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El experimento de Rutherford

El experimento de Rutherford

Los experimentos de Rutherford

Los experimentos de Rutherford fueron una serie de experimentos históricos mediante los cuales los científicos descubrieron que cada átomo tiene un núcleo donde tiene las cargas positivas y la mayor parte de su masa se concentran. Ellos dedujeron esto midiendo cómo un haz de partículas alfa se dispersa cuando golpea una delgada hoja metálica. Los experimentos se realizaron entre 1908 y 1913 por Hans Geiger y Ernest Marsden bajo la dirección de Ernest Rutherford en los laboratorios de la Universidad de Manchester.

Ernest Rutherford fue profesor de física en la Universidad de Mánchester. Ya había recibido numerosos honores por sus estudios de radiación. Había descubierto la existencia de rayos alfa; rayos beta y rayos gamma, y había demostrado que estos eran la consecuencia de la desintegración de los átomos. En 1906, recibió la visita de un físico alemán llamado Hans Geiger, y quedó tan impresionado que le pidió a Geiger que se quedara y le ayudara en sus investigaciones. Ernest Marsden era un estudiante de licenciatura en física que estudiaba bajo Geiger.

Las partículas alfa son pequeñas partículas positivamente cargadas que son emitidas espontáneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio. El propio Rutherford los había descubierto en 1899. En 1908 estaba tratando de medir con precisión su relación de carga-masa. Para hacer esto, primero necesitaba saber cuántas partículas alfa su muestra de radio estaba emitiendo (después de lo cual mediría su carga total y dividiría una por la otra). Las partículas alfa son demasiado pequeñas para ser vistas incluso con un microscopio, pero Rutherford sabía que las partículas alfa ionizan las moléculas de aire, y si el aire está dentro de un campo eléctrico, los iones producirán una corriente eléctrica. En este principio, Rutherford y Geiger diseñaron un dispositivo de conteo simple que consistió en dos electrodos en un tubo de cristal. Cada partícula alfa que pasaba por el tubo creaba un pulso electricidad que podía ser contado. Era una versión temprana del contador Geiger.3​

Los experimentos que diseñaron involucraron bombardear una lámina metálica con partículas alfa para observar cómo la lámina los dispersó en relación con su espesor y material. Utilizaron una pantalla fluorescente para medir las trayectorias de las partículas. Cada impacto de una partícula alfa en la pantalla produjo un pequeño destello de luz. Geiger trabajó en un laboratorio oscurecido durante horas y horas, contando estos pequeños centellos con un microscopio. Rutherford carecía de la resistencia para este trabajo, por lo que se lo dejó a sus colegas más jóvenes.4​ Para la lámina metálica, probaron una variedad de metales, pero preferían el oro porque podían hacer que la lámina fuera muy fina, ya que el oro es muy maleable.5​ Como fuente de partículas alfa, la sustancia de elección de Rutherford era el radio, una sustancia varios millones de veces más radiactiva que el uranio.

El experimento de 1908

Este aparato fue descrito en un artículo de 1908 por Hans Geiger. Solo podía medir deflexiones de unos pocos grados.
Un artículo de 1908 por Geiger, «Sobre la Dispersión de Partículas por Materia», describe el siguiente experimento. Geiger construyó un largo tubo de vidrio de casi dos metros de longitud. En un extremo del tubo había una cantidad de «emanación de radio» (R) que servía como fuente de partículas alfa. El extremo opuesto del tubo se cubrió con una pantalla fosforescente (Z). En el centro del tubo había una hendidura de 0,9 mm de ancho. Las partículas alfa de R pasaron a través de la hendidura y crearon un parche brillante de luz en la pantalla. Se utilizó un microscopio (M) para contar los centelleos en la pantalla y medir su propagación. Geiger bombeó todo el aire del tubo para que las partículas alfa estuvieran desobstruidas y dejaron una imagen limpia y apretada en la pantalla que correspondía a la forma de la hendidura. Geiger entonces dejó un poco de aire en el tubo, y el parche brillante se hizo más difuso. Geiger luego bombeó el aire y colocó una hoja de oro sobre la ranura en AA. Esto también hizo que el parche de luz en la pantalla se extendiera más. Este experimento demostró que tanto el aire como la materia sólida podrían dispersar notablemente las partículas alfa. El aparato, sin embargo, solo podía observar pequeños ángulos de deflexión. Rutherford quería saber si las partículas alfa estaban siendo esparcidas por ángulos aún mayores-quizás más de 90°.

El experimento de 1909

En estos experimentos, las partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva (A) se observaron rebotando de un reflector de metal (R) y sobre una pantalla fluorescente (S) en el otro lado de una placa de plomo (P).

En un artículo de 1909, «En una Reflexión Difusa de las Partículas Alfa»,6​ Geiger y Marsden describieron el experimento mediante el cual demostraron que las partículas alfa pueden ser dispersadas por más de 90°. En su experimento prepararon un pequeño tubo de vidrio cónico (AB) que contenía radio, y su apertura fue sellada con mica. Esto fue su emisor de partículas alfa. Ellos montaron una placa de plomo (P), detrás de la cual se colocó una pantalla fluorescente (S). Ellos posicionaron el tubo de radio en el otro lado de la placa. de tal manera que las partículas alfa que emitió no pudieron golpear directamente la pantalla. Ellos notaron unos cuanto centelleos en la pantalla. Se debía a que algunas partículas alfa evitaron la placa de plomo rebotando en las moléculas de aire. Luego colocaron una lámina de metal (R) en el lado de la placa de plomo. Se dieron cuenta de más centelleos en la pantalla porque las partículas alfa estaban rebotando en la lámina. Contando los centelleos, notaron que los metales con mayor masa atómica, como el oro, reflejaban más partículas alfa que las más ligeras como el aluminio.

Geiger y Marsden entonces querían estimar el número total de partículas alfa que se estaban reflejando. La configuración anterior no era adecuada para ello porque el tubo contenía varias sustancias radiactivas (radio y sus productos de desintegración) y, por lo tanto, las partículas alfa emitidas tenían rangos variables y porque era difícil para ellos determinar a qué velocidad emitía el tubo partículas alfa. Esta vez, colocaron una pequeña cantidad de radio C (bismuto-214) sobre una placa de plomo, que rebotó sobre un reflector de platino (R) y sobre la pantalla. Ellos encontraron que solo una pequeña fracción de las partículas alfa que golpeó el reflector rebotó en la pantalla (1 en 8000).6​

El experimento de 1910

Este aparato se describió en el documento de 1910 de Geiger. Fue diseñado para medir con precisión cómo la dispersión varió según la sustancia y el espesor de la lámina.

Un artículo de 1910 de Geiger, «La dispersión de las α-partículas por materia», describe un experimento mediante el cual intentó medir cómo el ángulo más probable a través del cual se desvía una partícula alfa varía con el material por el que pasa, el espesor de dicho material, y la velocidad de las partículas alfa. Geiger construyó un tubo de vidrio hermético del que se bombeaba el aire. En un extremo había un bulbo (B) que contenía «emanción de radio» (radón-222). Por medio de mercurio, el radón en B fue bombeado por el estrecho del tubo hacia una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente (S). El microscopio que utilizó para contar los centelleos en la pantalla fue fijado a una escala de milímetro vertical con un vernier, lo que permitió a Geiger para medir con precisión donde los destellos de luz apareció en la pantalla y así calcular los ángulos de las partículas de deflexión. Las partículas alfa emitidas desde A se estrecharon a una viga por un pequeño orificio circular en D. Geiger colocó una lámina de metal en la trayectoria de los rayos en D y E para observar cómo cambió la zona de destellos. También podría variar la velocidad de las partículas alfa colocando hojas extra de mic o aluminio en A.

A partir de las meidiciones que tomó, Geiger llegó a las siguientes conclusiones:

  • El ángulo de deflexión más probable aumenta con el espesor del material
  • El ángulo de deflexión más probable es proporcional a la masa atómica de la sustancia
  • El ángulo de deflexión más probable disminuye con la velocidad de las partículas alfa
  • La porbabilidad que una partícula se desvíe por más de 90° es muy pequeña
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El experimento de Rutherford
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