Experimentos de la lámina de oro

Experimentos de la lámina de oro

Entre 1908 y 1913, un grupo de investigación liderado por Ernest Rutherford y compuesto por Hans Geiger y Ernest Marsden llevó a cabo una serie de experimentos cruciales en la comprensión de la estructura atómica. Estos experimentos, conocidos como los experimentos de Geiger-Marsden, pusieron a prueba el modelo atómico de Thomson, que conceptualizaba al átomo como una esfera con carga positiva en la que los electrones estaban incrustados como pasas en un pastel. La principal pregunta de estos experimentos era: ¿qué ocurriría si se dirigiera radiación alfa hacia una lámina metálica?

Fig. Exp. Lam. Oro 1. El modelo atómico de Thomson, conocido como el modelo "pudín de pasas", propuso que el átomo era una esfera de carga positiva con electrones incrustados en su interior. Este modelo fue clave para reconocer la relación masa-carga del electrón, ya que permitió deducir que los electrones tienen una carga negativa y una masa extremadamente pequeña, sentando las bases para estudios posteriores.

Según el modelo de Thomson, la desviación de las partículas alfa, que son partículas cargadas positivamente, debía ser mínima e insignificante debido a la débil carga positiva distribuida en el átomo. Sin embargo, los resultados experimentales fueron sorprendentes. Cuando las partículas alfa pasaban a través de la lámina metálica, se observaba un oscurecimiento directo en la placa de revelado ubicada al otro lado, lo que indicaba que las partículas se desviaban mucho más de lo esperado.

Este descubrimiento fue un golpe decisivo al modelo de Thomson, ya que las partículas alfa, en lugar de atravesar el átomo sin desviarse, experimentaban grandes desvíos, sugiriendo que el átomo no era homogéneo, como se pensaba, sino que contenía una región central densa y cargada positivamente. Así, el modelo atómico de Rutherford surgió como una explicación de estos resultados, postulando que el átomo consistía en un pequeño núcleo central, cargado positivamente, rodeado por electrones en órbitas.

Los experimentos de Geiger-Marsden no solo pusieron en evidencia la estructura del átomo, sino que también abrieron un nuevo camino en la física nuclear. La observación de que algunas partículas alfa se desviaban en ángulos grandes y otras incluso rebotaban completamente indicaba que el núcleo atómico era muy denso y compacto en comparación con el resto del átomo. Rutherford, con este hallazgo, comenzó a construir su modelo atómico, que fue clave para la posterior comprensión de la física nuclear.

Fig. Exp. Lam. Oro 2.  Ernest Rutherford fue un físico neozelandés conocido por su trabajo sobre la estructura del átomo. En 1911, a través de su experimento de dispersión de partículas alfa, descubrió que el átomo tiene un núcleo denso y cargado positivamente, cambiando la visión del modelo atómico. Su investigación sentó las bases para el modelo nuclear del átomo.

En la práctica, el experimento se realizó utilizando una fuente de radiación alfa que dirigía partículas hacia una lámina de metal, generalmente de oro, debido a que este metal podía ser refinado hasta obtener láminas extremadamente delgadas. Un contador colocado detrás de la lámina detectaba la dispersión de las partículas. A medida que el experimento se repetía y las condiciones se ajustaban, se reveló que la presencia de un núcleo cargado positivamente en el átomo era responsable de la dispersión de las partículas alfa.

El modelo de Rutherford revolucionó la concepción del átomo, pero las condiciones experimentales presentaron desafíos inesperados. En un principio, se esperaba que las partículas alfa no sufrieran interferencias al pasar a través del aire, que supuestamente estaba compuesto de átomos según el modelo de Thomson. Sin embargo, la dispersión observada en los experimentos mostró que los átomos no eran simples esferas de carga positiva, como se pensaba, sino que tenían una estructura mucho más compleja.

Fig. Exp. Lam. Oro 3.  El experimento de la lámina de oro, realizado por Rutherford en 1913, consistió en bombardear una lámina delgada de oro con partículas alfa. La mayoría pasaron sin desviarse, pero algunas se dispersaron, lo que reveló la existencia de un núcleo denso en el átomo. A diferencia del experimento de Rutherford-Villar, que usaba un campo electromagnético, este implicaba dispersión en tres dimensiones, por lo que la superficie de revelado debía ser esférica para captar todas las direcciones de dispersión de las partículas alfa.

A lo largo de las investigaciones, los resultados no fueron consistentes, lo que alimentó la curiosidad científica. Rutherford y sus colaboradores enfrentaron variabilidad en los datos, lo que condujo a una reevaluación de las condiciones experimentales y el diseño de nuevas iteraciones del experimento. Cada variación del experimento proporcionaba información valiosa sobre cómo las partículas alfa interactuaban con el material de la lámina de oro y, por ende, sobre la estructura interna del átomo.

El experimento culminó con el diseño del dispositivo de 1913, que ilustró cómo las partículas alfa se dispersaban al chocar con el núcleo del átomo. La representación de este experimento, que se ha convertido en una imagen icónica en la enseñanza de la física, marcó el establecimiento del modelo nuclear del átomo, en el que el núcleo central denso y cargado positivamente ocupa solo una pequeña fracción del volumen del átomo.

Este modelo fue un avance crucial en la historia de la ciencia, ya que proporcionó una base para los posteriores desarrollos en la física nuclear y la comprensión de la radioactividad. La estructura del átomo pasó de ser una entidad homogénea a ser reconocida como un sistema con un núcleo central y electrones en órbitas, una idea que transformó la forma en que los científicos comprendían la materia.

Los experimentos de Geiger-Marsden, que inicialmente tenían la intención de confirmar el modelo atómico de Thomson, desafiaron y replantearon profundamente la teoría existente. Los resultados de la dispersión de partículas alfa revelaron un átomo con un núcleo cargado positivamente, lo que dio paso al modelo atómico de Rutherford. Este hallazgo no solo transformó la física atómica, sino que también contribuyó al nacimiento de la física nuclear moderna, dejando un legado que sigue presente en las teorías científicas actuales.

Rutherford describió los resultados del experimento de dispersión de partículas alfa como si dispararas una bala de .45 Magnum contra un trapo de seda muy delgado, y la bala rebotara. Aunque era estadísticamente raro, sucedía. Esto implicaba dos cosas: primero, que lo que causaba el rebote era extremadamente denso, lo que evitaba el movimiento y hacía que las partículas alfa rebotaran; y segundo, dado que las partículas alfa son positivas, el objeto que las repelía también debía ser positivo. Este comportamiento solo se podía explicar si la carga positiva del átomo no estaba dispersa por todo el átomo, sino concentrada en un pequeño núcleo central, con los electrones orbitando a su alrededor. Este modelo de átomo de Rutherford fue una base para el modelo atómico moderno, que se popularizó y se transformó en una representación cultural icónica, apareciendo en películas, series de TV y otros medios.

Fig. Exp. Lam. Oro 4.  El símbolo de la Comisión de Energía Atómica de los EE.UU. refleja el modelo atómico de Rutherford, con un núcleo central representado como una partícula densa, rodeado por electrones. Este diseño simboliza la concepción de que el átomo estaba compuesto principalmente de carga positiva en el núcleo, mientras los electrones orbitaban alrededor, sin alterar la estructura interna del átomo.