En 1911, el científico neozelandés Ernest Rutherford, ganador del premio Nobel de Química en 1908 por sus estudios sobre sustancias radioactivas, revolucionó la ciencia al plantear un nuevo modelo atómico. Sus contribuciones fueron varias y notorias.
Inicialmente, sus estudios con los rayos x en gases, apoyaron los argumentos de JJ Thomson en el descubrimiento del electrón. Otro de sus aportes se derivó de sus estudios sobre la radioactividad del Uranio y otros elementos, que le permitieron detectar tres tipos de radiación: los rayos alfa (α), los rayos beta (β) y los rayos gamma (γ). A partir de entonces, con la ayuda de sus asistentes, en la universidad de Manchester, realizó los experimentos que lo condujeron a formular los postulados de su modelo atómico. Por sus descubrimientos y contribuciones, Rutherford está considerado como el padre de la física nuclear.
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Modelo atómico de Rutherford
Para facilitar la comprensión del Modelo atómico de Rutherford, conviene revisar algunos de sus descubrimientos sobre el fenómeno de la radiactividad. Rutherford y el químico Frederick Soddy, en 1902, determinaron que los materiales radiactivos, al emitir la radiación, se transforman en otros materiales. Estos pueden ser de otro elemento o del mismo. Concluyeron también que el átomo ya no podía considerarse indivisible.
El experimento de la “hoja de oro” de Rutherford, llevado a cabo junto a sus ayudantes Geiger y Marsden en 1909, lo hicieron concluir que el Modelo atómico de Thomson estaba equivocado. Joseph John Thomson concebía el átomo como una esfera con carga positiva distribuida en el volumen del mismo. Era un modelo macizo y estático, que podía visualizarse como una especie de “pudín con pasas”. Aquí, las partículas con carga negativa llamadas “electrones” se encontraban dispersas en esta esfera, de acuerdo a algún orden.
El experimento que dio origen al Modelo atómico de Rutherford
Este científico utilizaba una fuente radiactiva (de polonio), para emitir la radiación alfa y bombardear una lámina delgada de metal (oro, de 100nm de espesor). Las partículas alfa inciden en una placa fotográfica luego de atravesar la placa de metal. Al pasar la placa de metal, las partículas alfa se comportaban así: la mayoría la traspasaban sin cambiar de dirección (como si pasaran por un agujero) y unas pocas partículas rebotaban en direcciones distintas. Inclusive, algunas partículas eran devueltas en dirección opuesta a la incidencia. Estos detalles pudo observarlos gracias a que el grado de desviación queda registrado en la placa fotográfica al chocar las partículas contra ella. Rutherford se dio cuenta de que si sólo algunas partículas alfa se desviaban, entonces el átomo debía tener un denso núcleo con carga positiva, y por tanto, es capaz de rechazar las partículas alfa que también poseen carga positiva.
Características
- En el Modelo atómico de Rutherford, las partículas que constituían el átomo eran: los electrones con carga negativa y los protones con carga positiva.
- Sus conclusiones lo llevaron a introducir por primera vez el concepto de núcleo del átomo. Es decir, que el átomo, tal como él lo veía, era una especie de esfera casi vacía y su tamaño es mucho más grande que el núcleo. Rutherford observó que muy pocas partículas alfa se desviaron, como si rebotaran. Por eso dedujo que el volumen ocupado por las partículas positivas del átomo es mínimo, en relación al volumen total.
- Pensó que los protones se concentraban en el núcleo mientras los electrones se mueven en órbitas alrededor de éste, sostenidas por la atracción eléctrica de cargas opuestas.
- Rutherford concluyó que la masa del átomo estaba concentrada prácticamente en el núcleo. Su modelo se considera dinámico y hueco.
Pero su teoría del núcleo con la sola presencia de protones, no pudo explicar muchos fenómenos, pues supuso que era muy inestable, dada la carga tan condensada que suponía. Ya para 1920 planteó la posibilidad de que existiera una partícula nuclear neutra, imprescindible para que el núcleo atómico tenga estabilidad. Y así, una década después fue descubierta una nueva partícula tal como lo predijo, a la que se le colocó el nombre de “neutrón”.
Postulados
- El átomo posee un núcleo central cargado positivamente, que concentra casi toda la masa del mismo (99,9%). El átomo en su mayor parte está vacío, lo que explica por qué la mayor cantidad de partículas alfa atravesaron la lámina de oro sin desviarse.
- Los protones de carga positiva, se concentran en el núcleo, mientras los electrones de carga negativa giran alrededor del mismo en órbitas circulares, tal como lo hacen los planetas alrededor del Sol. Este postulado explica por qué las partículas alfa (de carga positiva) al acercarse al núcleo se desviaban, pues, las cargas iguales se repelen.
- El átomo es eléctricamente neutro. La cantidad de electrones es igual y de carga eléctrica opuesta a la cantidad de protones del núcleo. Por lo tanto, la suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones, es igual a la suma de las cargas positivas del núcleo.
- Los electrones giran sobre el núcleo compensando la atracción electrostática, producida por la diferencia de cargas con respecto al núcleo.
- Propuso, que el núcleo debía estar compuesto por otras partículas de carga neutra que expliquen su enorme masa, que no se corresponde solo con el número de protones que posee.
Aportes
El Modelo atómico de Rutherford originó nuevos retos para la comunidad científica de la época. Predijo el descubrimiento de nuevas partículas subatómicas cuya existencia fue demostrada posteriormente. Los científicos han podido determinar el número de protones (o número atómico) de cada elemento químico conocido hasta ahora.
Aunque los descubrimientos científicos que lo sucedieron, hicieron que surgieran nuevos modelos que explicaran la conformación y comportamiento del átomo, el modelo tipo Sistema Solar Rutherford-Bohr es el que ha calado profundamente en la cultura popular. Sigue considerándose como una manera sencilla de explicar cómo funciona el átomo en todo cuanto conocemos.
Limitaciones
Tal como Rutherford concibió el núcleo del átomo en un principio, contradecía algunas leyes de la física clásica, pues no explicaba su estabilidad. Según la teoría de Maxwell, los electrones al girar, son acelerados y deberían emitir radiación electromagnética, mientras pierden energía. En consecuencia, deberían caer sobre el núcleo en tiempo breve.
El Modelo de Rutherford no explica cómo los electrones tienen órbitas estables alrededor del núcleo y por qué los átomos poseen espectros de emisión discretos, que le son propios.