Modelo de Rutherford

El modelo de Rutherford fue ideado por el físico nacido en Nueva Zelanda Ernest Rutherford para describir un átomo. Rutherford dirigió el experimento Geiger-Marsden en 1909, que sugirió, según el análisis de Rutherford de 1911, que el modelo del átomo de pudín de ciruelas de JJ Thomson era incorrecto. El nuevo modelo de Rutherford para el átomo, basado en los resultados experimentales, contenía nuevas características de una carga central relativamente alta concentrada en un volumen muy pequeño en comparación con el resto del átomo y con este volumen central que también contenía la mayor parte de la masa atómica de el átomo Esta región sería conocida como el "núcleo" del átomo.

Base experimental para el modelo.

Rutherford anuló el modelo de Thomson en 1911 con su conocido experimento de lámina de oro en el que demostró que el átomo tiene un núcleo diminuto y pesado. Rutherford diseñó un experimento para utilizar las partículas alfa emitidas por un elemento radiactivo como sondas para el mundo invisible de la estructura atómica. Si Thomson estaba en lo cierto, el rayo atravesaría directamente la lámina de oro. La mayoría de los rayos atravesaron la lámina, pero algunos fueron desviados.

Rutherford presentó su propio modelo físico para la estructura subatómica, como una interpretación de los inesperados resultados experimentales. En él, el átomo está formado por una carga central (este es el núcleo atómico moderno, aunque Rutherford no usó el término "núcleo" en su artículo) rodeado por una nube de (presumiblemente) electrones en órbita. En este artículo de mayo de 1911, Rutherford solo se comprometió con una pequeña región central de carga positiva o negativa muy alta en el átomo.

Para concretar, considere el paso de una partícula α de alta velocidad a través de un átomo que tiene una carga central positiva N e y está rodeada por una carga compensatoria de N electrones.

A partir de consideraciones puramente energéticas de hasta dónde podrían penetrar las partículas de velocidad conocida 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 puede decir cuánto menos).) que 3,4 × 10 metros. Esto fue en un átomo de oro que se sabe que tiene un radio de 10 metros, un hallazgo muy sorprendente, ya que implica una fuerte carga central de menos de 1/3000 del diámetro del átomo.

El modelo de Rutherford sirvió para concentrar gran parte de la carga y la masa del átomo en un núcleo muy pequeño, pero no atribuyó ninguna estructura a los electrones restantes ni a la masa atómica restante. Sí mencionó el modelo atómico de Hantaro Nagaoka, en el que los electrones están dispuestos en uno o más anillos, con la estructura metafórica específica de los anillos estables de Saturno. El modelo de budín de ciruelas de JJ Thomson también tenía anillos de electrones en órbita. Jean Baptiste Perrin afirmó en su conferencia Nobel que él fue el primero en sugerir el modelo en su artículo de 1901. Pero en realidad, el físico Joseph Larmor creó el primer modelo del sistema solar del átomo en 1897.

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

Un mes después de que apareciera el artículo de Rutherford, Antonius van den Broek hizo la propuesta sobre la identidad exacta del número atómico y la carga nuclear, y luego Henry Moseley la confirmó experimentalmente en dos años.

Estos son los indicadores clave:

• La nube de electrones del átomo no influye en la dispersión de partículas alfa.
• Gran parte de la carga positiva de un átomo se concentra en un volumen relativamente pequeño en el centro del átomo, conocido hoy como núcleo. La magnitud de esta carga es proporcional a (hasta un número de carga que puede ser aproximadamente la mitad) de la masa atómica del átomo; ahora se sabe que la masa restante se atribuye principalmente a los neutrones. Esta carga y masa central concentrada es responsable de desviar las partículas alfa y beta.
• La masa de los 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 alto en comparación con los electrones, pero no con respecto a un átomo pesado. átomo como un todo.
• El átomo en sí tiene unas 100.000 (10) veces el diámetro del núcleo. Esto podría estar relacionado con poner un grano de arena en medio de un campo de fútbol.

Contribución a la ciencia moderna.

Después del descubrimiento de Rutherford, los científicos comenzaron a darse cuenta de que, en última instancia, el átomo no es una sola partícula, sino que está formado por partículas subatómicas mucho más pequeñas. Investigaciones posteriores determinaron la estructura atómica exacta que condujo al experimento de la lámina de oro de Rutherford. Los científicos finalmente descubrieron que los átomos tienen un núcleo cargado positivamente (con un número atómico exacto de cargas) en el centro, con un radio de aproximadamente 1,2 × 10 metros × [número de masa atómica]. Se descubrió que los electrones eran aún más pequeños.

Más tarde, los científicos encontraron el número esperado de electrones (igual que el número atómico) en un átomo usando rayos X. Cuando un rayo X atraviesa un átomo, una parte se dispersa, mientras que el resto atraviesa el átomo. Dado que los rayos X pierden su intensidad principalmente debido a la dispersión de los electrones, al observar la tasa de disminución de la intensidad de los rayos X, se puede estimar con precisión el número de electrones contenidos en un átomo.

Simbolismo

El modelo de Rutherford se remitió a la idea de muchos electrones en anillos, según Nagaoka. Sin embargo, una vez que Niels Bohr modificó esta vista en una imagen de unos pocos electrones similares a planetas para átomos ligeros, el modelo de Rutherford-Bohr captó la imaginación del público. Desde entonces, se ha utilizado continuamente como símbolo de átomos e incluso de energía "atómica" (aunque esto se considera más propiamente energía nuclear). Los ejemplos de su uso durante el siglo pasado incluyen, entre otros:

• El logotipo de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, que fue en parte responsable de su uso posterior en relación con la tecnología de fisión nuclear en particular.
• La bandera de la Agencia Internacional de Energía Atómica es un átomo de Rutherford, encerrado en ramas de olivo.
• El logotipo de los isótopos de Albuquerque de béisbol de las ligas menores de EE. UU. es un átomo de Rutherford, con las órbitas de los electrones formando una A.
• Un símbolo similar, el torbellino atómico, fue elegido como símbolo de los ateos estadounidenses y ha llegado a ser utilizado como símbolo del ateísmo en general.
• El punto de código de símbolos varios de Unicode U+269B (⚛) utiliza un átomo de Rutherford.
• El programa de televisión The Big Bang Theory utiliza un átomo de Rutherford como logotipo.
• La biblioteca de JavaScript React (biblioteca de JavaScript) utiliza el átomo de Rutherford como logotipo.
• En los mapas, generalmente se usa para indicar una instalación de energía nuclear.