- Descripció i conclusions de l'experiment
- conclusions
- Influències en el model de l'àtom
- Inconvenients en el model de Rutherford
- El protó i el neutró
- Com és un model a escala de l'àtom d'hidrogen?
- El model atòmic en l'actualitat
- referències
El experiment de Rutherford, dut a terme entre 1908 i 1913, va consistir en bombardejar una prima làmina d'or de 0.0004 mm de gruix, amb partícules alfa i analitzar el patró de dispersió que aquestes partícules deixaven sobre una pantalla fluorescent.
En realitat, Rutherford va realitzar nombrosos experiments, refinant els detalls cada vegada més. Després d'analitzar acuradament els resultats, dues conclusions importantíssimes es van posar de manifest:
-La càrrega positiva de l'àtom està concentrada en una regió anomenada nucli.
-Aquest nucli atòmic és increïblement petit en comparació amb la mida de l'àtom.
Figura 1. L'experiment de Rutherford. Font: Wikimedia Commons. Kurzon
Ernest Rutherford (1871-1937) era un físic nascut a Nova Zelanda, el camp d'interès eren la radioactivitat i la naturalesa de la matèria. La radioactivitat era un fenomen recent quan Rutherford va començar els seus experiments, havia estat descoberta per Henri Becquerel en 1896.
El 1907 Rutherford es va traslladar a la Universitat de Manchester a Anglaterra per estudiar l'estructura de l'àtom, utilitzant aquestes partícules alfa com sondes per escodrinyar l'interior de tan diminuta estructura. L'acompanyaven en la tasca dels físics Hans Geiger i Ernest Marsden.
Ells albergaven l'esperança de poder veure com una partícula alfa, que és un àtom d'heli doblement ionitzat, interactuava amb un àtom d'or únic, per assegurar-se que qualsevol desviació que aquella experimentés es degués només a la força elèctrica.
No obstant això, la major part de les partícules alfa travessava la làmina d'or patint tot just una petita desviació.
Aquest fet estava en total acord amb el model atòmic de Thomson, però, per sorpresa dels investigadors, un petit percentatge de les partícules alfa experimentava una desviació força notable.
I un percentatge encara més petit de partícules es tornava, rebotant completament cap enrere. A què es devien aquests resultats inesperats?
Descripció i conclusions de l'experiment
De fet, les partícules alfa que Rutherford va utilitzar a manera de sonda, són nuclis d'heli, i en aquest llavors només se sabia que aquestes partícules tenien càrrega positiva. Avui dia es coneix que les partícules alfa es componen de dos protons i dos neutrons.
Les partícules alfa i les partícules beta havien estat identificades per Rutherford com dos diferents classes de radiació provinents de l'urani. Les partícules alfa, molt més massives que l'electró, tenen càrrega elèctrica positiva, mentre que les partícules beta poden ser electrons o positrons.
Figura 2. Esquema detallat de l'experiment de Rutherford, Geiger i Marsden. Font: R. Knight. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
A la figura 2 es mostra un esquema simplificat de l'experiment. El feix de partícules alfa prové d'una font radioactiva. Geiger i Marsden van utilitzar el gas radó com a emissor.
Els blocs de plom es van utilitzar per dirigir la radiació cap a la làmina d'or i evitar que anessin a parar directament a la pantalla fluorescent. El plom és un material que absorbeix la radiació.
Seguidament el feix així dirigit, es feia incidir sobre una prima làmina d'or i la major part de les partícules segueix el seu camí cap a la pantalla fluorescent de sulfat de zinc, on deixaven una petita empremta lluminosa. Geiger es va encarregar d'explicar-les una per una, encara que després van dissenyar un dispositiu que ho feia.
El fet que algunes partícules experimentaran una petita deflexió no va sorprendre Rutherford, Geiger i Marsden. Després de tot, en l'àtom hi ha càrregues positives i negatives que exerceixen forces sobre les partícules alfa, però com l'àtom és neutre, cosa que ells ja sabien, les desviacions havien de ser petites.
La sorpresa de l'experiment és que unes poques partícules positives eren rebotades gairebé directament cap enrere.
conclusions
Al voltant d'1 en 8000 partícules alfa experimentaven deflexió en angles majors a 90º. Poques, però suficients per qüestionar algunes coses.
El model atòmic en voga era el de púding de panses de Thomson, antic professor de Rutherford en el Laboratori Cavendish, però aquest es va preguntar si la idea d'un àtom sense nucli i amb els electrons incrustats com panses, era correcta.
Perquè resulta que aquestes grans deflexions de les partícules alfa i el fet que algunes poques siguin capaços de retornar, només es pot explicar si un àtom té un nucli petit, pesat i positiu. Rutherford va suposar que només les forces d'atracció i repulsió elèctriques, tal com ho indica la llei de Coulomb, eren les responsables de qualsevol desviació.
Quan algunes de les partícules alfa s'acosten directament cap a aquest nucli i ja que la força elèctrica varia amb el quadrat invers de la distància, aquelles senten repulsió que els causa la dispersió de gran angle o la desviació cap enrere.
Per assegurar, Geiger i Marsden van experimentar bombardejant làmines de diferents metalls, no solament or, tot i que aquest metall era el més apropiat per la seva mal·leabilitat, per crear làmines finíssimes.
A l'obtenir resultats similars, Rutherford es va convèncer que la càrrega positiva en l'àtom havia de trobar-localitzada en el nucli, i no dispersa en tot el seu volum, com postulava Thomson en el seu model.
D'altra banda, com la gran majoria de les partícules alfa passava sense desviar-se, el nucli havia de ser molt, però molt petit en comparació a la mida atòmic. No obstant això, aquest nucli havia de concentrar la major part de la massa de l'àtom.
Influències en el model de l'àtom
Els resultats van sorprendre moltíssim a Rutherford, que va declarar en una conferència a Cambridge: "… és com quan dispares una bala de canó de 15 polzades contra un full de paper de seda i el projectil rebota directament cap a tu i et colpeja".
Com aquests resultats no podien ser explicats pel model atòmic de Thomson, Rutherford va proposar que l'àtom estava constituït per un nucli, molt petit, molt massiu i carregat positivament. Els electrons romanien descrivint òrbites al seu voltant, cosa sistema solar en miniatura.
Figura 3. A l'esquerra el model atòmic de Rutherford ia la dreta el model tipus budín de panses de Thomson. Font: Wikimedia Commons. Imatge esquerra: Jcymc90
D'això es tracta el model nuclear de l'àtom mostrat a la figura 3 a l'esquerra. Com els electrons són molt, molt petits també, resulta ser que l'àtom està gairebé tot…. Buit! Per això, la majoria de les partícules alfa travessa la làmina sense desviar-tot just.
I l'analogia amb un sistema solar en miniatura és molt encertada. El nucli atòmic ocupa el paper de el Sol, contenint gairebé tota la massa més la càrrega positiva. Els electrons orbiten al seu voltant com els planetes i porten la càrrega negativa. El conjunt és elèctricament neutre.
Sobre la distribució dels electrons en l'àtom, l'experiment de Rutherford no mostrava res. Podria pensar-se que les partícules alfa tindrien alguna interacció amb ells, però la massa dels electrons és massa petita i no van ser capaços de desviar significativament a les partícules.
Inconvenients en el model de Rutherford
Un problema amb aquest model atòmic era precisament el comportament dels electrons.
Si aquests no estaven estàtics, sinó orbitant a l'nucli atòmic en òrbites circulars o el·líptiques, dirigides per l'atracció elèctrica, acabarien per precipitar cap al nucli.
Això es deu al fet que els electrons accelerats van perdent energia, i si això passa, seria el col·lapse de l'àtom i de la matèria.
Afortunadament això no és el que passa. Hi ha una mena d'estabilitat dinàmica que evita el col·lapse. El següent model atòmic, després del de Rutherford, va ser el de Bohr, que va donar algunes respostes a per què el col·lapse atòmic no es produeix.
El protó i el neutró
Rutherford va continuar fent experiments de dispersió. Entre 1917 i 1918, ell i el seu ajudant William Kay van escollir bombardejar àtoms de nitrogen gasós amb les partícules alfa molt energètiques, provinents de l'bismut-214.
Es va sorprendre de nou, a l'detectar nuclis d'hidrogen. Aquesta és l'equació de la reacció, la primera transmutació nuclear artificial mai aconseguida:
La resposta era: d'ell mateix nitrogen. Rutherford havia assignat a l'hidrogen el nombre atòmic 1, per ser l'element més senzill de tots: un nucli positiu i un electró negatiu.
Rutherford havia trobat una partícula fonamental a la qual va denominar protó, un nom derivat de la paraula grega per primer. D'aquesta manera, el protó és un constituent essencial de tot nucli atòmic.
Més endavant, cap a 1920, Rutherford va proposar que havia d'existir una partícula neutra i amb una massa molt semblant a la de l'protó. A aquesta partícula ell la va cridar neutró i forma part de gairebé tots els àtoms coneguts. El físic James Chadwick la va identificar finalment en 1932.
Com és un model a escala de l'àtom d'hidrogen?
L'àtom d'hidrogen és, com hem dit, el més senzill de tots. No obstant això, no va ser senzill elaborar un model per a aquest àtom.
Successius descobriments van donar lloc a la Física Quàntica ja tota una teoria que descriu els fenòmens a escala atòmica. Durant aquest procés, el model atòmic també va ser evolucionant. Però vegem una mica la qüestió de les mides:
L'àtom d'hidrogen té un nucli compost per un protó (positiu) i posseeix un únic electró (negatiu).
El radi de l'àtom d'hidrogen s'ha estimat en 2.1 x 10 -10 m, mentre que el de l'protó és de 0.85 x 10 -15 mo 0.85 femtómetros. El nom d'aquesta petita unitat es deu a Enrico Fermi i s'usa molt quan es treballa a aquesta escala.
Doncs bé, el quocient entre el radi de l'àtom i el de el nucli és de l'ordre de 10 5 m, és a dir, ¡l'àtom és 100000 vegades més gran que el nucli !.
No obstant això, cal tenir en compte que en el model contemporani, basat en la mecànica quàntica, l'electró envolta el nucli en una mena de núvol anomenada orbital (un orbital no és una òrbita) i l'electró, a escala atòmica, no és puntual.
Si l'àtom d'hidrogen s'ampliés -imaginariamente- fins a la mida d'un camp de futbol, llavors el nucli compost d'un protó positiu seria de la mida d'una formiga en el centre de camp, mentre l'electró negatiu seria com una mena de fantasma, escampat per tot el camp i envoltant a l'nucli positiu.
El model atòmic en l'actualitat
Aquest model atòmic «tipus planetari» està molt arrelat i és la imatge que la majoria de les persones tenen de l'àtom, ja que és molt fàcil de visualitzar. No obstant això, no és el model acceptat avui dia en l'àmbit científic.
Els models atòmics contemporanis estan basats en la mecànica quàntica. Ella assenyala que l'electró en l'àtom no és un puntet amb càrrega negativa que segueix òrbites precises, com les que imaginava Rutherford.
A canvi, l'electró està escampat en zones, al voltant de l'nucli positiu, anomenades orbitals atòmics. D'ell podem conèixer la probabilitat de trobar-se en un estat o en un altre.
Malgrat això, el model de Rutherford va significar un enorme avanç en el coneixement de l'estructura interior de l'àtom. I va aplanar el camí perquè més investigadors continuïn perfeccionant.
referències
- Andriessen, M. 2001. HSC Course. Physics 2. Jacaranda HSC Science.
- Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
- Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
- Physics OpenLab. The Rutherford-Geiger-Marsden Experiment. Recobrat de: physicsopenlab.org.
- Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson.
- Tyson, T. 2013. The Rutherford Scattering Experiment. Recobrat de: 122.physics.ucdavis.edu.
- Xaktly. Rutherford 's Experiments. Recuperat de: xaktly.com.
- Wikipedia. Experiment de Rutherford. Recobrat de: es.wikipedia.org.