El modelo atómico de Rutherford

20 abril 2017

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Continuamos con la revisión de la obra de Ernest Rutherford como paso previo a las explicaciones de carácter cuántico que aportó Niels Bohr sobre el interior del átomo. Los trabajos sobre la radiactividad de este científico y especialmente las investigaciones de su equipo en la Universidad de Manchester sobre la difusión, o desviación, de las radiaciones alfa lanzadas sobre diversos materiales, llevaron a la evidencia de que el átomo se componía de un núcleo central y de unas partículas girando alrededor del mismo, ambas cargadas de electricidad.

Adolfo Castilla

Las investigaciones de Rutherford sobre radiactividad

Ernest Rutherford (1871-1937) en sus primeros años de investigación en los Laboratorios Cavendish de Cambridge fue capaz, junto con J. J. Thomson (1856-1940), de descubrir que los rayos X  tenían la capacidad de ionizar el aire, es decir, de producir partículas cargadas, tanto positivamente como negativamente. Él mismo inventó un procedimiento para medir la velocidad de los iones y su tasa de unión para formar átomos neutros.

En 1898 aceptó una cátedra en la Universidad McGill de Montreal y allí continuó con su labor investigadora hasta 1907. Se dedicó intensamente a la radiactividad y pronto descubrió que el uranio emitía unas radiaciones extrañas que más adelante identificaría como rayos alfa y rayos beta. Descubrió asimismo los rayos gamma, los cuales constituían un tipo de radiación muy energética.

Trabajó además sobre el torio y sus radiaciones, demostrando que la radiactividad producía una desintegración de la materia. Esto último fue un descubrimiento radical que costó mucho ser aceptado por los científicos de la época dada la idea dominante  de indestructibilidad de la materia.

Sugirió que la energía de sol se debía a fenómenos radiactivos y lo mismo imaginó que ocurría en el núcleo magmático de nuestro planeta. Se adelantó así a los que nos años más tarde formuló magistralmente Albert Einstein en cuanto a relacionar materia y energía.

Se le otorgó el Premio Nobel de Química de 1908, premio del que estuvo orgulloso pero del que sentía que no hubiera sido en física, materia que él consideraba constituía el área de su verdadera profesión.

La tercera etapa de investigación de Rutherford

Es curioso un reconocimiento tan temprano de su obra, cuando sólo contaba 37 años, y cuando, además,  todavía le quedaba por hacer una de las mayores aportaciones a la ciencia de todo los tiempos que Rutherford realizó en 1911. Fue la descripción de interior del átomo, o formulación del modelo del átomo que seguimos utilizando en nuestros días.

Fue en su tercera gran etapa de investigación, en la Universidad de Manchester y desde  1907 a 1919, en la que desde su propio terreno de actividad, la radiactividad, tuvo la gran intuición de imaginar cómo era el interior del átomo.

Rutherford se consideró siempre un investigador apegado a los hechos y a las demostraciones y, alejado por tanto, de la física teórica. Su incursión al interior del átomo se apoyó en procesos y fenómenos. Su maestro y compañero de investigaciones en Cambridge, J. J. Thomson, el descubridor del electrón, había imaginado que los electrones debían estar en el átomo como las pasas en un pudín. Estudió dichas partículas al investigar sobre los rayos catódicos, concluyendo que tales rayos estaban formados por “corpúsculos” que salían del interior de los átomos, introduciendo así la idea de que dichos componentes de la materia, los átomos, eran divisibles. Imaginó que tales corpúsculos con carga eléctrica negativa existían en un mar de cargas eléctricas positivas.

La difusión de los rayos alfa

Rutherford partió de estas ideas y puede que conociera también el modelo planetario del átomo sugerido en 1904 por el físico japonés Hantarō Nagaoka (1865 – 1950), pero su idea del átomo procedía más bien de los trabajos previos de sus colaboradores en Manchester, Hans Geiger (1882-1945) y Ernest Marsden (1889-1970), además de científicos de otras instituciones que trabajaban sobre la difusión de los rayos alfa y beta.

Fueron estos dos investigadores los que bajo la dirección de Rutherford realizaron experimentos en los que las radiaciones alfa eran lanzadas sobre diversos minerales como el plomo, la plata, la mica y el oro. La difusión que mostraban era de más de 90º, o, incluso, rebotaban hasta volver a lugares cercanos al punto de emisión. Se pasó a creer debido a ello, en la existencia de un núcleo central en el átomo alrededor del que giraban otras partículas que pronto fueron identificadas como electrones.

El día 7 de marzo de 1911, casi dos años después de los experimentos de Geiger y Marsden, Ernest Rutherford presentó en la Manchester Literary and Philosophical Society las ideas básicas del nuevo modelo del átomo. Un modelo en el que existía un núcleo de unos 10-8 cm de radio alrededor del que giraban unos corpúsculos cargados de electricidad de unos  10-12 cm de radio.

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