 ] : 35} En un artículo de 1901, ^{[ 3 ]} Jean Baptiste Perrin utilizó el descubrimiento de Thomson en una propuesta de un modelo similar al Sistema Solar para los átomos, con "soles positivos" muy fuertemente cargados rodeados de "corpúsculos, una especie de pequeños planetas negativos", donde la palabra "corpúsculos" se refiere a lo que ahora llamamos electrones. Perrin discutió cómo esta hipótesis podría estar relacionada con fenómenos importantes entonces inexplicados como el efecto fotoeléctrico , los espectros de emisión y la radiactividad . ^{[ 4 ] : 145} Más tarde, Perrin atribuyó a Rutherford el descubrimiento del modelo nuclear. ^{[ 5 ]}

Un modelo algo similar, propuesto por Hantaro Nagaoka en 1904, utilizó los anillos de Saturno como análogo. ^{[ 1 ] : 37} Los anillos consistían en un gran número de partículas que se repelían entre sí, pero que eran atraídas por una gran carga central. Se calculó que esta carga era 10 000 veces mayor que la carga de las partículas del anillo para garantizar la estabilidad. George A. Schott demostró en 1904 que el modelo de Nagaoka no era compatible con los resultados de la espectroscopia atómica, y el modelo cayó en desuso. ^{[ 1 ] : 37}

El modelo nuclear del átomo de Rutherford surgió de una serie de experimentos con partículas alfa , una forma de radiación que Rutherford descubrió en 1899. Estos experimentos demostraron que las partículas alfa se dispersaban o rebotaban en los átomos de maneras distintas a las predichas por el modelo de Thomson. En 1908 y 1910, Hans Geiger y Ernest Marsden, en el laboratorio de Rutherford, demostraron que las partículas alfa podían reflejarse ocasionalmente en láminas de oro. Si Thomson tenía razón, el haz atravesaría la lámina de oro sin desviarse. La mayoría de las partículas del haz la atravesaron, pero algunas se desviaron. ^{[ 6 ]}

En un artículo de mayo de 1911, ^{[ 7 ]} Rutherford presentó su propio modelo físico para la estructura subatómica, como una interpretación de los resultados experimentales inesperados. ^{[ 2 ]} En él, el átomo está compuesto por una carga central (este es el núcleo atómico moderno , aunque Rutherford no usó el término "núcleo" en su artículo). Rutherford solo se comprometió con una pequeña región central de carga positiva o negativa muy alta en el átomo.

Para mayor concreción, consideremos el paso de una partícula α de alta velocidad a través de un átomo con una carga central positiva N e , y rodeado por una carga compensatoria de N electrones. ^{[ 7 ]} 

Utilizando únicamente consideraciones energéticas sobre la distancia que las partículas de velocidad conocida podrían penetrar hacia una carga central de 100  e, Rutherford pudo calcular que el radio de su carga central de oro tendría que ser menor (no se pudo precisar cuánto menor) que 3,4 × 10⁻¹⁴ ^metros . Esto se obtuvo en un átomo de oro cuyo radio se sabía que era de aproximadamente 10⁻¹⁰ ^metros , un hallazgo muy sorprendente, ya que implicaba una fuerte carga central menor que 1/3000 del diámetro del átomo.

El modelo de Rutherford concentró gran parte de la carga y la masa del átomo en un núcleo muy pequeño, pero no atribuyó ninguna estructura a los electrones ni a la masa atómica restante. Mencionó el modelo atómico de Hantaro Nagaoka , en el que los electrones se disponen en uno o más anillos, con la estructura metafórica específica de los anillos estables de Saturno. El modelo del pudín de pasas de J.J. Thomson también presentaba anillos de electrones en órbita.

El artículo de Rutherford sugería que la carga central de un átomo podría ser "proporcional" a su masa atómica en unidades de masa de hidrógeno (aproximadamente un dalton ) (aproximadamente la mitad, según el modelo de Rutherford). Para el oro, este número másico es 197 (en aquel entonces no se conocía con gran precisión) y, por lo tanto, Rutherford lo modeló como posiblemente 196  u. Sin embargo, Rutherford no intentó establecer una conexión directa entre la carga central y el número atómico , ya que el "número atómico" del oro (en aquel momento simplemente su posición en la tabla periódica ) era 79, y Rutherford había modelado la carga como aproximadamente +100 unidades (de hecho, había sugerido 98 unidades de carga positiva, para que fuera la mitad de 196). Por lo tanto, Rutherford no sugirió formalmente que los dos números (posición en la tabla periódica, 79, y carga nuclear, 98 o 100) pudieran ser exactamente iguales.

En 1913, Antonius van den Broek sugirió que la carga nuclear y el peso atómico no estaban relacionados, allanando el camino para la idea de que el número atómico y la carga nuclear eran lo mismo. Esta idea fue rápidamente adoptada por el equipo de Rutherford y confirmada experimentalmente en dos años por Henry Moseley . ^{[ 1 ] : 52}

Estos son los indicadores clave:

• La nube electrónica del átomo no influye (sustancialmente) en la dispersión de partículas alfa .
• Gran parte de la carga positiva de un átomo se concentra en un volumen relativamente pequeño en su centro, conocido hoy como núcleo . La magnitud de esta carga es proporcional a la masa atómica del átomo (hasta un valor que puede ser aproximadamente la mitad de esta); se sabe que la masa restante se atribuye principalmente a los neutrones . Esta masa y carga central concentrada es responsable de la desviación de las partículas alfa y beta .
• La masa de átomos pesados ​​como el oro se concentra principalmente en la región de carga central, ya que los cálculos muestran que no se desvía ni se mueve por las partículas alfa de alta velocidad, que tienen un momento muy elevado en comparación con los electrones, pero no con respecto a un átomo pesado en su conjunto.
• El átomo en sí tiene aproximadamente 100 000 (10⁵ ⁾ veces el diámetro del núcleo. ^{[ 8 ]} Esto podría compararse con colocar un grano de arena en el centro de un campo de fútbol . ^{[ 9 ]}

El nuevo modelo atómico de Rutherford no causó reacción al principio. ^{[ 10 ] : 28} Rutherford ignora explícitamente los electrones, mencionando solo el modelo saturniano de Hantaro Nagaoka . Al ignorar los electrones, Rutherford también ignora cualquier posible implicación de la espectroscopia atómica para la química. ^{[ 11 ] : 302} El propio Rutherford no insistió en la defensa de su modelo atómico en los años siguientes: su propio libro de 1913 sobre "Sustancias radiactivas y sus radiaciones" solo menciona el átomo dos veces; otros libros de otros autores de la época se centran en el modelo de Thomson. ^{[ 12 ] : 446}

El impacto del modelo nuclear de Rutherford se produjo después de que Niels Bohr llegara a Manchester como estudiante postdoctoral por invitación de Rutherford. Bohr abandonó su trabajo sobre el modelo de Thomson para centrarse en el modelo nuclear de Rutherford, desarrollando el modelo Rutherford-Bohr durante los años siguientes. Finalmente, Bohr incorporó las primeras ideas de la mecánica cuántica al modelo del átomo, lo que permitió predecir espectros electrónicos y conceptos de química. ^{[ 2 ] : 304}

Tras el descubrimiento de Rutherford, investigaciones posteriores perfeccionaron la comprensión del núcleo atómico. Los científicos descubrieron finalmente que los átomos tienen un núcleo con carga positiva (con un número atómico de cargas) en el centro, con un radio de aproximadamente 1,2 × 10⁻¹⁵ ^metros × [número de masa atómica] ^{¹ / ³} . Se descubrió que los electrones eran aún más pequeños.

• El modelo de Rutherford por Raymond College
• Modelo de Rutherford por la Universidad de Kyushu