Los primeros modelos de atomo

[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 1
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
Los primeros modelos del átomo
Un átomo consta de electrones cargados negativamente
ligados a un centro de carga positiva. El centro positivo
debe tener la mayor parte de la masa del átomo, porque la
masa total de los electrones de un atomo constituye
típicamente solo cerca de 1/4000 de la masa del atomo.A
principios del siglo XX hubo mucha especulación acerca de
la distribución de esta carga positiva.
De acuerdo con una teoría que fue popular en esos tiempo,
la carga positiva se distribuye mas o menos uniformemente
en todo el volumen esférico del átomo. Este patrón de
estructura del átomo se llama modelo de Thomson en
honor a Joseph John Thomson, que fue quien la
propuso.(Thomson fue el primero en medir la razón
carga/masa del electrón y, por lo tanto, es frecuente reconocerlo como el descubridor del
electrón).También se le llama el modelo del “budín ingles”, porque los ,electrones están
incrustados en la esfera difusa de carga positiva tal y como lo están las pasas en un budín ingles.
El modelo atómico de Thomson, también conocido como el modelo del pudín, es una teoría
sobre la estructura atómica propuesta por Joseph John Thomson, descubridor del electrón, antes
del descubrimiento del protón o del neutrón. En dicho modelo, el átomo está compuesto por
electrones de carga negativa en un átomo positivo, como las pasas en un pudín. Se pensaba que
los electrones se distribuían uniformemente alrededor del átomo. En otras ocasiones, en lugar de
una sopa de carga positiva se postulaba con una nube de carga positiva.
Dado que el átomo no deja de ser un sistema material que contiene una cierta cantidad de
energía interna, ésta provoca un cierto grado
de vibración de los electrones contenidos en
la estructura atómica. Desde este punto de
vista, puede interpretarse que el modelo
atómico de Thomson es un modelo dinámico
como consecuencia de la movilidad de los
electrones en el seno de la citada estructura.
Si hacemos una interpretación del modelo
atómico desde un punto de vista más
macroscópico, puede definirse una estructura
estática para el mismo dado que los
electrones se encuentran inmersos y
atrapados en el seno de la masa que define
la carga positiva del átomo.
Dicho modelo fue superado tras el
experimento de Rutherford, cuando se
descubrió el núcleo del átomo. El modelo
siguiente fue el modelo atómico de
Rutherford.
Joseph Thomson (1.856-1.940) partiendo de las informaciones que se tenían hasta ese momento
presentó algunas hipótesis en 1898 y 1.904, intentando justificar dos hechos:
a. La materia es eléctricamente neutra, lo que hace pensar que, además de electrones,
debe de haber partículas con cargas positivas.
b. Los electrones pueden extraerse de los átomos, pero no así las cargas positivas.
Propuso entonces un modelo para el átomo en el que la mayoría de la masa aparecía asociada
con la carga positiva (dada la poca masa del electrón en comparación con la de los átomos) y
suponiendo que había un cierto número de electrones distribuidos uniformemente dentro de esa
masa de carga positiva (como una especie de pastel o calabaza en la que los electrones
estuviesen incrustados como si fueran trocitos de fruta o pepitas).
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Los electrones podrían ser arrancados de la esfera si la energía en juego era suficientemente
importante como sucedía en los tubos de descarga.
J. J. Thomson demostró en 1897 que estos rayos se desviaban también en un campo eléctrico y
eran atraídos por el polo positivo, lo que probaba que eran cargas eléctricas negativas. Calculó
también la relación
entre la carga y la
masa
de
estas
partículas.
Para este cálculo
realizó
un
experimento:
hizo
pasar un haz de
rayos catódicos por
un campo eléctrico y
uno magnético.
Cada uno de estos
campos,
actuando
aisladamente,
desviaba el haz de
rayos en sentidos
opuestos.
Si
se
dejaba fijo el campo
eléctrico, el campo
magnético podía variarse hasta conseguir que el haz de rayos siguiera la trayectoria horizontal
original; en este momento las fuerzas eléctricas y magnética eran iguales y, por ser de sentido
contrario se anulaban.
El segundo paso consistía en eliminar el campo magnético y medir la desviación sufrida por el
haz debido al campo eléctrico. Resulta que los rayos catódicos tienen una relación carga a masa
más de 1.000 veces superior a la de cualquier ion.
Esta constatación llevó a Thomson a suponer que las partículas que forman los rayos catódicos
no eran átomos cargados sino fragmentos de átomos, es decir, partículas subatómicas a las que
llamó electrones.
Las placas se colocan dentro de un tubo de vidrio cerrado, al que se le extrae el aire, y se
introduce un gas a presión reducida.
Descubrimiento del electrón
La primera evidencia de la existencia de partículas subatómicas y por tanto de que los átomos no
eran indivisibles como postulaba la teoría atómica de Dalton, se obtuvo de los estudios de la
conductividad eléctrica de gases a bajas presiones.
Los gases son aislantes para voltajes bajos, sin embargo, frente a voltajes elevados se vuelven
conductores. Cuando en un tubo de vidrio que contiene un gas se hace parcialmente el vacío y se
aplica un voltaje de varios miles de voltios, fluye una corriente eléctrica a través de él. Asociado a
este flujo eléctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos rayos de luz de colores, denominados
rayos catódicos, que son desviados por la acción de los campos eléctricos y magnéticos.
Mediante un estudio cuidadoso de esta desviación, J. J. Thomson demostró en 1897 que los
rayos estaban formados por una corriente de partículas cargadas negativamente, que llamó
electrones.
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Joseph John Thomson. Joseph John Thomson, conocido como «J.J.»,
J.J. Thomson llegó a la madurez como investigador en la época más deslumbrante de la historia
de la física. En los años ochenta del siglo XIX, la mayoría de los expertos consideraban que esta
ciencia había llegado ya a un estado de plenitud tan grande que suponía su propia muerte:ya no
quedaban por explicar más que unos pocos flecos, un trabajo que no podía aportar gloria a
ningún creador de verdadera altura.
El que en 1908 sería nombrado por sus méritos científicos Sir Joseph John Thomson, nació el 18
de diciembre de 1856 en Cheetam Hill, cerca de Manchester. Su padre era un librero en este
suburbio y envió a su hijo, al cumplir los 14 años, al Owens College de su propia ciudad. Esta
decisión puso a Thomson en contacto con la física experimental, porque Owens tenía cursos de
este carácter, lo que le ponía por delante de muchas universidades del país. De hecho, más tarde
el College se convirtió en la Universidad Victoria de Manchester.
Buen estudiante, a los veinte años obtuvo una beca para el Trinity College de Cambridge. El que
muchos observadores hayan tenido una opinión muy alta de Thomson como científico pero hayan
tendido a considerarlo una personalidad más bien apagada, muy probablemente se debe a su
adhesión a Cambridge, donde residió por el resto de su
vida.
Thomson se licenció en matemáticas, pero su formación
temprana le impulsó a pasar al Cavendish Laboratory,
porque allí podía hacer física experimental. Su carrera fue
rápida, aunque no se pueda considerar excepcional:sus
primeras investigaciones en electromagnetismo le llevaron
en 1884 a ser nombrado catedrático de física del
Cavendish y a su nombramiento como miembro de la
Royal Society de Londres.
Tomaba sus deberes de profesor muy en serio. Por lo
regular daba clases elementales por la mañana y por la
tarde enseñaba a los posgraduados. Consideraba que
enseñar obliga a revisar las ideas propias. Nunca
aconsejó a quien quería entrar en un campo de
investigación que empezara por leer el trabajo ya hecho.
Prefería que primero aclarara sus propias ideas.
Hasta entonces no consideraba seguro leer lo que opinaban otros. Fuera porque este sistema era
particularmente acertado o porque el profesor tuviera una personalidad arrolladora, el caso es
que el grupo de sus alumnos venidos de todas partes del mundo tuvo gran importancia tanto por
lo que el mismo hizo como por el espíritu que supo inspirar en ellos.
En 1890 se casó con Rose Elizabeth Paget y en 1918 fue nombrado Master del Trinity College.
En ese cargo, que ocupó hasta su muerte, pudo tratar a muchos jóvenes con intereses no
científicos. Eso le gustaba e hizo con ello muchos nuevos amigos. Thomson demostró interés por
muchas más cosas que por la ciencia. Se interesó en la política, las novelas, los dramas, el
deporte universitario y en los aspectos no técnicos de la ciencia.
Aunque no era un atleta, era un seguidor entusiasta de los equipos de Cambridge de cricket y de
rugby. Pero, aparte de la ciencia, lo que más le interesaban eran las plantas. Hizo miles de
excursiones por las colinas que rodean Cambridge en busca de especies botánicas raras que
cuidaba luego en su jardín.
El reconocimiento de los méritos científicos de Thomson es muy notable porque su vida
profesional estuvo dedicada casi íntegramente a profundizar más y más en una rama
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aparentemente poco brillante del conocimiento. Los trabajos de Thomson empezaron a tener
interés cuando se concentró en la medida de la carga eléctrica generada en un gas sometido a
un haz de rayos X, sobre la que publicó juntamente con su joven colaborador Rutherford la
observación de su decrecimiento espontaneo y veintiséis años más tarde su aportación más
conocida es el desarrollo de una teoría para la recombinación de iones en un volumen de gas
irradiado.
Si esto puede demostrar algo es que la capacidad imaginativa y el tesón de los grandes
investigadores son probablemente más importantes que la brillantez aparente de su campo de
trabajo. En el curso del suyo, J.J. Thomson concibió una idea que fue comprobando
cuidadosamente hasta que pudo resolver definitivamente la controversia acerca de la naturaleza
de los rayos catódicos.
Acerca de este problema las escuelas científicas estaban divididas: de una parte los físicos
británicos y los franceses sostenían que la radiación consistía en un flujo de partículas
electrificadas, mientras que la escuela alemana defendía que los rayos se producían en el éter y
diferían lo mismo de la luz ordinaria que de los rayos X.
La aportación más importante de Thomson consistió en mejorar progresivamente la técnica de
realizar el vacio, con lo que pudo llegar a la conclusión de que los rayos eran independientes de
la naturaleza del gas de llenado de la ampolla y de la naturaleza de los electrodos que se
colocaran en ella. La conclusión que le pareció evidente y que dio a conocer ahora hace cien
años es que se trata de un flujo de corpúsculos que están presentes con su propia carga eléctrica
en cualquier tipo de materia.
Esta creencia se vio reforzada en los
tres
años
que
siguieron
al
descubrimiento, pues pudo probar que
la emisión se producía por ejemplo
calentando un hilo de metal. Si bien se
mira, el reconocimiento de que
cualquier átomo posee un cierto
numero de electrones de los que
puede "desprenderse" con cierta
relativa facilidad, era el primer caso en
que se deshacía la creencia del átomo
indivisible y no cabe duda de que el
descubrimiento de Thomson abrió el
camino a la concepción planetaria del
átomo que permitió a Rutherford
penetrar en la naturaleza de las
transformaciones radiactivas.
Tal vez esta noción fundamental, que a fin de cuentas es la que ha convertido a Thomson en una
de las figuras más notables de la historia de la física, no fuese apreciada íntegramente en los
primeros años. El hecho es que el premio Nobel que recibió hace mención de sus méritos en la
realización de trabajos decisivos en el estudio de la conductividad de los gases. Esto es
absolutamente cierto y todos los que hayan trabajado en la medición de las radiaciones
ionizantes mediante detectores llenos de gas son deudores de la obra ingente de Thomson y de
sus sucesores.
No es fácil resistirse a reproducir aquí la dedicatoria que hizo Leonard B. Loeb de su monografía
"Fundamental processes of electrical discharges in gases", publicada en 1939:Este libro está
dedicado humildemente al brillante grupo de investigadores jóvenes, incluido su jefe, que
trabajaron en el Cavendish Laboratory bajo la dirección de Sir J.J. Thomson en la última década
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del siglo pasado y la primera del actual, desde que se descubrió el electrón, cuya investigación
fronteriza contribuyó tanto a establecer los principios de la conducción eléctrica en los gases, a
saber: Ernest Rutherford, J.S. Townsend, Paul Langevin, J.A. Mc Clelland, H.A. Wilson, R.J.
Strutt, O.W. Richardson, J. Zeleny, C.G. Barkla, N.R. Campbell, T. Lyman, R.K. Mc Klung, G.
Jaffe, J.E. Almy, R.S. Willows, A. Wood, G. Monkman, J. Henry, W.C. Baker, J.A. Cunningham,
J.E. Durack y J. Patterson.
La prueba más palpable de que J.J. Thomson debió de ser un profesor excelente, es que
en esa lista hay nada menos que siete premios Nobel, aunque cuando se quiere disminuir su
mérito como tal -ya se sabe que la naturaleza humana tiene esas debilidades- se suele alabar
con exceso su capacidad como cabeza administrativa del Cavendish Laboratory. Ocupó ese
cargo durante sus años más fructíferos, pero no solamente administraba los proyectos de
investigación sino que era un buscador de financiación. Consiguió dos ampliaciones de los
edificios, partiendo de las cuotas de los estudiantes, porque tenía poca ayuda de la Universidad o
de los Colegios.
Excepto por una pequeña participación en las subvenciones del gobierno, dirigidas a todas las
universidades en general, y a todas las ramas de la ciencia, el Cavendish no se benefició ni del
gobierno ni de las fundaciones caritativas o de la industria.
Sir Joseph John Thomson murió en Cambridge el 30 de agosto de 1940, una fecha que
merecería ser más recordada por esta perdida que por marcar el momento que podría llamarse la
inflexión hacia la derrota de la Luftwaffe en la que se conoce como la batalla de Inglaterra.
Discusión breve de los primeros modelos atómicos
Una manera de probar la validez de este modelo es determinar el campo eléctrico del átomo
sondeándolo mediante un haz de proyectiles cargados positivamente que pasan junto a el. El
campo eléctrico del átomo desvía o dispersa las partículas del haz.
En la explicación que sigue, consideramos solo el efecto que ejerce la esfera de carga positiva
sobre el proyectil. Suponemos que el proyectil tiene una masa mucho menor que el atomo y
mucho mayor que la de un electrón. De esta manera los electrones tienen un efecto insignificante
sobre la dispersión del proyectil, y puede suponerse que el átomo permanece en reposo cuando
el proyectil se desvía.
El campo eléctrico debido a una esfera uniforme de carga positiva fue dado por la ecuación:
1 qr
1 q
para los puntos afuera de la esfera de carga y por la ecuación : E 
E
2
4 0 R 3
4 0 r
(esfera uniforme , r< R), para los puntos adentro de ella. Calculemos el campo eléctrico en la
superficie, el cual como muestra la figura, es el máximo campo posible que esta distribución
puede producir.
Consideremos a un átomo pesado como el oro , el cual
tiene una carga positiva Q de 79e y un radio R de unos
1,0  10-10m.Si no tomamos en cuenta a los electrones , el
campo eléctrico en r = R debido a las cargas positivas es
de :
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E max 
1 Q (9  10 9 )(79)(1,6  10 19 )
= 1,1  1013 N/C

2
10 2
4 0 R
(1,0  10 )
Para los proyectiles de nuestro experimento, usemos un haz de partículas alfa, que tiene una
carga positiva q de 2e y una masa de 6,64  10-27kg.Las partículas alfa son núcleos de átomos de
helio, los cuales se emiten en ciertos proceso de desintegración radiactiva. Una energía cinética
típica de tal partícula puede ser de alrededor de K = 6 MeV , o sea 9,6  10-13J
Con esta energía la partícula tiene una velocidad de :
v
2K

m
2(9,6  10 13 )
=1,7  107 m/s
 27
6,64  10
Nótese que este velocidad es de alrededor de 0,06c, lo cual justifica nuestro uso de la relación no
relativista entre la velocidad y la energía cinética.
Hagamos que la partícula pase cerca de la superficie del átomo, donde experimente el máximo
campo eléctrico que este átomo pudiera ejercer. La fuerza correspondiente sobre la partícula es
de :
F  qEmax  2(1,6  10 19 )(1,1  1013 ) = 3,5  10-6 N
La siguiente figura muestra una diagrama
esquemático de un experimento de dispersión:
El calculo real de la desviación es relativamente
complicado, pero podemos realizar algunas
aproximaciones que simplifiquen el calculo y
permitan un calculo aproximado de la máxima
desviación. Supongamos que la fuerza de arriba es
constante y que actúa únicamente durante el
tiempo  t que tarda el proyectil en recorrer una
distancia igual a un diámetro del átomo , como se
indica en esta figura.
Este intervalo de tiempo es:
t 
2 R 2(1,0  10 10 )

=1,2  10-17s
7
v
1,7  10
La fuerza le imprime a la partícula una aceleración transversal a , la cual produce una velocidad
transversal v dada por :
v  at 
F
3,5  10 6
t 
1,2  10 17 = 6,6  10 3 m/s
 27
m
6,64  10
Este es un cambio pequeño cuando se le compara con la magnitud de la velocidad de la partícula
(1,7  107 m/s).La partícula se desviara en un Angulo  pequeño que puede calcularse
aproximadamente :
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  tan g 1
v
6,6  10 3
= 0,02º
 tan g 1
v
1,7  10 7
Este experimento lo realizo primero Ernest Rutherford junto con sus colaboradores H.Geiger y E.
Mariden en la Universidad de Manchester en 1911.
La figura muestra los detalles del experimento que usaron para medir el Angulo de dispersión.
Un haz de partículas alfa provenientes de la fuente radiactiva S se dispersó por una lamina
delgada de oro T y se observo con un detector D que podía colocarse a cualquier ángulo  con
respecto a la dirección del haz incidente. Así, determinaron el numero de partículas dispersas que
llegaron al detector por unidad de tiempo para distintos ángulos.
Los resultados de si experimento se muestran esquemáticamente en la figura :
SI bien de la dispersión de muchas de las partículas fue de ángulos pequeños , como lo precede
nuestro calculo aproximado, una partícula ocasional , quizás 1 en 104. se dispersaba en un
ángulo tan grande que su movimiento se invertía. Tal resultado es en verdad sorprendente si
aceptamos el modelo de Thomson, para el cual hemos estimado que la desviación (deflexión)
máxima es de unos 0,02º.
En las palabras de Rutherford : “Fue realmente el suceso mas increíble que me haya pasado
en mi vida. Fue casi tan increíble como si un obús de 15 pulgadas, disparado contra un
pañuelo de papel, hubiera rebotado para pegarme”.
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Basado en este tipo de experimento de dispersión, Rutherford concluyo que la carga positiva de
un átomo no se difundía por todas partes de la esfera del mismo tamaño que el átomo, pero en
su lugar se concentraba en una pequeña región (el núcleo) cerca del centro del átomo. En el
caso del átomo de oro, el núcleo tiene un radio de unos 7  10-15 m( 7 fm), mas o menos 10-4
veces menor que el radio del átomo.
Esto es, ¡EL NUCLEO OCUPA UN VOLUMEN DE SOLO 10-12 EL DEL ATOMO!
Calculemos el campo eléctrico máximo y la fuerza correspondiente sobre una partícula alfa que
pase cerca de la superficie del núcleo.
SI consideramos al núcleo como una bola esférica uniforme de carga Q = 79e y radio R=7fm , el
campo eléctrico máximo es de :
E max 
1 Q (9  10 9 )(79)(1,6  10 19 )
=2,3  1021 N/C

2
15 2
4 0 R
(7  10 )
Esto es mas de ocho ordenes de longitud mayor que el campo eléctrico que actuaría sobre una
partícula en la superficie de un modelo de “budín ingles” del átomo. La fuerza correspondiente es
de :
F=qEmax = 2(1,6  10-19)(2,3  1021)= 740 N
¡ESTA ES UNA FUERZA ENORME!
Hagamos la misma simplificación que hicimos en nuestro cálculo previo, pero supongamos que
esta fuerza sea constante y que actúe sobre la partícula solo durante el tiempo  t que le toma a
la partícula viajar una distancia igual a un diámetro nuclear:
t 
2 R 2(7  10 15

= 8,2  10-22 s
7
v
1,7  10
Puede estimarse que el cambio correspondiente en la velocidad de la particula es de :
v  at 
F
740
t 
8,2  10 22 = 9  107 m/s
 27
m
6,64  10
Esto es comparable en magnitud a la velocidad misma.
Concluimos que un átomo nuclear puede producir un campo eléctrico que es lo suficientemente
grande como para invertir el movimiento del proyectil.
El análisis de Rutherford fue mucho mas detallado que el presentado aquí. Demostró que la
dispersión es como lo hemos esbozado en :
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Existe una sola pequeña posibilidad de tener alguna dispersión; la mayoría de los proyectiles
pasan sin desviarse, y la probabilidad de tener mas
de una dispersión de un solo proyectil
es
insignificante. Esto es consistente con el tamaño
pequeño deducido para el núcleo. El átomo es en su
mayoría espacio vacío, y existe solo una probabilidad
muy pequeña de que un proyectil llegue lo
suficientemente cerca de un núcleo como para
experimentar un campo eléctrico lo suficientemente
grande para causar una desviación. La probabilidad
de que ocurra dispersión dos veces con el mismo
proyectil es muy pequeña.
Esta serie clásica y concienzuda de experimento y su
brillante interpretación, constituyen los cimientos de la
física moderna atómica y nuclear, y a Rutherford , generalmente , se le atribuye el merito de ser
el fundador de estos campos.
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Ernest Rutherford
Lord Rutherford
Nacimiento
Muerte
Residencia
Nacionalidad(es)
Campo(s)
30 de Agosto de 1871.Brightwater, Nueva Zelanda
19 de octubre de 1937´.Cambridge, Inglaterra
Inglaterra
Neozelandés-
Británico
Química y Física
Instituciones
McGill University
University of Manchester
Alma mater
University of Canterbury
Cambridge University
Supervisor doctoral
Joseph John Thomson
Estudiantes destacados Mark Oliphant
Patrick Blackett
Niels Bohr
Conocido por
Ser el padre de la física nuclear
Premios destacados
Premio Nobel de química
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Ernest Rutherford, barón Rutherford de Nelson, conocido también como Lord Rutherford .Se le
considera el padre de la física nuclear. Descubrió la radiación alfa y beta, y que la radiactividad
iba acompañada por una desintegración de los elementos, lo que le valió ganar el Premio Nobel
de Química en 1908. También se le debe el descubrimiento de la existencia de un núcleo
atómico, en el que se reúne toda la carga positiva y casi toda la masa del átomo, y consiguió la
primera transmutación artificial.
Si durante la primera parte de su vida se consagró por completo a sus investigaciones, pasó la
segunda mitad dedicado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, en
el que se descubrió el neutrón, y en el que se formaron Niels Bohr y Oppenheimer.
Los primeros años
Ernest Rutherford era el cuarto de los doce hijos de James y
Martha Rutherford. Su padre era un escocés granjero y
mecánico, mientras su madre, nacida en Inglaterra emigró
antes de casarse. Allí había sido maestra. Ambos deseaban
dar a sus hijos una buena educación y tratar de que pudiesen
proseguir sus estudios.
Rutherford destacó muy pronto por su curiosidad y su
capacidad para la aritmética. Sus padres y su maestro lo
animaron mucho, y resultó ser un alumno brillante, lo que le
permitió entrar en el Nelson College, en el que estuvo tres
años. También tenía grandes cualidades para el rugby, lo que
le valía ser muy popular en su escuela. El último año, terminó
en primer lugar en todas las asignaturas, gracias a lo cual entró
en la Universidad, en el Canterbury College, en el que siguió
practicando el rugby y en el que participó en los clubs
científicos y de reflexión.
Por esa época empezó a manifestarse el genio de Rutherford
para la experimentación: sus primeras investigaciones
demostraron que el hierro podía magnetizarse por medio de
altas frecuencias, lo que de por sí era un descubrimiento. Sus
excelentes resultados académicos le permitieron proseguir sus
estudios y sus investigaciones durante cinco años en total en esa Universidad.Se licenció en
Christchurch y poco después consiguió la única beca de Nueva Zelanda para estudiar
matemáticas, y sobrevivió el último año como maestro. Obtuvo de ese modo el título de "Master
of Arts" con una doble primera clase en matemáticas y física. En 1894 obtuvo el título de
"Bachelor of Science", que le permitió proseguir sus estudios en [ [Gran Bretaña]], en los
Laboratorios Cavendish de Cambridge, bajo la dirección del descubridor del electrón, J.J.
Thomson a partir de 1895. Fue el primer estudiante de ultramar que alcanzó esta posibilidad.
Antes de salir de Nueva Zelanda, se prometió con Mary Newton, una joven de Christchurch. En
los laboratorios Cavendish, consiguiría reemplazar años más tarde a su maestro J.J. Thomson
cambridge, 1895-1898
En diciembre de 1895, empezó a trabajar con Thomson en el estudio del efecto de los rayos X
sobre un gas. Descubrieron que los rayos X tenían la propiedad de ionizar el aire, puesto que
pudieron demostrar que producía grandes cantidades de partículas cargadas, tanto positivas
como negativas, y que esas partículas podían recombinarse para dar lugar a átomos neutros. Por
su parte, Rutherford inventó una técnica para medir la velocidad de los iones, y su tasa de
recombinación. Estos trabajos fueron los que le condujeron por el camino a la fama.
En 1898, tras pasar tres años en Cambridge, cuando contaba con 27 años, le propusieron una
cátedra de física en la Universidad Mc Gill de Montreal, que aceptó inmediatamente, pues
representaba para él la posibilidad de reunirse con su prometida, que seguía viviendo en Nueva
Zelanda.
Montreal, 1898-1907 : radiactividad
Becquerel descubrió por esa época (1896) que el uranio emitía una radiación desconocida, la
"radiación uránica". Rutherford publicó en 1899 un documento esencial, en el que estudiaba el
modo que podían tener esas radiaciones de ionizar el aire, situando al uranio entre dos placas
cargadas y midiendo la corriente que pasaba. Estudió así el poder de penetración de las
radiaciones, cubriendo sus muestras de uranio con hojas metálicas de distintos espesores. Se dio
cuenta de que la ionización empezaba disminuyendo rápidamente conforme aumentaba el
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espesor de las hojas, pero que por encima de un determinado marco disminuía más débilmente.
Por ello dedujo que el uranio emitía dos radiaciones diferenciadas, puesto que tenían poder de
penetración distinto. Llamó a la radiación menos penetrante radiación alfa, y a la más penetrante
(y que producía necesariamente una menor ionización puesto que atravesaba el aire) radiación
beta.
En 1898 le ofrecen un puesto de profesor en la Universidad de McGill en Montreal (Canadá).
Rutherford acepta la oferta y se desplaza a Canadá, donde pasaría nueve años y ganaría
renombre por sus estudios sobre la radiactividad. Al poco tiempo de establecido, funda un grupo
de trabajo en el Macdonald Laboratory. Entre los temas que investigó allí estaban las partículas
alfa, diminutos cuerpos (que más tarde demostró que eran iones de helio) emitidos por algunos
elementos radiactivos
durante
su Si tu experimento necesita estadística, deberías haber hecho uno mejor
descomposición. Entre
los colaboradores que tuvo en esa época se cuentan Frederick Soddy (premio Nobel en 1921) y
Otto Hahn (premio Nobel en 1944). Conjuntamente con Soddy obtiene las leyes de las
desintegraciones radiactivas y descubre que la radioactividad es un proceso en el cual los átomos
de un elemento se convierten en átomos de otro elemento diferente, algo que, hasta aquel
momento se consideraba propio de la alquimia y no de la ciencia seria. En 1907 se había creado
un renombre tal que Arthur Schuster, jefe del departamento de física de la Universidad de
Manchester en Inglaterra, renunció a su puesto para que Rutherford pudiera ocuparlo. El locuaz y
entusiasta Rutherford presidió allí durante una docena de años, y edificó un centro internacional
para el estudio de la radiación al que se incorpora, entre otros, Hans Geiger, y cuya reputación
rivalizaba con la del Laboratorio Cavendish de Thomson. (El propio Rutherford acabaría
dirigiendo el Cavendish de 1919 a 1937.)
En 1900, Rutherford se casa con Mary Newton. De este matrimonio nació en 1901 su única hija,
Eileen.
Por esa época, Rutherford estudia el torio, y se da cuenta al utilizar el mismo dispositivo que para
el uranio, de que el hecho de abrir una puerta en el laboratorio perturba notoriamente el
experimento, como si
los movimientos del “La energía producida al romper el átomo es algo muy pobre. Cualquiera
aire en el experimento que espere una fuente de poder de la transformación de estos átomos esta
pudieran
alterarlo. diciendo tonterías” .Ernest Rutherford, momentos después de separar el
Pronto llegará a la
conclusión de que el átomo por primera vez
torio desprende una emanación, también radiactiva, puesto que al aspirar el aire que rodea el
torio, se da cuenta de que ese aire transmite la corriente fácilmente, incluso a a gran distancia del
torio.
También nota que las emanaciones de torio sólo permanecen radiactivas unos diez minutos y
que son partículas neutras. Su radiactividad no se ve alterada por ninguna reacción química, ni
por cambios en las condiciones (temperatura, campo eléctrico). Se da cuenta asimismo de que la
radiactividad de esas partículas decrece exponencialmente, puesto que la corriente que pasa
entre los electrodos también lo hace, y descubre así el periodo de los elementos radiactivos en
1900. Con la ayuda de un químico de Montreal, Frederick Soddy, llega en 1902 a la conclusión de
que las emanaciones de torio son efectivamente átomos radiactivos, pero sin ser torio, y que la
radioactividad viene acompañada de una desintegración de los elementos.
Este descubrimiento provocó un gran revuelo entre los químicos, muy convencidos del principio
de indestructibilidad de la materia. Una gran parte de la ciencia de la época se basaba en este
concepto. Por ello, este descubrimiento representa una auténtica revolución. Sin embargo, la
calidad de los trabajos de Rutherford no dejaban margen a la duda. El mismísimo Pierre Curie
tardó dos años en admitir esta idea, a pesar de que ya había constatado con Marie Curie que la
radioactividad ocasionaba una pérdida de masa en las muestras. Pierre Curie opinaba que
perdían peso sin cambiar de naturaleza.
Las investigaciones de Rutherford tuvieron el reconocimiento en 1903 de la Royal Society, que le
otorgó la Medalla Rumford en 1904. Resumió el resultado de sus investigaciones en un libro
titulado "Radioactividad" en 1904, en el que explicaba que la radioactividad no estaba
influenciada por las condiciones externas de presión y temperatura, ni por las reacciones
químicas, pero que comportaba un desprendimiento de calor superior al de una reacción química.
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 13
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
Explicaba también que se producían nuevos elementos con características químicas distintas,
mientras desaparecían los elementos radiactivos.
Junto a Frederick Soddy, calculó que el desprendimiento de energía debido a la desintegración
nuclear era entre 20.000 y 100.000 veces superior al producido por una reacción química. Lanzó
también la hipótesis de que tal energía podría explicar la energía desprendida por el sol. Él y Rutt
opinan que si la tierra conserva una temperatura constante (en lo que concierne a su núcleo),
esto se debe sin duda a las reacciones de desintegración que se producen en su seno. Esta idea
de una gran energía potencial almacenada en los átomos encontrará un año después un principio
de confirmación cuando Albert Einstein descubra la equivalencia entre masa y energía. Tras
estos trabajos, Otto Hahn, el descubridor de la fisión nuclear, acudirá a estudiar con Rutherford
en Mc Gill durante unos meses.
A partir de 1903 empieza a hacerse preguntas sobre la naturaleza exacta de las radiaciones alfa
y deduce su velocidad, el signo (positivo) de su carga, y la relación que hay entre su carga y su
masa, haciendo que atraviesen campos eléctricos y magnéticos. Éste es el camino que le llevará
hacia sus más célebres trabajos. El motivo por el cual algunas partículas alfa rebotaban era que
se desviaban por los núcleos. Rutherford no sabía al principio la carga del núcleo (positiva o
negativa), pero tiempo más tarde descubrió que el núcleo estaba formado por dos componentes:
protones y neutrones. Durante su estancia en Mc Gill, publicará unos 80 artículos, e inventará
numerosos dispositivos que no tienen nada que ver con la física nuclear.
Manchester, 1907-1919 : el núcleo atómico
En 1907, obtiene una plaza de profesor en la Universidad de Manchester, en donde trabajará
junto a Hans Geiger. Junto a éste, inventará un contador que permite detectar las partículas alfa
emitidas por sustancias radiactivas (prototipo del futuro contador Geiger), ya que ionizando el gas
que se encuentra en el aparato, producen una descarga que se puede detectar. Este dispositivo
les permite estimar el número de Avogadro de modo muy directo: averiguando el periodo del
radio, y midiendo con su aparato el número de desintegraciones por unidad de tiempo. De ese
modo dedujeron el número de átomos de radio presente en su muestra.
En 1908, junto a uno de sus estudiantes, Thomas Royds, demuestra de modo definitivo lo que se
suponía, es decir, que las partículas alfa son núcleos de helio. En realidad, lo que prueban es que
una vez desembarazadas de su carga, las partículas alfa son átomos de helio. Para demostrarlo,
aisló la sustancia radiactiva en un material suficientemente delgado para que las partículas alfa lo
atravesaran efectivamente, pero para ello bloquea cualquier tipo de "emanación" de elementos
radiactivos, es decir, cualquier producto de la desintegración. Recoge a continuación el gas que
se halla alrededor de la caja que contiene las muestras, y analiza su espectro. Encuentra
entonces gran cantidad de helio: los núcleos que constituyen las partículas alfa han recuperado
electrones disponibles.
Ese mismo año gana el Premio Nobel de Química por sus trabajos de 1908. Sufrirá sin
embargo un pequeño disgusto, pues él se considera fundamentalmente un físico. Una de
sus citas más famosas es que "la ciencia, o es Física, o es filatelia", con lo que sin duda
situaba la física por encima de todas las demás ciencias.
En 1911 hará su mayor contribución a la ciencia, al descubrir el núcleo atómico. Había observado
en Montreal al bombardear una fina lámina de mica con partículas alfa, que se obtenía una
deflexión de dichas partículas. Al retomar Geiger y Marsden de modo más concienzudo estos
experimentos y utilizando una lámina de oro, se dieron cuenta de que algunas partículas alfa se
desviaban más de 90 grados. Rutherford lanzó entonces la hipótesis, que Geiger y Marsden
enfrentaron a las conclusiones de su experimento, de que en el centro del átomo debía haber un
"núcleo" que contuviera casi toda la masa y toda la carga positiva del átomo, y que de hecho los
electrones debían determinar el tamaño del átomo. Este modelo planetario había sido sugerido
en 1904 por un japonés, Hantaro Nagoaka, aunque había pasado desapercibido. Se le objetaba
que en ese caso los electrones tendrían que irradiar girando alrededor del núcleo central y, en
consecuencia, caer. Los resultados de Rutherford demostraron que ese era sin dudar el modelo
bueno, puesto que permitía prever con exactitud la tasa de difusión de las partículas alfa en
función del ángulo de difusión y de un orden de magnitud para las dimensiones del núcleo
atómico. Las últimas objeciones teóricas (sobre la irradiación del electrón) se desvanecieron con
los principios de la teoría cuántica, y la adaptación que hizo Niels Bohr del modelo de Rutherford
a la teoría de Max Planck, lo que sirvió para demostrar la estabilidad del átomo de Rutherford.
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 14
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
En 1914 empieza la Primera Guerra Mundial, y Rutherford se concentra en los métodos acústicos
de detección de submarinos. Tras la guerra, ya en 1919, lleva a cabo su primera transmutación
artificial. Después de observar los protones producidos por el bombardeo de hidrógeno de
partículas alfa (al observar el parpadeo que producen en pantallas cubiertas de sulfuro de zinc),
se da cuenta de que obtiene muchos de esos parpadeos si realiza el mismo experimento con aire
y aún más con nitrógeno puro. Deduce de ello que las partículas alfa, al golpear los átomos de
nitrógeno, han producido un protón, es decir que que el núcleo de nitrógeno ha cambiado de
naturaleza y se ha transformado en oxígeno, al absorber la partícula alfa. Rutherford acababa de
producir la primera transmutación artificial de la historia. Algunos opinan que fue el primer
alquimista que consiguió su objetivo.
Cambridge, 1919-1937 : la edad de oro en Cavendish
Ese mismo año sucede a J.J. Thomson en el laboratorio Cavendish, pasando a ser el director. Es
el principio de una edad de oro para el laboratorio y también para Rutherford. A partir de esa
época, su influencia en la investigación en el campo de la física nuclear es enorme. Por ejemplo,
en una conferencia que pronuncia ante la Royal Society, ya alude a la existencia del neutrón y de
los isótopos del hidrógeno y del helio. Y éstos se descubrirán en el laboratorio Cavendish, bajo su
dirección. James Chadwick, descubridor del neutrón, Niels Bohr, que demostró que el modelo
planetario de Rutherford no era inestable, y Robert Oppenheimer, al que se considera el padre de
la bomba atómica, están entre los que estudiaron en el laboratorio en los tiempos de Rutherford.
Moseley, que fue alumno de Rutherford, demostró, utilizando la desviación de los rayos X, que
los átomos contaban con tantos electrones como cargas positivas había en el núcleo, y que de
ello resultaba que sus resultados "confirmaban con fuerza las intuiciones de Bohr y Rutherford".
El gran número de clases que dio en el laboratorio Cavendish, la gran cantidad de contactos que
tuvo con sus estudiantes dio una imagen de Rutherford como una persona muy pegada a los
hechos, más aún que a la teoría, que para él sólo era parte de una "opinión". Este apego a los
hechos experimentales, era el indicio de un gran rigor y de una gran honestidad. Cuando Enrico
Fermi consiguió desintegrar diversos elementos con la ayuda de neutrones, le escribió para
felicitarle de haber conseguido "escapar de la física teórica".
Sin embargo, por fortuna, Rutherford no se detenía en los hechos, y su gran imaginación le
dejaba entrever más allá, las consecuencias teóricas más lejanas, pero no podía aceptar que se
complicaran las cosas inútilmente. Con frecuencia hacía observaciones en este sentido a los
visitantes del laboratorio que venían a exponer sus trabajos a los estudiantes y a los
investigadores, cualquiera que fuera la fama del visitante. Su apego a la simplicidad era casi
proverbial. Como él mismo decía: "Yo mismo soy un hombre sencillo".
Su autoridad en el laboratorio Cavendish no se basaba en el temor que pudiera inspirar. Por el
contrario, Rutherford tenía un carácter jovial. Se sabía que estaba avanzando en sus trabajos
cuando se le oía canturrear en el laboratorio. Sus alumnos lo respetaban mucho, no tanto por sus
pasados trabajos o por el mito que le rodeaba como por su atractiva personalidad, su
generosidad y su autoridad intelectual. Se le apodó "el cocodrilo", porque como un cocodrilo
que nunca ve su propia cola, siempre miraba delante de él.
También ésta es para Rutherford la época de
los honores: fue presidente de la Royal
Society entre 1925 y 1930, y chairman de la
Academic Assistance Council, que en esos
políticamente turbulentos tiempos, ayudaba a
los universitarios alemanes que huían de su
país. También se le concedió la Medalla
Franklin en 1924 y de la Medalla Faraday en
1936. Realizó su último viaje a Nueva
Zelanda, su país de nacimiento, que nunca
olvidó, en 1925 y fue recibido como un héroe.
Alcanzó la nobleza en 1931 y obtuvo el título
de Barón Rutherford de Nelson, de
Cambridge. Pero ese mismo año murió su
única hija, Eileen, nueve días después de
haber dado a luz a su cuarto hijo.
Rutherford era un hombre muy robusto y entró en el hospital en 1937 para una operación menor,
tras haberse herido podando unos árboles de su propiedad. A su regreso a su casa, parecía
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 15
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
recuperarse sin problemas, pero su estado se agravó repentinamente. Murió el 19 de octubre y
se le enterró en la abadía de Westminster, junto a Isaac Newton y Kelvin.
Los experimentos llevados a cabo por Rutherford permitieron, además, el establecimiento de un
orden de magnitud para las dimensiones reales del núcleo atómico. Durante la Primera Guerra
Mundial estudió la detección de submarinos mediante ondas sonoras, de modo que fue uno de
los precursores del sonar.
Nacido en Nueva Zelanda, en 1871, fue hijo de un granjero y mecánico y de una madre maestra
que siempre quisieron que sus hijos estuvieran formados. De estudiante alcanzó las máximas
notas en latín, francés y física. Fue un destacado miembro de la Sociedad Dialéctica, que era un
club estudiantil de debates, y del equipo de rugby. Gracias a sus buenas notas consiguió una
beca (la única que daban cada año en su universidad) para hacer un máster que duraba un año
en el que tenía que hacer un trabajo de investigación.
Un día estaba estudiando cómo la radiación ionizaba los gases, esto es, arrancaba los electrones
de los átomos quedando estos últimos cargados. Se le ocurrió echar una calada de humo de su
cigarrillo en un tubo de medida y vio que se alteraba el resultado de la medición. Acababa de
inventar el detector de humos que todavía hoy utilizamos.
En numerosas ocasiones dijo que creía en la simplicidad porque él era un hombre simple.
Acuñó la frase que hoy conocen muchos teóricos y es: Si le explicas a un camarero lo que
estás haciendo y no lo entiende, lo pobre no es el camarero, sino lo que estás haciendo
(creo que fue Feynman quien dijo análogamente que lo que no podías explicar a tu abuela es que
no lo entiendes).
En 1907 explicaba en una carta la siguiente anécdota a su madre:
Ayer visitó nuestro laboratorio el barón Kikuchi, ministro de educación de Japón. Shuster
me lo presentó. Más tarde, el ministro le dijo a Shuster: “Supongo que el Rutherford que
usted me ha presentado es el hijo del célebre profesor Rutherford”.
Cuando estalló la Primera Guerra Mundial le pusieron a trabajar en métodos para detectar
submarinos, por lo que es el precursor del sonar. Un día, por excepción, no asistió a una sesión
de expertos ingleses que había de tratar de dichos métodos. Al ser reprendido respondió:
¡Calma, por favor! Ahora mismo estoy haciendo curiosos experimentos que parecen
apuntar la posibilidad de destruir el átomo por voluntad humana. Si ello fuera cierto, ¿no
creéis que el descubrimiento sería mucho más importante que toda vuestra guerra?
Y, realmente, tenía razón: era más importante. Un día, tras haber observado unas 400 trazas de
partículas alfa en nitrógeno puro se dio cuenta que 8 de ellas se bifurcaban. Los caminos se
correspondían a uno provocado por un único protón y otro a un núcleo completo: la partícula alfa
había chocado con un átomo de nitrógeno transformándolo en uno de oxígeno y expulsando un
protón solitario. Fue la primera reacción nuclear atificial de la historia.
Curiosamente, le concedieron el Premio Nobel de Química en 1908, y no de Física, “por sus
investigaciones en la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas”.
Más tarde afirmaría: He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan
brusca como en esta metamorfosis de físico a químico.
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 16
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
Antes de la guerra, el Radium Insititut de Viena le había prestado 250 miligramos de radio para
que pudiera hacer sus experimentos, pues en 1914 dicho Instituto se lo podía permitir. El
gobierno inglés se lo confiscó aunque le otorgaba “licencia” para poder utilizarlo. Rutherford
jamás reconoció dicha confiscación y exigió la autorización para devolver el material una vez
concluidas las hostilidades y en caso que no se lo permitieran, adquirirlo mediante una compra en
toda regla.
Por supuesto, el gobierno no le devolvió el radio (la integridad no es una característica habitual de
los gobernantes) y Meyer le notificó que el precio del elemento estaba por las nubes; más que
eso: que era astronómico. Pero Rutherford no se dejó intimidar. Consiguió reunir el dinero y les
pagó en concepto del radio. Gracias a ese dinero, dicho instituto pudo sobreponerse a los años
difíciles de la desvalorización monetaria.
Precisamente, por ser de ese tipo de personas, Rutherford enseñó en Manchester y no en Oxford
o Cambridge. No por su acento neozelandés o por su origen rural o por su acento poco cuidado,
sino porque jamás mostró la deferencia que se esperaba de él hacia sus superiores.
Decían de él que era un gigantón con una voz atronadora y que hacía trabajar hasta el límite a
todos sus discípulos. Su mejor colaborador del momento, Frederick Soddy dijo de él:
Rutherford y sus emanaciones radiactivas, así como su inagotable actividad, me tuvo
muchas semanas al borde del colapso, y lo abandoné todo para seguirlo. Durante más de
dos años, la actividad científica llegó a ser tan febril como sería raro que un individuo
desarrollara en toda su vida, raro incluso para la vida media de toda una institución.
Lo único que reprocharía a Rutherford es el comportamiento que tuvo como profesor con alguna
mujer cuando empezaban a hacerse un espacio en la Universidad. Una de sus alumnas fue
Cecilia Payne (cuya historia dejamos pendiente) y, a veces, provocaba situaciones para que
todos los alumnos varones se rieran de ella. Pero bueno, chicas, antes de que lo pongáis como
blanco de vuestras furiosas críticas sabed que una de las cosas para las que utilizó su fama fue
para luchar por que se garantizara la igualdad de derechos entre hombres y mujeres en la
Universidad; y creo que para la época hay que descubrirse ante esa actitud.
A pesar que exigía trabajo duro a sus hombres, fue el más firme defensor de aquellos que
trabajaban. Cuando los nazis llegaron al poder y se empezó a ver que los científicos no arios iban
a tener problemas, los británicos fundaron la Sociedad para la Protección de la Ciencia y el
Conocimiento. Rutherford fue el primer presidente de esa Sociedad. Su misión principal era
aceptar desde Gran Bretaña a todos los científicos que Alemania iba a expulsar. Beveridge, otro
que jugó un papel fundamental en la creación de dicha sociedad dijo: Fue la actitud de
Rutherford, más que ninguna otra cosa, lo que hizo posible constituir el Consejo con la esperanza
de lograr un apoyo general entre los científicos. Le encontré en un estado de explosiva
indignación ante el tratamiento que estaban siendo expuestos colegas suyos cuyo trabajo
conocía íntimamente y que respetaba en grado sumo.
Fue nombrado Lord y las dos únicas veces que cumplió funciones como tal fue hablando en la
cámara de sus homólogos para apoyar la investigación científica e industrial y, como ya hemos
dicho, hacer campaña a favor de que se garantizara la igualdad de derechos de las mujeres en la
universidad. Clamó en público por eliminar la censura gubernamental en la BBC, solicitó que se
concedieran más becas de investigación para los jóvenes de las colonias. Como antifascista
convencido apoyó a la República Española y a todos los científicos que quisieron huir de Hitler,
salvo a Fritz Haber, que había sintetizado los gases letales utilizados durante la Primera Guerra
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 17
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
Mundial. Trató de organizar una campaña mundial para prohibir el uso de los aviones en las
guerras futuras y manifestó su temor que la energía nuclear pudiera ser utilizada con fines
bélicos.
Animó la vida científica y cultural de su país, Nueva Zelanda. Precisamente, cuando iba a su país
de visita, era un acontecimiento de lo más sonado. Sus charlas sobre el núcleo atómico se
llenaban a rebosar. Alentó a los jóvenes científicos neozelandeses a que ayudaran a los
granjeros y aconsejó a los políticos para que crearan un departamento de investigación científica
e industrial.
¿Puede una persona no tener modestia y ser humilde a la vez? Pues sí, y Rutherford fue un buen
ejemplo de ello. Todos sus discípulos resaltaron la doble faceta de este hombre. Siempre lo
pusieron por las nubes y es que los que pasaron por sus manos llegaron muy lejos muchas veces
por sugerencias suyas. ¿Recordáis cuando Urey se negó a firmar como coautor en el trabajo de
Miller para no quitarle fama? Pues bien, muchos años antes ya lo había hecho nuestro héroe de
hoy quien consideraba, además, que el mérito era de ellos.
Se negó a firmar el artículo de Geiger y Marsden donde anunciaban el descubrimiento del
núcleo atómico y también se negó a firmar el artículo de Chadwick donde anunciaba el
descubrimiento del neutrón, que nuestro hombre había predicho doce años atrás. Cuando
Cockroft y Wilson le pidieron que firmara el artículo donde describían la ruptura de
núcleos utilizando aceleradores (Rutherford ya había hecho la primera reacción nuclear
artificial) rehusó amablemente.
Murió en 1937. Sus últimas palabras las dijo a su mujer pidiéndole que se encargara de enviar
fondos al Nelson College de Nueva Zelanda, donde había recibido la formación que le permitió
salir de la pobreza rústica e incorporarse a la vida científica en Inglaterra. Su mujer le contestó
que su enfermedad era lo bastante seria como para que no se preocupara por ello. Un hombre
íntegro y agradecido, sin duda.
En el momento de su muerte había una reunión de físicos en Bologna en la que celebraban el
200 aniversario del nacimiento de Luigi Galvani. Desde Cambridge enviaron la noticia y Bohr
aceptó comunicarla. Con voz vacilante y los ojos llenos de lágrimas, Bohr explicó a los científicos
allí reunidos lo que había sucedido. Cayó a todos como un jarro de agua fría.
Oliphant recordaba que Bohr “dijo con el corazón la deuda que tenía la ciencia hacia aquel gran
hombre a quien él había tenido el privilegio de llamar maestro y amigo”. Más tarde Bohr afirmó:
“La vida es más pobre sin él; pero cada pensamiento que tengamos sobre él será un estímulo
duradero”.
Quien mejor identificó su lugar en la Historia de la Ciencia
fue James Jeans:
Voltaire dijo una vez que Newton fue el científico más
afortunado por ser el único que descubrió las leyes
que gobiernan el Universo. Si Voltaire hubiera vivido
en una época posterior tendría que haber dicho algo
similar de Rutherford y el reino de lo infinitamente
pequeño, pues Rutherford fue el Newton de la Física
Atómica.
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 18
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
Enseñando a pensar. ... Sir. Ernest Rutherford y Niels Bohr
Sir Ernest Rutherford, presidente de la Sociedad Real Británica y premio Nobel de Química
en 1908, contaba la siguiente anécdota:
Hace algún tiempo, recibí la llamada de un colega. Estaba a punto de poner un cero a un
estudiante por la respuesta que había dado en un problema de física, pese a que éste afirmaba
con rotundidad que su respuesta era absolutamente acertada. Profesores y estudiantes
acordaron
pedir
arbitraje
de
alguien
imparcial
y
fui
elegido
yo.
Leí la pregunta del examen y decía: "Demuestre cómo es posible determinar la altura de un
edificio con la ayuda de un barómetro".
El estudiante había respondido: "Lleva el barómetro a la azotea del edificio y átale una cuerda
muy larga. Descuélgalo hasta la base del edificio, marca y mide. La longitud de la cuerda es igual
a la longitud del edificio".
Realmente, el estudiante había planteado un serio problema con la resolución del ejercicio,
porque había respondido a la pregunta correcta y completamente.
Por otro lado, si se le concedía la máxima puntuación, podría alterar el promedio de su año de
estudios, obtener una nota más alta, y así certificar su alto nivel en física; pero la respuesta no
confirmaba que el estudiante tuviera ese nivel.
Sugerí que se le diera al alumno otra oportunidad. Le concedí seis minutos para que me
respondiera la misma pregunta, pero esta vez con la advertencia de que en la respuesta debía
demostrar sus conocimientos de física.
Habían pasado cinco minutos y el estudiante no había escrito nada. Le pregunté si deseaba
marcharse, pero me contestó que tenía muchas respuestas al problema. Su dificultad era elegir la
mejor de todas. Me excusé por interrumpirle y le rogué que continuara."
En el minuto que le quedaba escribió la siguiente respuesta: Coge el barómetro y lánzalo al suelo
desde la azotea del edificio, calcula el tiempo de caída con" un cronómetro. Después se aplica la
formula altura = 0.5 por A por 12. Y así obtenemos la altura del edificio. En este punto le pregunté
a mi colega si el estudiante se podía retirar. Le dio la nota
más alta.
Tras abandonar el despacho, me reencontré con el
estudiante y le pedí que me contara sus otras respuestas a
la pregunta. Bueno, respondió, hay muchas maneras, por
ejemplo, coges el barómetro en un día soleado y mides la
altura del barómetro y la longitud de su sombra. Si medimos
a continuación la longitud de la sombra del edificio y
aplicamos una simple proporción, obtendremos también la
altura del edificio.
Perfecto, le dije, ¿y de otra manera? Sí, contestó, este es un
procedimiento muy básico para medir un edificio, pero
también sirve. En este método, coges el barómetro y te
sitúas en las escaleras del edificio en la planta baja. Según
subes las escaleras, vas marcando la altura del barómetro y
cuentas el número de marcas hasta la azotea. Multiplicas al
final la altura del barómetro por el número de marcas que
has hecho y ya tienes la altura. Este es un método muy
directo
Por supuesto, si lo que quiere es un procedimiento más
sofisticado, puede atar el barómetro a una cuerda y moverlo
como si fuera un péndulo. Si calculamos que cuando el
barómetro está a la altura de la azotea la gravedad es cero y si tenemos en cuenta la medida de
la aceleración de la gravedad al descender el barómetro en trayectoria circular al pasar por la
perpendicular del edificio, de la diferencia de estos valores, y aplicando una sencilla fórmula
trigonométrica, podríamos calcular, sin duda, la altura del edificio.
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 19
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
En este mismo estilo de sistema, atas el barómetro a una cuerda y lo descuelgas desde la azotea
a la calle. Usándolo como un péndulo puedes calcular la altura midiendo su periodo de presesión.
En fin, concluyó, existen otras muchas maneras. Probablemente, la mejor sea coger el barómetro
y golpear con él la puerta de la casa del conserje. Cuando abra, decirle: "Señor conserje, aquí
tengo un bonito barómetro. Si usted me dice la altura de este edificio, se lo regalo". En este
momento de la conversación, le pregunté si no conocía la respuesta convencional al problema (la
diferencia de presión, marcada por un barómetro en das lugares diferentes, nos proporciona la
diferencia de altura entre ambos lugares) evidentemente, dijo que la conocía, pero que durante
sus estudios, sus profesores habían intentado enseñarle a pensar.
El estudiante se llamaba Niels Bohr, físico danés, premio Nóbel de Física en 1922, más
conocido por ser el primero en proponer el modelo de átomo con protones y neutrones y
los electrones que lo rodeaban. Fue fundamentalmente un innovador de la teoría cuantica.
Al margen del personaje, lo divertido y curioso de la anécdota, lo esencial de esta historia es que LE
HABÍAN ENSEÑADO A PENSAR.
Tomado de la Revista:
Pedagogía (Nov. 2003), Compartiendo experiencias,
Mex. D.F, Año 1 Num. 0.
DIFICULTADES EN EL MODELO ATOMICOS DE RUTHERFORD
Rutherford llamo a la concentración de carga positiva : núcleo del átomo..Se hace la suposición
de que todos los electrones pertenecientes al átomo se
encuentran en un volumen relativamente grande fuera del
núcleo. Para explicar la razón por la cual los electrones no
son atraídos hacia el núcleo debido a la fuerza de atracción
eléctrica, Rutherford los represento moviéndose en orbitas
alrededor del núcleo de la misma forma en que los planetas
giran alrededor del Sol. Por esta razón, el modelo a menudo
se conoce como el modelo planetario del átomo.
Existen dos dificultades básicas con el modelo planetario:
Un átomo emite (y absorbe) ciertas frecuencias características y especificas de la radiación
electromagnéticas, el modelo de Rutherford no puede
explicar este fenómeno. Además los electrones de
Rutherford se encuentran sujetos a la aceleración
centrípeta.
De
acuerdo
con
la
teoría
del
electromagnetismo de Maxwell, las cargas aceleradas de
forma centrípeta con una frecuencia f debieran radiar
ondas electromagnéticas con una frecuencia f.
Desafortunadamente este modelo clásico conduce a una
predicción de autodestrucción cuando se le aplica al
átomo. Conforme el electrón irradia, se emite energía del
átomo, el radio de la orbita del electrón disminuye
gradualmente, y su frecuencia de revolución se
incrementa. Esto provocaría una frecuencia en constante incremento de la radiación emitida y el
colapso final del átomo cuando el electrón se precipitase hacia el núcleo
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 20
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
R.SERWAY – J. JEWETT
SOLUCIONARIO
FISICA.
Tomo II. 6º Edición.2005. México. Cap. 20.Pág.688
Sección 20,2.
Sección 20,2 : Los primeros modelos del átomo
3. De acuerdo con la física clásica, una carga e que se mueve con una aceleración a radia a
una razón de
dE
1 e2a 2

dt
6 0 c 3
(a) Demuestre que un electrón en un átomo de
hidrogeno clásico (véase la figura 20,6) se mueve
en espiral hacia el núcleo a una rapidez de :
dr
e4

dt
12 2 02 r 2 me2 c 3
FIGURA
20,6 r = 0 ,
(b) Determine el intervalo de tiempo al final del cual el electrón
alcanzara
-20
empezando desde : r0 = 2  10 m
Solución
Parte (a)
Tenemos :
dE
1 e2a 2

dt
6 0 c 3
Sabemos que a 
2
v
r
integramos y reemplazo :
También :
k 2e4
 m2v 4
2
r
Obtengo:
1 e 2 1 k 2e 4
E
 
t
6 0 c 3 r 2 m 2 r 2
1 e2
1 e2 v 4
2
E
a  
 t
6 0 c 3
6 0 c 3 r 2
reemplazo el valor de v4 : v 4 
Sabemos también : E= 
k 2e4
m2r 2
1 ke2
2 r
MORENO VEGA , JOSE LUIS |MATEMATICA, FISICA e INFORMATICA 21
[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
1 ke2
1 e2 1 k 2e 4


 
t
2 r
6 0 c 3 r 2 m 2 r 2
Reemplazo
Simplifico y reduzco :
Derivo :
1
1
1
e4
r
 

t
3 0 c 3 4 0 m 2 r 2
dr
1
e4


dt
12 2 02 me2 r 2 c 3
l.q2.d.
Parte (b)
De la expresión :
dr
1
e4


dt
12 2 02 me2 r 2 c 3
e4
r dr  

dt
12 2 02 me2 c 3
1
2
Ordeno :

r0
Integro : r
Reduzco :
e4
r dr   
 2 3 dt
0 12 2 2
me c
0
2
t
1
r03
1
e4


t
3 12 2 02 me2 c 3
Reemplazo los valores , donde :
r0 = 2  10-20 m
1
0 
 permitividad del espacio libre  8,854 187 817  10 -12 C 2 / N .m 2
0c 2
 0  permeabili dad del espacio libre  4  10 -7 T .m / A
me= 9,109 381 88  10-31 kg
1
c = velocidad luz =
=2,997 924 58  108 m/s
0  0
Obtengo :  t = 0,846 ns
4. En el experimento de dispersión de Rutherford, existen partículas alfa de 4 MeV(núcleos
de 4 He que contienen 2 protones y 2 neutrones que se dispersan en núcleos de oro(que
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[LOS PRIMEROS MODELOS DE ATOMO] FISICA ATOMICA Y NUCLEAR
contienen 79 protones y 118 neutrones).Suponga que una partícula alfa en particular
colisiona directamente con el núcleo de oro y se dispersa hacia atrás a 180º.Determine (a)
la distancia del máximo acercamiento de la partícula alfa al núcleo de oro y (b) la fuerza
máxima ejercida sobre la partícula alfa. Suponga que el núcleo de oro permanece fijo
durante todo el proceso.
Solución
Parte (a)
Ei  U f  E f  U f
Sabemos :
Reemplazo :
E
qq
1 2
mv  k 1 2
2
d
Reemplazo valores : E = k
(2e)(79e)
d
Obtengo d= 56,8 fm
Parte (b)
Para la fuerza :
F k
q1 q 2
d2
Reemplazo valores : F = 11,3 N
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