MODEL ATÒMIC DE RUTHERFORD: HISTÒRIA, EXPERIMENTS, POSTULATS - FÍSICA - 2025

El model atòmic de Rutherford és la descripció de l'àtom creada pel físic britànic Ernest Rutherford (1871-1937) quan el 1911 va descobrir el nucli atòmic, gràcies als famosos experiments de dispersió que porten el seu nom.

La idea d'l'àtom ("indivisible" en grec) com el component més petit de la matèria, va ser una creació intel·lectual nascuda a l'Antiga Grècia, al voltant de l'any 300 aC Com tants altres conceptes grecs, el concepte de l'àtom és desenvolupat basant-se la lògica i l'argumentació, més no a l'experimentació.

Model atòmic de Rutherford

Els filòsofs atomistes més notables van ser Demòcrit d'Abdera (460-360 AC), Epicur de Samos (341-270 AC) i Tito Lucreci (98-54 AC). Els grecs van concebre quatre tipus diferents d'àtoms que es corresponien amb els quatre elements que segons ells conformaven la matèria: aire, aigua, terra i foc.

Posteriorment Aristòtil afegiria un cinquè element: l'èter que formava a les estrelles, ja que els altres quatre elements eren purament terrestres.

Les conquestes d'Alexandre el Gran, de qui Aristòtil va ser mestre, van expandir les creences d'aquest pel món antic, des d'Espanya fins a l'Índia i així, durant segles, la idea d'l'àtom va anar creant un lloc propi en el món de la ciència.

L'àtom deixa de ser indivisible

Les idees dels filòsofs grecs sobre l'estructura de la matèria es van mantenir com certes durant centenars d'anys, fins que un químic i mestre d'escola anglès anomenat John Dalton (1776-1844) va publicar els resultats dels seus experiments en 1808.

Dalton concordava en què els elements estan formats per partícules extremadament petites, anomenades àtoms. Però va anar més lluny a l'afirmar que tots els àtoms d'un mateix element són iguals, tenen la mateixa mida, la mateixa massa i les mateixes propietats químiques, que els fa romandre inalterables durant una reacció química.

Aquest és el primer model atòmic amb fonament científic. A l'igual que els grecs, Dalton seguia considerant a l'àtom com a indivisible, per tant, sense estructura. No obstant això, la genialitat de Dalton el va portar a observar un dels grans principis de conservació de la Física:

• En les reaccions químiques, els àtoms ni es creen ni es destrueixen, només canvien la seva distribució.

I va establir la forma en què els compostos químics es formaven mitjançant els «àtoms de compost» (molècules):

• Quan dos o més àtoms de diferents elements es combinen per formar un mateix compost, ho fan sempre en proporcions de massa definides i constants.

El segle XIX va ser el gran segle de l'electricitat i el magnetisme. Uns pocs anys després de les publicacions de Dalton, els resultats d'alguns experiments van sembrar dubtes entre els científics sobre la indivisibilitat de l'àtom.

Tub de Crookes

El tub de Crookes va ser un dispositiu dissenyat pel químic i meteoròleg britànic William Crookes (1832-1919). L'experiment que Crookes va dur a terme el 1875, consistia a col·locar, dins d'un tub ple de gas a baixa pressió, dos elèctrodes, un denominat càtode i un altre denominat ànode.

A l'establir una diferència de potencial entre els dos elèctrodes, el gas resplendia amb un color que era característic de el gas utilitzat. Aquest fet feia pensar que existia una certa organització particular dins de l'àtom i que per tant, aquest no era indivisible.

A més aquesta radiació produïa una feble fluorescència a la paret de l'tub de vidre davant de l'càtode, retallant l'ombra d'una marca en forma de creu situada a l'interior de l'tub.

Es tractava d'una misteriosa radiació coneguda com "rajos catòdics", que viatjava en línia recta fins al ànode i que era altament energètica, capaç de produir efectes mecànics, i que es desviava cap a una placa carregada positivament o també mitjançant imants.

El descobriment de l'electró

La radiació a l'interior de l'tub de Crookes no podia tractar-se d'ones, ja que portava càrrega negativa. Joseph John Thomson (1856 - 1940) va donar amb la resposta en 1887 quan va trobar la relació entre la càrrega i la massa d'aquesta radiació, i va trobar que sempre era la mateixa: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Sense importar el gas tancat en el tub o d'el material emprat en fabricar el càtode.

Thomson va cridar a aquestes partícules corpuscles. A l'mesurar la seva massa en relació amb la seva càrrega elèctrica va concloure que cada corpuscle era moltíssim més petit que un àtom. Per tant, va suggerir que havien de formar part d'aquests, descobrint així a l'electró.

El científic britànic va ser el primer a esbossar un model gràfic de l'àtom, mitjançant el dibuix d'una esfera amb uns punts inserits, a què per la seva forma se li va donar l'apel·latiu de "budín de pruna". Però aquest descobriment va portar altres interrogants:

• Si la matèria és neutra, i l'electró té càrrega negativa: ¿en què part de l'àtom es troba la càrrega positiva que neutralitza als electrons?
• Si la massa de l'electró és inferior a la de l'àtom, llavors en què consisteix la resta de l'àtom?
• Per què les partícules així obtingudes sempre eren electrons i mai d'altre tipus?

Experiments de dispersió de Rutherford: el nucli atòmic i el protó

Cap a 1898 Rutherford havia identificat dos tipus de radiació provinents de l'urani, a les quals va denominar alfa i beta.

La radioactivitat natural ja havia estat descoberta per Marie Curie el 1896. Les partícules alfa tenen càrrega positiva i són simplement nuclis d'heli, però en aquest llavors el concepte de nucli no es coneixia encara. Rutherford estava per descobrir-ho.

Un dels experiments que Rutherford va realitzar el 1911 a la Universitat de Manchester, amb l'assistència de Hans Geiger, consistia en bombardejar una fina làmina d'or amb partícules alfa, la càrrega és positiva. Al voltant de la làmina d'or va col·locar una pantalla fluorescent que els permetia visualitzar els efectes de l'bombardeig.

Observacions

Estudiant els impactes sobre la pantalla fluorescent, Rutherford i els seus assistents van observar que:

1. Un elevadíssim percentatge de les partícules alfa travessaven la làmina sense desviació perceptible.
2. Algunes es desviaven en angles bastant pronunciats
3. I poquíssimes rebotaven completament cap enrere

Experiments de dispersió de Rutherford. Font:.

Les observacions 2 i 3 van sorprendre els investigadors i els va conduir a suposar que el responsable que els raigs es dispersessin havia de tenir càrrega positiva i que en virtut de l'observació número 1, aquest responsable tenia una mida molt menor que el de les partícules alfa.

El mateix Rutherford va dir a l'qüestió que era "… com si dispararàs un projectil naval de 15 polzades contra un full de paper i el projectil rebotés cap enrere i et copegés a tu". Això definitivament no podia ser explicat pel model de Thompson.

Analitzant els resultats des del punt de vista clàssic, Rutherford havia descobert l'existència d'el nucli atòmic, on es concentrava la càrrega positiva de l'àtom que li brindava a aquest la seva neutralitat.

Rutherford va prosseguir amb els seus experiments de dispersió. Cap a 1918 la nova diana de les partícules alfa van ser els àtoms de nitrogen gasós.

D'aquesta manera va detectar nuclis d'hidrogen i va saber immediatament que l'únic lloc de el qual podien provenir aquests nuclis era de l'nitrogen mateix. Com era possible que els nuclis d'hidrogen formessin part de l'nitrogen?

Rutherford va suggerir llavors que el nucli d'hidrogen, element a què ja se li havia assignat el nombre atòmic 1, havia de ser una partícula fonamental. La va cridar protó, vocable grec per designar primer. Així, els descobriments de el nucli atòmic i de el protó són deguts a aquest brillant neozelandès.

Postulats de el model atòmic de Rutherford

El nou model era molt diferent a el de Thompson. Aquests van ser els seus postulats:

• L'àtom conté un nucli carregat positivament, que malgrat ser molt petit, conté gairebé tota la massa de l'àtom.
• Els electrons orbiten el nucli atòmic a gran distància i en òrbites circulars o el·líptiques.
• La càrrega neta de l'àtom és nul·la, ja que les càrregues dels electrons compensa la càrrega positiva present en el nucli.

Els càlculs de Rutherford van apuntar a un nucli de forma esfèrica i un radi tan petit com 10 ^-15 m, sent el valor de el radi atòmic unes 100.000 vegades més gran, ja que els nuclis estan comparativament molt distanciats entre si: de l'ordre de 10 ^-10 m.

El jove Ernest Rutherford. Font: Unknown, published in 1939 in Rutherford: being the life and letters of the Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Això explica per què la majoria de les partícules alfa travessaven la làmina sense inconvenient o tot just experimentaven una deflexión molt petita.

Vist a escala d'objectes quotidians, l'àtom de Rutherford estaria compost d'un nucli de la mida d'una pilota de beisbol, mentre que el radi atòmic seria d'uns 8 km. Per tant l'àtom pot considerar-se gairebé tot com a espai buit.

Gràcies a la seva semblança amb un sistema solar en miniatura, se li va conèixer com a "model planetari de l'àtom". La força d'atracció electrostàtica entre nucli i electrons, seria anàloga a l'atracció gravitatòria entre el sol i els planetes.

limitacions

No obstant això hi havia certes discordances respecte a alguns fets observats:

• Si s'accepta la idea que l'electró orbita al voltant de l'nucli, passa que l'electró hauria d'emetre contínuament radiació fins a xocar amb el nucli, amb la consegüent destrucció de l'àtom en bastant menys d'un segon. Això, afortunadament no és el que passa en realitat.
• A més, en certes ocasions l'àtom emet determinades freqüències de radiació electromagnètica quan hi ha transicions entre un estat de major energia a un amb menor energia, i només aquestes freqüències, no altres. Com explicar el fet que l'energia estigui quantitzada?

Malgrat aquestes limitacions ja que avui en dia hi ha models molt més sofisticats i d'acord amb els fets observats, el model atòmic de Rutherford encara és útil perquè l'estudiant tingui un primer acostament reeixit de l'àtom i les seves partícules constituents.

En aquest model de l'àtom no apareix el neutró, un altre constituent de l'nucli, que no va ser descobert sinó fins a 1932.

Poc temps després que Rutherford proposés el seu model planetari, el 1913 el físic danès Niels Bohr el modificaria per explicar per què l'àtom no es destrueix i encara seguim aquí per explicar aquesta història.

Articles d'interès

Model atòmic de Schrödinger.

Model atòmic de Broglie.

Model atòmic de Chadwick.

Model atòmic de Heisenberg.

Model atòmic de Perrin.

Model atòmic de Thomson.

Model atòmic de Dirac Jordan.

Model atòmic de Demòcrit.

Model atòmic de Bohr.

Model atòmic de Dalton.

referències

1. Rex, A. 2011. Fonaments de Física. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Apunts de classe per a la càtedra de Radiobiología i protecció radiològica. Escola de Salut Pública de la Universitat Central de Veneçuela.