Experimento de Geiger-Marsden

El experimento Geiger-Marsden  o experimento de Rutherford [1] [K 1] [2]  es una serie de experimentos iniciados por Rutherford , realizados entre 1909 y 1913 por Hans Geiger y Ernst Marsden , que sirvieron como prueba decisiva del modelo planetario del átomo Encontraron partículas alfa desviadas en grandes ángulos al pasar a través de una fina lámina de oro. Solo una de las 8000 partículas alfa se dispersó en ángulos superiores a 90°. A veces se observó retrodispersión de partículas alfa (correspondiente a 180°). El entonces modelo dominante de Thomson del átomo no podía explicar los resultados paradójicos de estos experimentos, ya que la probabilidad de dispersión en ángulos grandes en este modelo debería haber sido del orden de 10 −3500 [3] .

Para explicar la dispersión de las partículas alfa en ángulos grandes, Rutherford en su famoso artículo [4] , publicado en 1911, propuso un nuevo modelo planetario del átomo, en el que casi toda la masa del átomo se concentra en un minúsculo, en comparación con del tamaño del átomo, núcleo superdenso. Según los resultados del procesamiento de las estadísticas de dispersión, en el mismo artículo da cálculos del tamaño del núcleo del átomo de oro, y su resultado difiere en solo un 20% del valor moderno .

El último experimento de 1913 fue muy importante para la física, ya que primero confirmó la hipótesis de la existencia de un núcleo atómico, lo que condujo a un mayor desarrollo del modelo planetario del átomo de Rutherford .

Antecedentes

Teorías previas de la estructura del átomo

Una teoría popular de la estructura atómica en el momento del experimento de Rutherford era el " modelo del pudín de ciruelas ", el modelo del átomo de Thomson, aunque él mismo no llamó así a su modelo [5] . Este modelo fue diseñado por Lord Kelvin y desarrollado por J. J. Thomson . Thomson es un investigador que descubrió el electrón , que forma parte de todo átomo. Thomson imaginó el átomo como una esfera cargada positivamente con electrones dispersos a su alrededor, un poco como una pasa en un pudín de Navidad [6] . En ese momento se desconocía la existencia de protones y neutrones . Se sabía que los átomos eran muy pequeños (Rutherford sugirió que su radio era del orden de 10 −8 m [4] ). Este modelo está completamente basado en la física y la electrodinámica clásica (newtoniana); mientras que el modelo actualmente aceptado utiliza la mecánica cuántica [7] .

El modelo de Thomson no fue generalmente aceptado incluso antes de los experimentos de Rutherford. El propio Thomson nunca pudo desarrollar un modelo completo y estable de su concepto. El científico japonés Hantaro Nagaoka rechazó el modelo de Thomson sobre la base de que las cargas opuestas no pueden penetrar entre sí [8] . En cambio, propuso que los electrones deberían girar alrededor de una carga positiva, como los anillos alrededor de Saturno [9] .

Consecuencias del modelo de pudín de ciruelas

Una partícula alfa  es una partícula submicroscópica de materia cargada positivamente. De acuerdo con el modelo de Thomson, si una partícula alfa choca con un átomo, simplemente volaría en línea recta, desviándose una fracción de grado como máximo. A escala atómica, el concepto de "materia sólida" pierde su significado. Un átomo de Thomson es una esfera con carga eléctrica positiva, fijada en su lugar por su masa. Por lo tanto, una partícula alfa no rebota en un átomo como una pelota, pero puede atravesarlo si los campos eléctricos del átomo son lo suficientemente débiles como para permitirlo. El modelo de Thomson predijo que los campos eléctricos en un átomo son demasiado débiles para afectar fuertemente a una partícula alfa que vuela a través de él a alta velocidad. Tanto las cargas negativas como las positivas dentro del átomo de Thomson se distribuyen por todo el volumen del átomo. Según la ley de Coulomb , cuanto menos concentrada sea la esfera de carga eléctrica, más débil será el campo eléctrico en la superficie de esta esfera [10] [11]

Como ejemplo de trabajo, considere una partícula alfa que pasa tangencialmente a un átomo de oro en el modelo de Thomson, donde experimentará el campo eléctrico más fuerte y, por lo tanto, experimentará la desviación máxima por θ . Dado que los electrones son muy ligeros en comparación con las partículas alfa, su influencia puede despreciarse, por lo que el átomo puede considerarse como una esfera pesada con carga positiva [12] .

Q n  es la carga positiva del átomo de oro ( 79 e = 1.266⋅10 -17  C ) Q α  es la carga de la partícula alfa ( 2 e = 3.204⋅10 -19  C ) r  es el radio del átomo de oro ( 1.44⋅10 -10  m ) v α  es la velocidad de la partícula alfa ( 1.53⋅10 7  m/s ) m α  es la masa de la partícula alfa ( 6.645⋅10 -27  kg ) k  - Constante de Coulomb ( 8.998⋅10 9  N m 2 /C 2 )

Usando la física clásica, el cambio de momento transversal Δp de una partícula alfa se puede aproximar usando la relación entre el momento y la expresión de la fuerza de Coulomb [13] [14] :

Por lo tanto, en ángulos pequeños

El cálculo anterior es solo una aproximación de todo el proceso de lo que sucede cuando una partícula alfa se acerca a un átomo de Thomson, pero la respuesta exacta para la desviación será, en el mejor de los casos, del orden de una pequeña fracción de grado. Si una partícula alfa pasara a través de una hoja de oro de aproximadamente 0,4 micrómetros (2410 átomos) de espesor y experimentara la desviación máxima en la misma dirección (esto es poco probable), entonces la desviación seguiría siendo pequeña [4] .

Resultados de los experimentos

Bajo la dirección de Rutherford, Geiger y Marsden llevaron a cabo una serie de experimentos en los que dirigieron un haz de partículas alfa sobre una delgada hoja de metal y midieron el diagrama de dispersión usando una pantalla fluorescente . Se dieron cuenta de que las partículas alfa rebotan en la lámina de metal en todas las direcciones, algunas directamente en la dirección de la fuente. Según el modelo de Thomson, esto debería haber sido imposible; todas las partículas alfa tenían que pasar. Obviamente, estas partículas chocaron con una fuerza electrostática mucho mayor que la sugerida por el modelo de Thomson. Además, solo una pequeña fracción de las partículas alfa se desviaron más de 90°. La mayoría de las partículas volaron directamente a través de la lámina con poca desviación [15] .

Para explicar este extraño resultado, Rutherford sugirió que la carga positiva del átomo estaba concentrada en un diminuto núcleo en su centro. Esto, a su vez, significaba que la mayor parte del volumen del átomo era espacio vacío [16] .

Historia de una serie de experimentos

Ernest Rutherford fue profesor de física en la Universidad Victoria de Manchester [17] (ahora la Universidad de Manchester ). Ya ha recibido numerosos premios por sus investigaciones sobre la radiación. Rutherford descubrió la existencia de los rayos alfa , rayos beta y rayos gamma y demostró que eran el resultado de la descomposición de los átomos . En 1906, un físico alemán llamado Hans Geiger lo visitó , y Rutherford quedó tan impresionado que le pidió a Geiger que se quedara y lo ayudara con su investigación. Ernest Marsden era un estudiante de física que estudió con Geiger [18] .

Las partículas alfa  son diminutas partículas cargadas positivamente que son emitidas espontáneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio . Rutherford los descubrió en 1899. En 1908, trató de medir con precisión la relación carga-masa (la carga específica del electrón ) para ellos. Para hacer esto, primero necesitaba saber cuántas partículas alfa emitía su muestra de radio (después de lo cual midió su carga total y dividió un valor por otro). Las partículas alfa son demasiado pequeñas para verse con un microscopio, pero Rutherford sabía que las partículas alfa ionizan las moléculas de aire, y si el aire está en un campo eléctrico, los iones crearán una corriente eléctrica. Basándose en este principio, Rutherford y Geiger desarrollaron un dispositivo de conteo simple que constaba de dos electrodos en un tubo de vidrio. Cada partícula alfa que pasa a través del tubo crea un pulso de electricidad, cuyo número se puede contar. Esta fue una versión temprana del contador Geiger [18] .

El contador inventado por Geiger y Rutherford resultó ser poco fiable porque las partículas alfa se desviaban demasiado debido a sus colisiones con las moléculas de aire dentro de la cámara del dispositivo. Las trayectorias altamente variables de las partículas alfa significaron que no todas generaron la misma cantidad de iones a medida que pasaban a través del gas, lo que provocó lecturas erróneas. Esto desconcertó a Rutherford porque pensó que las partículas alfa eran demasiado pesadas para ser desviadas tanto. Rutherford le pidió a Geiger que averiguara cuánta materia puede dispersar los rayos alfa [18] .

Los experimentos que desarrollaron consistieron en bombardear una lámina de metal con partículas alfa para ver cómo la lámina las dispersa según el grosor y las propiedades del material. Usaron una pantalla fluorescente para medir la trayectoria de las partículas. Cada impacto de una partícula alfa en la pantalla producía un pequeño destello de luz. Geiger trabajó durante horas en un laboratorio a oscuras contando estos pequeños centelleos con un microscopio [11] . Rutherford no tenía suficiente resistencia para este trabajo, por lo que se lo dejó a sus colegas más jóvenes [19] . Para la hoja de metal, probaron una variedad de metales, pero eligieron el oro porque la maleabilidad del oro hace que la hoja sea muy delgada [20] . Como fuente de partículas alfa, Rutherford utilizó radón , una sustancia varios millones de veces más radiactiva que el uranio [7] .

Experimento de 1908

El artículo de Geiger de 1908 Sobre la dispersión de partículas α por la materia describe el siguiente experimento [21] . Construyó un largo tubo de vidrio, de casi dos metros de largo. En un extremo del tubo había una " emanación de radio " (R) que servía como fuente de partículas alfa. El extremo opuesto del tubo se cubrió con una pantalla fosforescente (Z). Había una ranura de 0,9 mm de ancho en el medio del tubo. Las partículas alfa de la fuente R atravesaron la rendija y crearon puntos luminosos en la pantalla. Se utilizó un microscopio con aumento de 50x (M) para contar los centelleos en la pantalla y dispersarlos. Geiger evacuó todo el aire del tubo para que las partículas alfa no se dispersaran demasiado y dejaran una imagen brillante y nítida en la pantalla, correspondiente a la forma de la rendija. Entonces Geiger dejó entrar un poco de aire en el tubo y el punto brillante se volvió más borroso. Luego, Geiger extrajo el aire y colocó una hoja de oro en la ranura AA. Esto también condujo al hecho de que el punto de luz en la pantalla se volvió más borroso. Este experimento demostró que tanto el aire como la materia sólida pueden dispersar notablemente las partículas alfa. El aparato, sin embargo, hizo posible observar solo pequeños ángulos de desviación. Rutherford quería saber si las partículas alfa se dispersan en ángulos aún mayores, quizás más de 90° [21] [7] .

Experimento de 1909

En su artículo de 1909 Sobre la reflexión difusa de las partículas alfa, Geiger y Marsden describieron un experimento mediante el cual demostraron que las partículas alfa podían, de hecho, dispersarse en ángulos superiores a 90° [22] . En su experimento, prepararon un pequeño tubo cónico de vidrio (AB) que contenía "radiación de radio" ( radón ), "radio A" (radio real) y "radio C" ( bismuto- 214); su extremo abierto estaba sellado con mica . El tubo sirvió como emisor de partículas alfa. Luego instalaron una placa de plomo (P) detrás de la cual colocaron una pantalla fluorescente (S). El tubo se mantuvo en el lado opuesto de la placa para que las partículas alfa que emitía no pudieran golpear directamente la pantalla. Notaron algunos parpadeos en la pantalla porque algunas de las partículas alfa volaron alrededor de la placa, rebotando en las moléculas de aire. Luego colocaron una hoja de metal (R) en el costado de la placa de plomo. Apuntaron el tubo hacia la lámina para ver si las partículas alfa podían rebotar y golpear la pantalla del otro lado de la placa, y observaron un aumento en el número de centelleos en la pantalla. Al contar los centelleos, encontraron que los metales de mayor masa atómica como el oro (plomo, platino) reflejan más partículas alfa que los más livianos como el aluminio [7] .

Geiger y Marsden luego querían estimar el número total de partículas alfa reflejadas. La configuración anterior no era adecuada para esto porque el tubo contenía varias sustancias radiactivas (radio más sus productos de desintegración) y, por lo tanto, las partículas alfa emitidas tenían diferentes energías , y porque les resultaba difícil determinar a qué velocidad el tubo emitía partículas alfa. Esta vez colocaron una pequeña cantidad de radio C (bismuto-214) en una placa de plomo; las partículas alfa rebotaron en el reflector de platino (R) y golpearon la pantalla. Descubrieron que solo una pequeña fracción de las partículas alfa que golpeaban el reflector rebotaba en la pantalla (en este caso, 1 en 8,000) [22] .

Experimento de 1910

El artículo de Geiger de 1910 "The Scattering of α Particles by Matter" describe un experimento mediante el cual buscó medir cómo el ángulo más probable por el cual se desvía una partícula α varía con el material por el que pasa, el grosor de la lámina y la velocidad. partículas alfa [23] . Construyó un tubo de vidrio sellado del que se bombeaba aire. En un extremo había una bombilla (B) que contenía "radiación de radio" ( radón- 222). Usando mercurio, el radón en B se bombeó a través de un tubo de vidrio angosto, cuyo extremo en A estaba lleno de mica . En el otro extremo del tubo había una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente (S). El microscopio que usó para contar los destellos en la pantalla estaba conectado a una escala milimétrica vertical con un vernier, lo que permitió a Geiger medir con precisión dónde aparecían los destellos de luz en la pantalla y, por lo tanto, calcular los ángulos de desviación de las partículas. El ancho del haz de partículas alfa emitidas desde A se redujo a un haz que pasa a través de un pequeño orificio redondo en D. Geiger colocó una hoja de metal en el camino de los haces en D y E para observar los cambios en los destellos en el pantalla. También podría cambiar la velocidad de las partículas alfa colocando láminas adicionales de mica o aluminio en el punto A.

Con base en las mediciones, Geiger llegó a las siguientes conclusiones:

Modelo matemático del patrón de dispersión

Teniendo en cuenta los resultados de los experimentos anteriores, Rutherford publicó en 1911 un artículo histórico titulado "Dispersión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo", en el que sugirió que una carga eléctrica estaba contenida en el centro. del átomo, que ocupaba un volumen muy pequeño (de hecho, Rutherford en sus cálculos lo considera como una carga puntual) [4] . A los efectos de sus cálculos matemáticos, supuso que esta carga central era positiva, pero admitió que no podía demostrarlo y que tuvo que esperar los resultados de otros experimentos para refinar su teoría.

Rutherford desarrolló una ecuación matemática que describe la dispersión de las partículas alfa por la lámina, siempre que toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atómica se concentren en un punto en el centro del átomo [24] :72–74 .

s  es el número de partículas alfa que caen por unidad de área en el ángulo de desviación Φ ; r  es la distancia desde el punto de incidencia de los rayos α sobre el material de dispersión; X  es el número total de partículas que inciden sobre el material de dispersión; n  es el número de átomos por unidad de volumen del material; t  es el espesor de la lámina; Q n  es la carga positiva del núcleo atómico; Q α  es la carga positiva de las partículas alfa; m  es la masa de la partícula alfa; v  es la velocidad de la partícula alfa.

A partir de los datos de dispersión, Rutherford estimó que la carga central Q n era de aproximadamente +100 unidades (consulte el modelo de Rutherford ) [4] .

Experimento de 1913

En el artículo de 1913 "Las leyes de la desviación angular grande de las partículas α", Geiger y Marsden describieron una serie de experimentos con los que intentaron probar el modelo de Rutherford experimentalmente. Predice que el número de destellos por minuto s que se observarán en un ángulo dado Φ debe ser proporcional a [25] :

  1. csc 4 (Φ/2) ;
  2. espesor de lámina t ;
  3. el cuadrado de la carga central Q n ;
  4. 1 /( mv 2 ) 2 .

El documento de 1913 describe cuatro experimentos mediante los cuales demostraron cada una de estas cuatro relaciones.

Para probar cómo cambia la dispersión con el ángulo de desviación (es decir, si s ∝ csc 4 (Φ/2) ), Geiger y Marsden construyeron un instrumento que consistía en un cilindro de metal hueco montado en una plataforma giratoria. Dentro del cilindro había una hoja de metal (F) y una fuente de radiación que contenía radón (R) montada en una columna separada (T) que permitía que el cilindro girara de forma independiente. La columna también era un tubo a través del cual se bombeaba aire fuera del cilindro. Un microscopio (M) con una lente objetivo revestida con una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente (S) penetró la pared del cilindro y enfocó la superficie de la lámina metálica. Al girar la mesa, el microscopio podía moverse alrededor de la lámina en un círculo completo, lo que le permitía a Geiger observar y contar las partículas alfa desviadas hasta 150°. Al corregir el error experimental, Geiger y Marsden encontraron que el número de partículas alfa desviadas a través de un ángulo dado Φ es de hecho proporcional a csc 4 (Φ/2) [25] .

Luego, Geiger y Marsden probaron cómo cambia la dispersión con el grosor de la lámina (es decir, si s ∝ t ). Construyeron un disco (S) con seis agujeros perforados. Los orificios se cubrieron con láminas de metal (F) de varios espesores o no se cubrieron en absoluto para el control. Luego, este disco se selló con un anillo de latón (A) entre dos placas de vidrio (B y C). El disco podría girarse usando una varilla (P) para que una de las ventanas pudiera colocarse frente a la fuente de partículas alfa (R). En la luneta trasera se ubicó una pantalla de sulfuro de zinc (Z) . Geiger y Marsden encontraron que el número de centelleos que aparecían en una pantalla de sulfuro de zinc era proporcional al espesor de las películas cuando el espesor indicado era pequeño [25] .

Geiger y Marsden reutilizaron el instrumento anterior para medir cómo cambia el patrón de dispersión con el cuadrado de la carga nuclear (es decir, si s ∝ Q n 2 ). Geiger y Marsden no sabían cuál era la carga positiva de los núcleos de sus metales, pero supusieron que era proporcional al peso atómico, por lo que probaron si la dispersión era proporcional al cuadrado del peso atómico. Geiger y Marsden cubrieron los agujeros del disco con láminas de oro, estaño, plata, cobre y aluminio. Midieron el poder de frenado de cada película, comparándolo con un espesor equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto producido por cada lámina en la pantalla y dividieron el número de centelleos por minuto por el equivalente en aire de la lámina correspondiente, y luego lo dividieron nuevamente por la raíz cuadrada del peso atómico (Geiger y Marsden sabían que para las láminas de igual poder de frenado, el número de átomos por unidad de área es proporcional a la raíz cuadrada de su peso atómico). Así, para cada metal, Geiger y Marsden obtuvieron el número de centelleos producidos por un número fijo de átomos. Luego, para cada metal, dividieron ese número por el cuadrado del peso atómico y encontraron que las proporciones eran más o menos iguales. Así, demostraron que s ∝ Q n 2 [25] .

Finalmente, Geiger y Marsden probaron cómo cambia la dispersión con la velocidad de las partículas alfa (es decir, si s ∝ 1/v 4 ). Usando nuevamente el mismo aparato, ralentizaron las partículas alfa colocando láminas adicionales de mica frente a la fuente de las partículas alfa. Descubrieron que, dentro del error experimental, el número de parpadeos es de hecho proporcional a 1 / v4 [ 25] .

Rutherford determina que el núcleo tiene carga positiva

En su artículo de 1911 [4] , Rutherford sugirió que la carga central del átomo es positiva, pero que la carga negativa también encajaría en su modelo de dispersión [26] . En un artículo de 1913, Rutherford afirmó que el "núcleo" (como lo llamó ahora) estaba realmente cargado positivamente, según los resultados de los experimentos sobre la dispersión de partículas alfa en varios gases [27] .

En 1917, Rutherford y su asistente William Kay comenzaron a investigar el paso de partículas alfa a través de gases como el hidrógeno y el nitrógeno. En un experimento en el que irradiaron hidrógeno con un haz de partículas alfa, las partículas alfa proyectaron núcleos de hidrógeno hacia adelante en la dirección del haz, en lugar de hacerlo en la dirección opuesta. En un experimento en el que irradiaron nitrógeno con partículas alfa, descubrieron que las partículas alfa eliminan los núcleos de hidrógeno (es decir, los protones) de los núcleos de nitrógeno [26] .

Legado

Rutherford se sorprendió cuando Geiger informó de su observación de partículas alfa muy desviadas. En una conferencia dada por Rutherford en la Universidad de Cambridge , dijo [28] :

Fue el evento más increíble que me ha pasado en mi vida. Era casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas a un trozo de papel de seda y volviera y te golpeara. Reflexionando, me di cuenta de que esta retrodispersión debe ser el resultado de una sola colisión, y cuando hice los cálculos, vi que es imposible obtener algo de este orden de magnitud, a menos que tomes un sistema en el que la mayoría de los átomos la masa se concentra en un diminuto núcleo. Fue entonces cuando tuve la idea de un átomo con un centro diminuto y masivo que lleva una carga.

Texto original  (inglés)[ mostrarocultar] Fue el evento más increíble que me ha pasado en mi vida. Fue casi tan increíble como si dispararas un proyectil de 15 pulgadas a un trozo de papel de seda y volviera y te golpeara. Al considerarlo, me di cuenta de que esta dispersión hacia atrás debe ser el resultado de una sola colisión, y cuando hice los cálculos vi que era imposible obtener algo de ese orden de magnitud a menos que se tomara un sistema en el que la mayor parte de la masa del átomo se concentró en un núcleo diminuto. Fue entonces cuando tuve la idea de un átomo con un centro masivo diminuto, que lleva una carga.

Pronto llegaron los elogios. Hantaro Nagaoka , quien una vez propuso el modelo saturnino del átomo, escribió a Rutherford desde Tokio en 1911: "Felicitaciones por la simplicidad del aparato que está utilizando y los brillantes resultados que ha obtenido". Los hallazgos de estos experimentos mostraron cómo se organiza toda la materia en la Tierra y, por lo tanto, influyeron en todas las disciplinas científicas y de ingeniería, convirtiéndolo en uno de los descubrimientos científicos más importantes de todos los tiempos. El astrónomo Arthur Eddington calificó el descubrimiento de Rutherford como el logro científico más importante desde que Demócrito propuso la existencia del átomo varios siglos antes [19] .

Como la mayoría de los modelos científicos, el modelo atómico de Rutherford no era ni perfecto ni completo. Según la electrodinámica clásica , esto era virtualmente imposible. Las partículas cargadas que se aceleran irradian ondas electromagnéticas, por lo que un electrón que orbita alrededor de un núcleo atómico teóricamente caería en el núcleo en un patrón en espiral a medida que se pierde energía. Para resolver este problema, los científicos tuvieron que incluir la mecánica cuántica en el modelo de Rutherford [7] . En el mismo año, Niels Bohr propuso una solución al problema de la estabilidad del átomo de hidrógeno, como resultado de lo cual el modelo nuclear del átomo de Rutherford recibió reconocimiento universal [2] .

Uso

La idea del experimento se utiliza directamente en el estudio de materiales con núcleos pesados. Cuando se irradia la superficie del cristal, existe la posibilidad de que las partículas alfa se reflejen en grandes ángulos y hacia la fuente, como demostraron los experimentos de Geiger-Marsden. El experimento utiliza partículas alfa y un acelerador de iones de hasta 1-3 MeV. La medición de la energía de la parte dispersada en función del ángulo proporciona información sobre la composición elemental de la superficie del material [29] .

Notas

Comentarios
  1. ↑ Sin embargo, algunos investigadores consideran incorrecto este nombre, ya que solo puede atribuirse al experimento del propio Rutherford de 1906 ( Leone et al. ).
Fuentes
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Literatura

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