El experimento de Geiger-Marsden, también llamado experimento oro El experimento de lámina o los experimentos de dispersión de partículas α, se refiere a una serie de experimentos de principios del siglo XX que dieron a los físicos su primera visión de la estructura del núcleo atómico y la física que subyace en el mundo cotidiano. Fue propuesto por primera vez por el físico ganador del Premio Nobel Ernest Rutherford.
Por muy familiares que nos resulten ahora términos como electrón, protón y neutrón, a principios del siglo XX, los científicos tenían muy poco concepto de las partículas fundamentales que componían átomos.
De hecho, hasta 1897, los científicos creían que los átomos no tenían estructura interna y creían que eran una unidad indivisible de materia. Incluso la etiqueta «átomo» da esta impresión, dado que se deriva de la palabra griega «atomos», que significa «indivisible».
JJ Thomson modelo del átomo
Pero ese año, el físico de la Universidad de Cambridge, Joseph John Thomson, descubrió el electrón y refutó el concepto de que el átomo no se puede dividir, según británica. Thomson descubrió que los metales emitían partículas cargadas negativamente cuando se iluminaban con luz de alta frecuencia.
Su descubrimiento de los electrones también sugirió que había más elementos en la estructura atómica. Eso es porque la materia suele ser eléctricamente neutra; entonces, si los átomos contienen partículas cargadas negativamente, también deben contener una fuente de carga positiva equivalente para equilibrar la carga negativa.
En 1904, Thomson había sugerido un «modelo de pudín de ciruelas» del átomo en el que un átomo comprende una serie de electrones cargados negativamente en una esfera de carga positiva uniforme, distribuidos como arándanos en un muffin.
Sin embargo, el modelo tenía serias deficiencias, principalmente la naturaleza misteriosa de esta esfera cargada positivamente. Un científico que se mostró escéptico ante este modelo de átomos fue Rutherford, quien ganó el premio nobel de quimica por su descubrimiento de 1899 de una forma de desintegración radiactiva a través de partículas α: dos protones y dos neutrones unidos e idénticos a un helio-4 núcleos, aunque los investigadores de la época no lo supieran.
El descubrimiento ganador del Nobel de Rutherford de las partículas α formó la base del experimento de la hoja de oro, que arrojó dudas sobre el modelo del pudín de ciruelas. Su experimento probaría la estructura atómica con partículas α de alta velocidad emitidas por una fuente radiactiva. Inicialmente entregó su investigación a dos de sus protegidos, Ernest Marsden y Hans Geiger, según Britannica.
Rutherford razonó que si el modelo de pudín de ciruelas de Thomson era correcto, entonces cuando una partícula α choca con una fina lámina de oro, la partícula debería atravesarla con una desviación mínima. Esto se debe a que las partículas α son 7.000 veces más masivas que los electrones que presumiblemente formaban el interior del átomo.
Experimentos con láminas de oro
Marsden y Geiger realizaron los experimentos principalmente en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester en el Reino Unido entre 1908 y 1913.
El dúo utilizó una fuente radiactiva de partículas α frente a una fina lámina de oro o platino rodeado de pantallas fluorescentes que brillaban cuando eran golpeadas por las partículas desviadas, lo que permitía a los científicos medir el ángulo de desviación.
El equipo de investigación calculó que si el modelo de Thomson era correcto, la desviación máxima debería ocurrir cuando la partícula α rozaba un átomo que encontraba y, por lo tanto, experimentaba la fuerza electrostática transversal máxima. Incluso en este caso, el modelo de pudín de ciruelas predijo un ángulo de desviación máximo de solo 0,06 grados.
Por supuesto, una partícula α que pasa a través de una lámina de oro extremadamente delgada aún se encontraría con unos 1.000 átomos y, por lo tanto, sus desviaciones serían esencialmente aleatorias. Incluso con esta dispersión aleatoria, el ángulo máximo de refracción si el modelo de Thomson fuera correcto sería de poco más de medio grado. La posibilidad de que una partícula α se refleje era de solo 1 en 10 ^ 1,000 (1 seguido de mil ceros).
Sin embargo, cuando Geiger y Marsden realizaron su experimento homónimo, encontraron que en aproximadamente el 2% de los casos, la partícula α sufría grandes desviaciones. Aún más impactante, alrededor de 1 de cada 10.000 partículas α se reflejaron directamente desde la lámina de oro.
Rutherford explicó cuán extraordinario fue este resultado, comparándolo con disparar un proyectil (proyectil) de 15 pulgadas (38 centímetros) a una hoja de papel de seda y hacer que rebote hacia ti, según Britannica
¿Modelo de Rutherford del átomo?
Por extraordinarios que fueran, los resultados de los experimentos de Geiger-Marsden no causaron sensación de inmediato en la comunidad física. Inicialmente, los datos pasaban desapercibidos o incluso ignorados, según el libro «Física cuántica: una introducción» por J. Manners.
Sin embargo, los resultados tuvieron un efecto profundo en Rutherford, quien en 1910 se dispuso a determinar un modelo de estructura atómica que reemplazaría al modelo de budín de ciruelas de Thomson, escribió Manners en su libro.
El modelo de Rutherford del átomo, presentado en 1911, proponía un núcleo, donde se concentraba la mayor parte de la masa de la partícula, según Britannica. Rodeando este diminuto núcleo central había electrones, y la distancia a la que orbitaban determinaba el tamaño del átomo. El modelo sugería que la mayor parte del átomo era espacio vacío.
Cuando la partícula α se acerca a 10^-13 metros del núcleo compacto del modelo atómico de Rutherford, experimenta una fuerza repulsiva alrededor de un millón de veces más poderosa que la que experimentaría en el modelo de pudín de ciruelas. Esto explica las dispersiones de gran ángulo observadas en los experimentos de Geiger-Marsden.
Los experimentos posteriores de Geiger-Marsden también fueron fundamentales; el 1913 pruebas ayudó a determinar los límites superiores del tamaño de un núcleo atómico. Estos experimentos revelaron que el ángulo de dispersión de la partícula α era proporcional al cuadrado de la carga del núcleo atómico, o Z, según el libro «Física cuántica de la materia», publicado en 2000 y editado por Alan Durrant.
En 1920, James Chadwick utilizó una configuración experimental similar para determinar el valor Z de varios metales. El físico británico pasó a descubrir el neutrón en 1932, delineándolo como una partícula separada del protón, la Sociedad Americana de Física dijo.
¿Qué hizo bien y mal el modelo de Rutherford?
Sin embargo, el modelo de Rutherford compartía un problema crítico con el anterior modelo de pudín de ciruelas del átomo: los electrones en órbita en ambos modelos deberían estar emitiendo continuamente energía electromagnética, lo que haría que perdieran energía y eventualmente formaran una espiral hacia el núcleo. De hecho, los electrones en el modelo de Rutherford deberían haber durado menos de 10^-5 segundos.
Otro problema que presenta el modelo de Rutherford es que no tiene en cuenta los tamaños de los átomos.
A pesar de estas fallas, el modelo de Rutherford derivado de los experimentos de Geiger-Marsden se convertiría en la inspiración para niels bohrmodelo atómico de hidrógenopor la que ganó un premio nobel de fisica.
Bohr unió el modelo atómico de Rutherford con las teorías cuánticas de Max Planck para determinar que los electrones en un átomo solo pueden tomar valores de energía discretos, lo que explica por qué permanecen estables alrededor de un núcleo a menos que emitan o absorban un fotón o una partícula de luz.
Así, el trabajo de Rutherford, Geiger (quien más tarde se hizo famoso por su invención de un detector de radiación) y Marsden ayudaron a formar los cimientos de ambos. mecánica cuántica y física de partículas.
La idea de Rutherford de disparar un rayo a un objetivo se adaptó a los aceleradores de partículas durante el siglo XX. Quizás el último ejemplo de este tipo de experimento es el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra, que acelera haces de partículas a una velocidad cercana a la de la luz y los golpea entre sí.
Recursos adicionales
Bibliografía
Modelo atómico de ThomsonLúmenes Química para no Mayores,.
Modelo de Rutherford, Britannica, https://www.britannica.com/science/Rutherford-modelo
Partícula alfa, US NRC, https://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/alpha-particle.html
Modales. J., et al, ‘Física cuántica: una introducción’, Open University, 2008.
Durrant, A., et al, ‘Física cuántica de la materia’, Universidad Abierta, 2008
Ernesto Rutherford, británica, https://www.britannica.com/biography/Ernest-Rutherford
Niels Bohr, el premio Nobel, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1922/bohr/facts/
Casa. JE, ‘Orígenes de la teoría cuántica’, Fundamentos de Mecánica Cuántica (Tercera Edición)2018
