Modelo atómico de Rutherford

Experimento que demuestra que el átomo consta de un núcleo positivo rodeado de electrones. El experimento de la dispersión de las partículas alfa realizado por Geiger y Marsden, es tal vez el experimento aislado de mayor influencia en el desarrollo de la teoría atómica. Geiger y Marsden bombardearon una lamina metálica de oro delgada (1000 A) con un haz de partículas alfa emitidas por una fuente radiactiva. Las partículas que salían del blanco se observaron gracias a los centelleos que producían sobre una pantalla de sulfuro de zinc. La sustancia radiactiva estaba empotrada en una caja de plomo a la que se le había practicado un orificio, esto evitaba la dispersión de las partículas alfa y evitaba radiación para el observador; la lamina metálica era de oro porque este metal se puede laminar tan delgadamente como la técnica lo permite, los colimadores que se hallaban en la trayectoria de los rayos alfa tenían la finalidad de enfocarlos hacia la lamina.
Los resultados observados por Geiger y Marsden fueron los siguientes:
1.- La mayoría de las partículas alfa atraviesan la lamina de oro sin desviarse.
2.- Otras cuantas se desvían en ángulos menores de 90o
3.- Mas o menos una de cada 20,000 son desviadas en ángulos superiores de 90o e incluso de 180o.
Se podría pensar que estas desviaciones se deben al choque de las partículas a con varios átomos; la Ley de distribución de Maxwell cuando se aplica no esta de acuerdo con los resultados experimentales.
Rutherford sabía que las partículas alfa eran núcleos de Helio doblemente ionizados, sus velocidades que habían sido medidas por el método de la desviación magnética eran muy altas, por lo que su energía cinética era muy grande. Rutherford comprendía que para producir una desviación tan grande de una partícula tan energética, el átomo debería ser el asiento de una enorme fuerza eléctrica que a su vez tuviera una masa considerable (positiva) para no ser arrastrada por la partícula alfa. Finalmente, el hecho de que solo una de cada 20,000 partículas alfa experimentarán grandes desviaciones sugería que la gran fuerza eléctrica estaba confinada en regiones del espacio muy pequeñas las cuales eran alcanzadas por partículas alfa.
Así, este experimento nos induce a pensar que el átomo consta de un núcleo muy pequeño donde reside toda la carga positiva y prácticamente toda la masa del átomo y a su alrededor giran los electrones.
Este experimento nos da la oportunidad de poder determinar el radio nuclear de la siguiente manera: Cuando una partícula alfa es desviada 180° , ella ha sufrido una colisión frontal con el núcleo. En dicha colisión, la partícula alfa se acerca al núcleo hasta que la energía potencial coulombica de repulsión, zZe2/r , llega a ser igual a la energía cinética inicial de la partícula alfa, (E = ½(mv2 ) de este modo la ecuación:

Energía cinética = Energía potencial

½ mv2 = zZe2/r(nuclear)

Para las partículas alfa obtenidas de la desintegración del radio:

velocidad: v = 1.60e+9 cm/seg
Carga eléctrica: e= 4.802e-10 ues

masa de alfa: m= 6.68e-24 gramos

carga de alfa: z = 2
Carga del cobre: Z = 29

Radio nuclear = 2zZe2/mv2

Radio nuclear = (2)(29)(4.802e-10 ues)2/(1/2)(6.68e-24g)(1.60e-19 cm/s)

Radio nuclear = 1.56 e -12 cm

Como las partículas alfa pueden acercarse al núcleo hasta 1e-12 cm y pueden aún ser dispersadas de acuerdo a la Ley de Coulomb, el núcleo mismo debe ser menor de 1e-12 cm
Utilizando otros átomos como blanco se encuentra que el radio nuclear promedio es de 1e-12 cm, si se toma este valor como el radio nuclear, donde la carga positiva esta confinada, entonces se puede demostrar que el radio nuclear es 10,000 veces mas pequeño que el átomo.
Con la ecuación anterior James Chadwick colaborador de Rutherford, determinó el número atómico de los elementos utilizados como blanco, siendo las otras variables conocidas.

Elemento Experimental Teórico

Cu 29.3 29

Ag 46.3 47

Pt 77.4 78
Estos resultados confirman la hipótesis de Rutherford: La carga positiva de los átomos no esta extendida en el volumen atómico, sino esta concentrada en regiones de dimensiones lineales de 1e-12 cm; conocido ahora como núcleo atómico.

APORTACIONES DE RUTERFORD

1.- La explicación de sus experimentos nos revela una nueva imagen del átomo, en donde se concibe un pequeño núcleo donde reside toda la carga positiva y prácticamente toda la masa del átomo, encontrándose alrededor de él girando los electrones.
2.- Con las ecuaciones que deriva de su análisis teórico es posible calcular el radio nuclear
3.- Deduce que el radio nuclear es 10,000 veces más pequeño que el radio atómico.
4.- Brinda la oportunidad de calcular por primera vez el número atómico, es decir, el número de protones en el núcleo.

DEFICIENCIAS DEL MODELO ATOMICO DE RUTHERFORD

Según las leyes de la Física Clásica toda carga en movimiento genera ondas de luz (electromagnéticas), así el electrón que gira alrededor del núcleo, emitirá luz de manera continúa , de frecuencia igual a la frecuencia de rotación del electrón en el átomo. Sin embargo, si el átomo emitiera de manera continúa energía en forma de luz, el electrón debería de moverse en una espiral que iría aproximándose cada vez mas al núcleo, y la frecuencia de su movimientos en torno del mismo sería cada vez mayor hasta caer a él.