Modelo atómico de Rutherford

El modelo de Rutherford fue ideado por el físico neozelandés Ernest Rutherford para describir un átomo. Rutherford dirigió el experimento de Geiger-Marsden en 1909, el cual sugirió, a partir del análisis de Rutherford de 1911, que el modelo de pudín de ciruela del átomo de J. J. Thomson era incorrecto. El nuevo modelo de Rutherford para el átomo, basado en los resultados experimentales, contenía nuevas características de una carga central relativamente alta concentrada en un volumen muy pequeño en comparación con el resto del átomo y con este volumen central también contenía el grueso de la masa atómica del átomo. Esta región sería conocida como el “núcleo” del átomo.

Base experimental del modelo

Rutherford volcó el modelo de Thomson en 1911 con su conocido experimento de la lámina de oro en el que demostró que el átomo tiene un núcleo diminuto y pesado. Rutherford diseñó un experimento para utilizar las partículas alfa emitidas por un elemento radiactivo como sondas para el mundo invisible de la estructura atómica. Si Thomson estaba en lo cierto, el rayo atravesaría directamente la lámina de oro. La mayoría de los rayos atravesaron el papel de aluminio, pero unos pocos fueron desviados.

Rutherford presentó su propio modelo físico para la estructura subatómica, como una interpretación para los resultados experimentales inesperados. En él, el átomo está compuesto por una carga central (este es el núcleo atómico moderno, aunque Rutherford no usó el término “núcleo” en su artículo) rodeado por una nube de (presumiblemente) electrones en órbita. En este documento de mayo de 1911, Rutherford sólo se comprometió a una pequeña región central de muy alta carga positiva o negativa en el átomo.

A partir de consideraciones puramente energéticas de cuán lejos podrían penetrar las partículas de velocidad conocida hacia una carga central de 100 e, Rutherford fue capaz de calcular que el radio de su carga central de oro tendría que ser menor (cuánto menos no se podía decir) que 3,4 × 10-14 metros. Esto fue en un átomo de oro que se sabe que tiene un radio de 10-10 metros más o menos, un hallazgo muy sorprendente, ya que implicaba una fuerte carga central de menos de 1/3000 del diámetro del átomo.

El modelo de Rutherford sirvió para concentrar gran parte de la carga y la masa del átomo en un núcleo muy pequeño, pero no atribuyó ninguna estructura a los electrones y la masa atómica restantes. Mencionó el modelo atómico de Hantaro Nagaoka, en el que los electrones están dispuestos en uno o más anillos, con la estructura metafórica específica de los anillos estables de Saturno. El modelo de budín de ciruela de J. J. Thomson también tenía anillos de electrones en órbita. Jean Baptiste Perrin afirmó en su conferencia Nobel que fue el primero en sugerir el modelo en su trabajo de 1901.

El documento de Rutherford sugería que la carga central de un átomo podría ser “proporcional” a su masa atómica en unidades de masa de hidrógeno u (aproximadamente la mitad de ella, en el modelo de Rutherford). Para el oro, este número de masa es 197 (no conocido entonces con gran precisión) y por lo tanto fue modelado por Rutherford para ser posiblemente 196 u. Sin embargo, Rutherford no intentó hacer la conexión directa de la carga central con el número atómico, ya que el “número atómico” del oro (en ese momento sólo su número de lugar en la tabla periódica) era 79, y Rutherford había modelado la carga para ser alrededor de +100 unidades (de hecho, había sugerido 98 unidades de carga positiva, para hacer la mitad de 196). Así, Rutherford no sugirió formalmente que los dos números (lugar de la tabla periódica, 79, y la carga nuclear, 98 o 100) pudieran ser exactamente iguales.

Un mes después de que apareciera el documento de Rutherford, la propuesta relativa a la identidad exacta del número atómico y la carga nuclear fue hecha por Antonius van den Broek, y luego confirmada experimentalmente dentro de dos años, por Henry Moseley.

Características claves del modelo de Rutherford

  • La nube de electrones del átomo no influye en la dispersión de las partículas alfa.
  • Gran parte de la carga positiva de un átomo se concentra en un volumen relativamente pequeño en el centro del átomo, conocido hoy como el núcleo. La magnitud de esta carga es proporcional a (hasta un número de carga que puede ser aproximadamente la mitad de) la masa atómica del átomo; se sabe ahora que la masa restante se atribuye principalmente a los neutrones. Esta masa central concentrada y la carga es responsable de desviar tanto las partículas alfa como las beta.
  • La masa de los átomos pesados como el oro se concentra principalmente en la región de carga central, ya que los cálculos muestran que no es desviada o movida por las partículas alfa de alta velocidad, que tienen un impulso muy alto en comparación con los electrones, pero no con respecto a un átomo pesado en su conjunto.
  • El átomo en sí mismo tiene unas 100.000 (105) veces el diámetro del núcleo. Esto podría estar relacionado con poner un grano de arena en medio de un campo de fútbol.

Contribución del modelo

Después del descubrimiento de Rutherford, los científicos comenzaron a darse cuenta de que el átomo no es en última instancia una sola partícula, sino que está compuesto de partículas subatómicas mucho más pequeñas. Investigaciones posteriores determinaron la estructura atómica exacta que condujo al experimento de la lámina de oro de Rutherford. Los científicos finalmente descubrieron que los átomos tienen un núcleo cargado positivamente (con un número exacto de cargas atómicas) en el centro, con un radio de alrededor de 1,2 × 10-15 metros × [número de masa atómica]1⁄3. Se encontró que los electrones eran aún más pequeños.

Más tarde, los científicos encontraron el número esperado de electrones (el mismo que el número atómico) en un átomo mediante el uso de rayos X. Cuando una radiografía pasa a través de un átomo, parte de ella se dispersa, mientras que el resto pasa a través del átomo. Dado que los rayos X pierden su intensidad principalmente debido a la dispersión en los electrones, al observar la tasa de disminución de la intensidad de los rayos X, se puede estimar con precisión el número de electrones contenidos en un átomo.

Impacto cultural y simbolismo

El modelo de Rutherford se basaba en la idea de muchos electrones en los anillos, por Nagaoka. Sin embargo, una vez que Niels Bohr modificó esta visión en una imagen de unos pocos electrones parecidos a los de los planetas para los átomos de luz, el modelo de Rutherford-Bohr captó la imaginación del público. Desde entonces se ha utilizado continuamente como símbolo de los átomos e incluso de la energía “atómica” (aunque ésta se considera más propiamente energía nuclear). Entre los ejemplos de su uso en el último siglo se incluyen, entre otros, los siguientes

  • El logotipo de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, que fue en parte responsable de su posterior uso en relación con la tecnología de fisión nuclear en particular.
  • La bandera del Organismo Internacional de Energía Atómica es un átomo de Rutherford, encerrado en ramas de olivo.
  • El logo de los Isótopos de Albuquerque de las ligas menores de EE.UU. es un átomo de Rutherford, con las órbitas de los electrones formando una A.
  • Un símbolo similar, el torbellino atómico, fue elegido símbolo de los ateos americanos, y ha llegado a ser utilizado como un símbolo del ateísmo en general.
  • El punto de código de los Símbolos Misceláneos de Unicode U+269B (⚛) utiliza un átomo de Rutherford.
  • El programa de televisión The Big Bang Theory utiliza un átomo de Rutherford como su logo.
  • En los mapas, se utiliza generalmente para indicar una instalación de energía nuclear.
Escudo de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, basado en el modelo atómico de Rutherford
Escudo de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos, basado en el modelo atómico de Rutherford

Para más información Rutherford Model of the Atom