Cuando un obús rebota en una hoja de papel: El experimento de Geiger-Marsden (Rutherford)


Si alguien se pregunta sobre el centro por excelencia de la física experimental en las primeras décadas del siglo XX la respuesta está clara:  La Universidad de Manchester. En esta universidad estaba el gigante de la experimentación Ernest Rutherford y su grupo.

En esta entrada vamos a analizar el experimento que conduce a nuestro entendimiento del átomo compuesto de núcleo y electrones.

Se pueden encontrar las entradas sobre experimentos en:  Cuentos Cuánticos experimentales.

La situación de partida

A finales del siglo XIX se tenía constancia (gracias a los experimentos de J. J. Thomson y otros que ya expondremos debidamente) que la materia estaba conformada por “algo” neutro de los cuales podemos extraer partículas cargadas negativamente cuya carga compensa exactamente la carga positiva que quedaba al extraer las partés negativas (electrones). Recordemos que en estas fechas aún no se conocían ni protones ni neutrones, así que la estructura atómica era todo un misterio.


Esto condujo a un modelo atómico denominado “Pastel de pasas” donde se 
consideraba que los electrones se distribuían uniformemente en un “fluido” positivo.  Pero ya se sabe que grandes afirmaciones necesitan de grandes pruebas para poder ser confirmadas.

Lanzando obuses sobre hojas de papel

Geiger y Marsden, a la sazón estudiantes de Rutherford, estaban trabajando con unas partículas clasificadas por su profesor que eran emitidas por determinados elementos, las partículas alfa.  Estas partículas tienen una carga positiva que duplica el valor absoluto de la carga del electrón (hoy sabemos que son núcleos de Helio-4 ionizados, dos protones y dos neutrones).

Su trabajo consistía en lanzar estas partículas contra una fina capa de metal, los metales pueden conseguirse en finas hojas denominadas panes.  Eligieron trabajar con pan de oro de unas pocas diezmilésimas de centímetros de espesor (un espesor de unos 2000 átomos).

Si el modelo de la tarta de pasas era correcto las partículas alfa tendrían que atravesar la muestra sin apenas desviación. Las desviaciones sería pequeñas si se pasar cerca de una carga negativa, pero debido a que las partículas alfa son suficientemente pesadas y su energía cinética más o menos elevada no se esperan desviaciones dramáticas.

Así que los estudiantes decidieron poner una lámina de pan de oro, lanzarle partículas alfa y ver que pasaba, para ello pusieron un detector (emulsión de un compuesto de plata en una pantalla que tiene la propiedad de dejar un punto brillante cuando impacta una de estas partículas en la misma).  Pero claro, eran experimentales y estos siempre están abiertos a las sorpresas así que el detector no sólo lo pusieron detrás de la hoja de oro, lo pusieron a todo su alrededor y encontraron algo así:

Observemos que hay partículas que literalmente rebotan contra el pan de oro y sufren desviaciones de 90º o más.  Esto va en contra del modelo de Thomson de la tarta de pasas:

La situación es como sigue:

– Muchas partículas pasan sin apenas desviación (o se desvían ángulos pequeños).

– Algunas partículas se desvían mucho, 90º o más.

Esto sólo se puede interpretar si tenemos un centro que acumula toda la carga positiva del átomo y las partículas negativas (electrones) se mueven alrededor de este núcleo siendo el átomo entonces fundamentalmente vacío.

De hecho, en el modelo de tarta de pasas uno puede encontrar desviaciones de este tipo en un porcentaje 1/10^{3500}, pero lo que se encuentra es que se desvían 1 de cada 20000. Ciertamente diferentes los números.

Se propone un modelo

A la vista de esto está claro que se propone el siguiente modelo:

El átomo está formado por un núcleo positivo y electrones orbitando a su alrededor. Siendo en gran parte espacio vacío.

Pero claro, eso también hay que verificarlo.  Y así lo hicieron, se pusieron a calcular cuantas partículas se dispersarían en función del ángulo y encontraron que la probabilidad de dispersión en función del ángulo \vartheta dependería del ángulo proporcionalmente a:

sin^-4(\dfrac{\vartheta}{2})

1.-  Graficamos las predicciones teóricas de tres modelos, el modelo de Dalton (azul), el modelo de Thomson (verde) y el modelo de Rutherford (rojo) del número de partículas dispersadas en función del ángulo de dispersión.

2.-  Superponemos los datos experimentales (puntos negros) y encontramos:


Estas gráficas son iguales pero utilizando diferentes escalas para hacer más visible las diferencias.  Como se puede ver el modelo de núcleo+electrones es el que se ajusta perfectamente a los datos experimentales.  Es por esto que “creemos” que la materia se organiza en átomos con núcleos y electrones orbitando alrededor, porque así lo dice el experimento.

Para finalizar nada mejor que el artículo de Geiger y Marsden:

The Laws of Deflexion of α Particles Through Large
Angles

Nos seguimos leyendo…

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12 Respuestas a “Cuando un obús rebota en una hoja de papel: El experimento de Geiger-Marsden (Rutherford)

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  4. El modelo atómico a seguido en respuesta a las observaciones, pensar que tenemos “El modelo”, es poco científico.

    Así hemos tenido que ir ajustando la idea de átomo, a las observaciones; la idea de Rutherford, era tan interesante en su momento, como hoy lo puede ser una actual, y nos parecerá obsoleta en un tiempo.

    Un modelo no es la realidad, sino el cómo entendemos la realidad, mediante una representación.

    En mi entender, el modelo de Bohr, no sólo, no representa la idea actual, sino que perjudica la comprensión de la realidad. Pero se la sigue usando contra todo sentido.

    • Por enésima vez, nadie sigue hoy en día el modelo de Bohr en su forma original. Ahora usamos el modelo cuántico, que sorprendentemente para átomos simples da los mismos resultados que el modelo de Bohr aunque su visión física no es del todo correcta. Es decir, Bohr fue capaz de extraer la física correcta aunque su método no es del todo correcto. Eso no le quita validez ni prohibe su estudio siempre y cuando se diga dónde están sus limitaciones.

      • “Por enésima vez,”
        No existe un tal “modelo cuántico”, es un invento de la “mecánica cuántica”.

        La MECÁNICA (clásica o cuántica) no ofrece un modelo, sino relaciones, igualdades, y proporciones (matemática), no modelos.

        El único modelo (que se enseña) es el sistema solar en miniatura. Aunque haya perdido vigencia, y cualquiera que estudia un poco lo sabe. MODELO es una ejemplificación de la realidad. Que a los matemáticos no les guste, ese es otro problema.

        La (pseudo) afirmación de que se aplica para el Hidrógeno, sólo es para distraer y seguir con el prejuicio, ya que la mayor presciencia de la carga, es en donde estaría el supuesto núcleo. No de la pelotita (electrón), sino de la función onda. La idea de una nube electrónica, también es usada para mantener la “pelotita electrón”, que es un simple prejuicio, la nube electrónica es la carga, no un montón de pelotitas dando vueltas, como insisten quienes enseñan.

        Finalmente, si no les interesa decir las cosas como son, nada hay para discutir. Ya han imposibilitando reiteradas veces de la referencias, manteniendo la censura y el desconocimiento. La censura para mantener el error, es un delito, atenta contra el derecho fundamental de la libertad de expresión.

  5. Interesante este experimento, siempre recuerdo el àtomo de Rutherford, era tan especial, distinto a los planteamientos anteriores, revolucionò la fìsica, pero en esta no puedo ver la gràfica que mencionas, no saliò.

  6. Muy interesante e instructivo.
    Gracias por hacernos facil de asimilar la fisica cuantica desde sus origenes.

  7. Pingback: Niveles de energía atómicos, ¿cómo sabemos que están ahí? | Cuentos Cuánticos

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  9. Siempre las personas pueden hacer cálculos sobre este experimento y aprobar cualquier examen, esto se ha comprobado que con el tiempo también se olvida, pero para mi lo mas importante era que se llevaran las propiedades sobre la materia que encierra, lo que se nos escapa en todos en esto y que no debemos olvidar. De ahí la sorpresa de este experimento, es que sensorialmente un cuerpo sólido no puede ser tan “vacío”. Incluso al cabo de un tiempo aunque fijes la idea de que todo cuerpo es un gran vacío, “con microscópicos puntitos de partículas”, esa idea real sobre la naturaleza se desvanece en nuestra mente y volvemos a pensar sensorialmete, que no es vacío. Es que los que no han estudiado física (sobre todo del estado sólido, la base de los aparatos domésticos mas codiciados), deben mirar un cuerpo y decir, estos físicos están locos; ¿como este dedazo de… hierro (cubo) puede ser tan vacío? Y así resulta, si pudiéramos empaquetar (tomando radio clásico de las partículas) como canicas, una sobre otra, todas las partículas que componen este cubo de hierro, ocuparían tan poco volumen del cubo original, que podríamos decir que no existe tal cuerpo sólido. Pero si te martillas un dedo; dirás de nuevo, estos físicos no saben lo que hablan.

  10. aaaay! El modelo de Rutherford! Que bonito el experimento. Me acuerdo que nos lo explicaba mi profesor de Física, lo del “modelo” de tarta pasas. Que recuerdos… Gracias por sacarlo otra vez a relucir…

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