jueves, 15 de diciembre de 2011

6 EL MODELO ATÓMICO DE RUTHERFORD

Del modelo atómico de Rutherford de 1911 podemos decir muchas cosas, y la principal es que generalmente lo tratamos como una inmensa mezcla de cosas que no estaban en el modelo original de Rutherford. Por ejemplo, el átomo de Rutherford es generalmente dibujado con neutrones y protones, aun cuando estos fueron formulados con posterioridad a dicho modelo. De hecho la mezcla de ambos en el núcleo confundía al grupo de investigación de Janet, los protones no eran descritos como tal, sino como cargas positivas. 

En cualquier caso trataremos de exponer paso a paso los componentes del modelo original de Rutherford como del modelo para el núcleo que ha sido asociado a este. Una tendencia que se hace más fuerte en el modelo de Rutherford es la fuerte preeminencia de la física, sus métodos de investigación y de racionalización sobre el átomo, de hecho a pesar de que Rutherford ganó el premio Nobel de química, este lo despreció en el sentido de que se consideraba físico. De este incidente queda la frase:

"La única Ciencia es la Física, lo demás es filatelia"

Aparentemente existen muchas versiones de la misma cita (Birks, 1963). En cualquier caso, para la fecha en que Rutherford propuso su modelo, la existencia del átomo finalmente había sido aceptada por la mayoría de la comunidad científica.


6.1 Descubrimiento de los rayos X

Aunque generalmente abandonamos el tubo de Crookes cuando dejamos de lado el modelo atómico de Thomson hay que tener claro que sus propiedades serán vitales tanto para el modelo atómico de Rutherford como para el modelo atómico mecánico-cuántico. En el modelo de Rutherford tenemos el pináculo de una serie de investigaciones que comienza justo donde las del modelo de Thomson terminaron, es decir el tubo de descarga de Crookes.

En 1895 Wilhelm Conrad Röntgen “imagen anterior” (1845-1923) físico alemán y profesor de la universidad de Wüzburg al operar tubos de Crookes igual que sus contemporáneos como Lenard o Goldstein encontró un detalle interesante. Röntgen era un aficionado a la fotografía, por lo que en una ocación había almacenado placas fotográficas en su cajón envueltas en papel negro para evitar que fueran veladas. Después de operar un tubo de Crookes a un voltaje superior a los 5000 voltios se encontró con que sus amadas placas se habían velado (Röntgen, 1896).


Posteriormente corroboró esto tapando el tubo de Crookes con una bolsa de papel negro y exponiendo una placa de revelado con pintura fluorescente, el brillo indicaba que la luminiscencia del cristal podía  atravesar diversos materiales incluso a distancias de más de dos metros detrás de una puerta de madera (Glasser, 1995). Poco después se dio cuenta que diferentes materiales podían absorber loa radiación emitida por el tubo de Crookes haciendo que las placas de revelado generaran patrones. En consecuencia se puso a realizar imágenes de todo, incluso de la mano de su esposa (Jakubek, 2007; Young, 1961).


Röntgen publicó sus resultados en diciembre del mismo año (Röntgen, 1896), dando el nombre de rayos X “desconocidos o incógnitos”, descubrimiento que le valdría recibir el primer premio Nobel de física en 1901.


6.2 El descubrimiento de la radioactividad

La clave para el descubrimiento de la radioactividad era emplear las placas de revelado fotográfico reportadas por Röntgen. El mismo año en que Röntgen publicó sus resultados se dieron las consecuencias. Para la época publicar resultados eran enviarlos a los colegas especializados, uno de ellos fue el matemático y astrónomo francés Jules Henri Poincaré (1854-1912). Poincaré compartió la información con Antoine Henri Becquerel (1852-1908) “imagen de la izquierda” (Bocanegra, 1996).

Becquerel pronto comenzó a emplear placas de revelado para estudiar las propiedades de fluorescencia de diversos materiales. En 1986 Becquerel guardó unas rocas de sales de uranio sobre una placa de revelado debido a que el Sol no salía para sus experimentos, en ese momento él pensaba que las sales emitían fluorescencia debido al efecto del Sol “ambas ideas estaban equivocadas, pero igual nadie sabía la respuesta correcta”. Cuando el tiempo mejoró y sacó sus sales con la placa de revelado, se dio cuenta que se habían velado sin la acción del sol (Baumgaertner, 1986).


En otras palabras, las sales de uranio generaban una radiación comparable a la de los rayos X de un tubo de Crookes, pero sin necesidad de ningún estímulo. No pasó mucho tiempo para identificar que el oscurecimiento de las placas de revelado no tenía nada que ver con la fluorescencia y se asemejaba a los rayos X en su poder de penetración, el proyecto de investigación sobre el peculiar fenómeno cayó en los esposos Curie (Badash, 2005).

Casi 13 años después Rutherford realizó un experimento conocido actualmente como “La dispersión de Rutherford” para determinar la naturaleza de la radiación (Gonzalez-Magana et al., n.d.), el experimento es semejante al realizado por Hertz en los tubos de Crookes. Un rayo de radiación pasa a través de un campo eléctrico que dispersa los componentes por cargas. Los resultados fueron más complejos de lo esperado ya que en lugar de un solo giro como en los rayos catódicos, la radiación se dividía en tres componentes, las partículas alfa, beta y la radiación electromagnética Gamma. Dos de estas radiaciones giraban en sentido opuesto, mientras que la otra continuaba sin ser afectada por el campo eléctrico.

6.3 La dispersión de Rutherford-Villard

Dos fueron los grupos de investigación para lograr la dispersión de la radiación radioactiva de Becquerel, el primero era el de Ernest Rutherford y el segundo el de Paul Villard. Como se mencionó, la separación se haría por el método de Hertz mediante la administración de un campo eléctrico lo bastante poderoso como para desviar la radioactividad (Ernest Rutherford, 1899)

El primero de los componentes denominado alfa era desviado hacia el polo negativo mostrando que poseía una carga positiva. Adicionalmente poseían el menor poder de penetración de todas las radiaciones separadas. Rutherford tomando en cuenta las discusiones sobre la posible existencia del electrón como partícula comenzó a trabajar en una relación carga masa para la partícula alfa, demostrando que se acercaba a la de iones de helio con doble carga positiva (Ernest Rutherford, 1899)

Para lograrlo, Rutheford capturó la radiación alfa en un frasco de vidrio y luego como si se tratara de un tubo de Crookes suministró electricidad. Los electrones de la descarga recargaron los iones de helio recobrado este su naturaleza de gas neutro. En esencia se trataba de una trasmutación a través de un rayo desde elementos pesados para formar helio –al más puro sueño alquimista. La transmutación de partículas alfa en gas de helio mediante una corriente eléctrica es el principio teórico que permite la existencia de los contadores Geiger y fue lograda por Rutheford y Hans Geiger en 1908 (Oliphant, Harteck, & Rutherford, 1934)

El Segundo tipo de radiación aislada tenía las mismas propiedades de un rayo catódico, por lo tanto debía estar formada por los mismos componentes, es decir, electrones. El último componente se completaba como radiación electromagnética, similar a los rayos X pero con muchísima mayor energía y fueron denominados rayos gamma. La dispersión Rutherford-Villard sería de monumental importancia para fabricar los instrumentos que disparasen únicamente partículas alfa, uno de los componentes básicos del experimento de la lámina de oro, con el cual sería reformulado el modelo del sistema solar para el átomo.

6.4 El experimento de la lámina de oro

En realidad se trata de una serie de experimentos realizados entre 1908 y 1913 por el grupo de investigación de Rutheford, también son denominados como los experimentos de Geiger-Marsden (Geiger & Marsden, 1909, 1913; Geiger, 1908, 1910; E Rutherford, 2012)  realizados por Hans Wilhelm Geiger (1882-1945) “izquierda” y Ernest Marsden (1889-1970) “derecha”.

En resumen el experimento se puede resumir con la pregunta ¿y si le disparamos radiación alfa a una lámina metálica? Generalmente se nos dice que el experimento fue planteado para poner a prueba el modelo atómico de Thomson. Aplicando las leyes del electromagnetismo se podía calcular que la desviación generada por un átomo modelado como un pastel con pasas en el cual la masa era una carga tenue positiva debía ser posible pero insignificante. En la práctica, si se colocaba una placa de revelado al fondo de la lámina metálica debida oscurecerse en dirección recta.

Sin embargo la realidad es un poco más compleja. Todo comienza con el proceso que Geiger propone para  transmutar las partículas alfa en helio. Cuando comenzaron a trabajar con el contador, se esperaba que no existieran interferencias –sumiendo que el aire estaba compuesto por átomos de Thomson que no desviarían las partículas alfa –y en consecuencia deberían obtenerse medidas estables, repetitivas y proporcionales a la cantidad de radiación empleada por el emisor.

El problema es que el contador de Rutherford-Geiger daba resultados erráticos, e irrepetibles, ergo, algo estaba causando interferencias con las partículas alfa, ¿Qué era? El modelo de Thomson no daba respuesta y en consecuencia debía investigarse. La primera versión del experimento (Geiger, 1908) empelaba un montaje semejante a un tubo de Crookes, en una punta el emisor de partículas alfa y en el otro extremo una pantalla de revelado que brillaba cuando era impactada por las partículas alfa. 

El brillo era observado por medio de un microscopio en el extremo de la pantalla de revelado. Tres versiones con este montaje fueron realizadas (1) sin aire y sin placa de oro “control negativo”, (2) con aire y sin placa de oro, (3) sin aire y con placa de oro. (1) No dispersaba las señales del revelado, mientras que (2 y 3) dispersaban las señales interfiriendo con la trayectoria de las partículas alfa.

Los primeros aparatos para la lámina de oro eran tubos. La fuente de radiación (R) estaba en un extremo, y la placa de revelado (Z) al otro, y detrás de ella un microscopio (M). Las láminas de varios materiales (S) podían intercambiarse o retirarse al igual que el aire interno.

Los siguientes experimentos buscaron determinar los ángulos más probables de dispersión, ver si la interferencia superaba los 90° y determinar que materiales eran más convenientes para la placa metálica, sin embargo todos se trataban de aparatos semejantes a un tubo (Geiger & Marsden, 1909; Geiger, 1910).

Rutherford planteó un modelo atómico basado en los resultados de los tres experimentos previos en el cual asumía “sin poder demostrarlo aun” que el átomo debía tener un punto central con una enorme densidad y una carga positiva muy fuerte, la cual explicaría la dispersión de las partículas alfa (Rutherford, 2012). El tamaño de este núcleo era ínfimo con respecto al átomo –comparable con una pelota de tenis con respecto a un estadio –pues la cantidad de partículas alfa desviadas era de 1 entre 8000.

Su teoría –expresada como una relación matemática –fue puesta a prueba en el último experimento de la lámina de oro. Se eligió el oro ya que podía crearse una lámina tan delgada que era casi transparente, aunque el montaje planteaba el uso de varias láminas de diferente grosor. En este caso la placa de revelado se encontraba rodeando a la lámina de oro de forma radial, casi completando los 360 grados para poder en este caso determinar si la lámina de oro era capaz de repeler la ocasional partícula alfa de forma completa. Este último montaje es el que es representado en la mayoría de los libros de texto que mencionan el experimento de la lámina de oro (Geiger & Marsden, 1913). El aparato de 1913 es el que ha sido trasladado a los libros de texto.

6.5 Resultados del experimento de la lámina de oro

Finalmente aunque escasas, si pudieron detectarse partículas alfa que rebotaban casi de frente con la lámina de oro, ¿Cómo era esto posible? Era como disparar una bala de calibre 50 a una delgada lámina de seda y que la bala rebotara por la densidad de algo muy pequeño contra la persona que disparó. Debido a que el modelo de Thomson no mostraba explicación alguna para esta aparente paradoja, este debía ser modificado.

Puesta a punto, a la izquierda el experimento final de la lámina de oro de acuerdo a lo esperado bajo el modelo atómico de Thomson (arriba), a la derecha los resultados obtenidos "que ya eran esperado en base a los experimentos previos de 1908 y 1910" que obligaban a cambiar hacia el modelo planetario.

6.6 El modelo atómico planetario de Rutherford

Evidentemente el experimento de Rutherford y su ecuación se trasladaban a un modelo del átomo que había estado rondando en la comunidad científica desde 1901 y nuevamente en 1904 con los trabajos de Perrin y Nagaoka (Nagaoka, 1904; Perrin, 1901). Se trataba del modelo del sistema solar para el átomo, donde el núcleo se encontraba en el centro del átomo, el tamaño calculado por Rutherford para el núcleo del oro era de 10E-14 metros, mientras que el tamaño para el átomo de oro era de 10E-10 metros.

El modelo original de Rutherford trata el núcleo como un sistema sin estructura interna, en su ecuación es tratado literalmente como un punto en el espacio. Al rededor del núcleo se ubican los electrones en orbitas sucesivas como si se tratara de planetas. Mientras que los planetas están atados al Sol por la fuerza de la gravedad, en el modelo de Rutherford los electrones están atados al núcleo por la fuerza de la electricidad.

Pero al tratarse de un viejo modelo, el problema que Perrin había enfrentado se convirtió en la sombra en el costado del modelo planetario y es el colapso del átomo. Sin embargo a parte de este problema, aun existían aspectos que harían de este primer modelo de Rutherford incompleto, y se trataba del modelo para el núcleo del átomo.

6.7 Consecuencias del modelo atómico de Rutherford

Siendo que el modelo de Rutherford es concomitante con la demostración de la existencia del átomo por parte de Jean Perrin (Perrin, 1911), el átomo de Rutherford ha sido catapultado al nivel de icono popular. Cualquiera que imagine un átomo visualiza un modelo atómico de Rutherford. De hecho el logo de la Comisión de Energía Atómica de Estados Unidos y el logo de la Agencia Internacional de Energía Atómica contienen un modelo atómico de Rutherford en su versión original, en donde el núcleo es una partícula sin estructura interna.

En términos de la investigación, el primer modelo de Rutherford se convertiría en la base de dos programas de investigación separados. El primero es el que el propio Rutherford seguiría y es el de encontrar un modelo para el núcleo atómico, y el segundo que sería asumido por Bohr y sus sucesores es el de encontrar una explicación para los electrones orbitando.

Mientras que la primera daría una explicación para la tabla periódica, la segunda daría explicación para la fórmula de Ridley y el espectro del átomo de hidrógeno. Por lo anterior separaremos el modelo del núcleo del átomo de esta descripción del modelo de Rutherford, este planteamiento se apoya en el sentido cronológico, el modelo del núcleo comenzó a hacerse claro en 1919 con el reporte del protón, mientras que el modelo de Bohr fue planteado ya en 1913, por lo que el modelo de Rutherford a pesar de su impacto mediático solo fue vigente por 2 años aproximadamente.


No hay comentarios:

Publicar un comentario