Rutherford: la radiactividad y el descubrimiento del núcleo atómico

Geiger y Marsden se acercaron al escritorio de Rutherford. Ern levantó la vista y les preguntó:

—¿Qué tal ha ido el experimento?

—Las partículas alfa están siendo desviadas por la lámina y hemos comprobado que 1 de cada 8000 partículas es rebotada, ¡es desviada con un ángulo mayor de 90º!

—Pero ¡eso es como si dispararas un obús contra una hoja de papel y rebotara!

Ernest Rutherford es conocido principalmente por el descubrimiento del núcleo atómico y por las grandes figuras de la física que estudiaron y trabajaron bajo su dirección. Pero estos hechos que bastarían para definir a una gran figura de la ciencia, solo fueron una parte de su carrera.

Cuando Ern abandonó Nueva Zelanda en 1895 rumbo a Inglaterra tenía 23 años, tres títulos universitarios bajo su brazo y una fama merecida en la experimentación con electricidad. Su primer destino fue el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y allí lo tomó bajo su tutela J.J. Thomson.

Curiosidades de la ciencia.

Thomson y Rutherford, electrón y núcleo. Thomson descubrió el electrón, como ya comentamos en este blog, y tomó bajo su tutela a un joven Rutherford. Pero Ern era un hombre inquieto y, en cuanto tuvo la oportunidad, emigró a Canada para obtener una plaza titular en la Universidad McGill de Montreal. No obstante, el descubrimiento del núcleo no se produjo hasta su regreso a Inglaterra, en concreto a la Universidad de Manchester.

Las investigaciones de Rutherford en Cavendish se centraron inicialmente en la detección de ondas electromagnéticas pero, al ver la gran valía del neozelandés, Thomson le pidió que investigara la propagación de la corriente eléctrica en los gases, alejándole de unos trabajos que parecían encaminarle hacia la creación de la radio. Rutherford además comenzó a interesarse en la radiactividad, muy en boga tras los descubrimientos de Becquerel y los Curie; este interés acabaría dándole grandes alegrías.

Montreal

En 1898, se cruzó una oportunidad inmejorable para Rutherford: la Universidad McGill de Montreal le ofreció una plaza de profesor y un laboratorio envidiable. Era en una época en la que los rayos X eran el elemento favorito de investigación, pero Rutherford estaba más interesado por las emisiones radiactivas de ciertos elementos. Su interés por la radiactividad, a la que muchos habían dado carpetazo cegados por los grandes resultados de los rayos X, a la postre le ayudó a conseguir el premio Nobel y sus descubrimientos más importantes.

Así, descubrió que la radiactividad era producida por la desintegración espontánea de átomos. También estudió los distintos tipos de emisiones producidas, que en concreto eran tres:

– Radiación α (alfa): constituida por partículas α, que son átomos de Helio desprovistos de sus electrones.

– Radiación β (beta): constituida por electrones.

– Radiación γ (gamma): radiación electromagnética de altísima frecuencia y, por tanto, constituida por fotones —al igual que la luz—.

Todavía desconocía la naturaleza exacta de estas partículas, pero sí sabía con certeza que la radiación α estaba compuesta por partículas “pesadas” y, al igual que la  β, resultaba afectada por campos magnéticos.

Junto a un joven químico, Frederick Soddy, la actividad de Rutherford fue febril y publicó sin cesar. Entre los numerosos descubrimientos realizados, estaba la razón del ritmo de desintegración atómica, la transformación de los elementos radiactivos en elementos menos pesados e incluso un método para determinar la antigüedad de muestras geológicas a partir del periodo de desintegración del uranio.

Gráfico incluido por Rutherford en el artículo en el que describió el periodo de desintegración atómica

Gráfico incluido por Rutherford en el artículo en el que describió el periodo de desintegración atómica

Además, Rutherford y Soddy midieron la energía obtenida en la fisión de los distintos elementos, llegando a la siguiente conclusión en el último artículo que publicaron juntos: “la energía latente dentro del átomo debe ser enorme comparada con la liberada en reacciones químicas ordinarias” y especularon sobre la posibilidad de que fuera la principal fuente de energía solar.

Canadá le ofrecía a Rutherford un buen laboratorio y un muy buen sueldo, pero había algo que echaba de menos: la gran actividad científica que se desarrollaba en esos momentos en Inglaterra. Así que Rutherford tomó el camino de vuelta a Inglaterra, esta vez recalando en la Universidad de Manchester.

El premio Nobel

Curiosamente, en el mismo año que Rutherford realizaba su descubrimiento más importante, fue galardonado con el premio Nobel por sus trabajos sobre la radiactividad realizados en la Universidad McGill. Lo más impactante es que el premio Nobel que recibió fue el de química, cuando él nunca se consideró un practicante de esta rama de la ciencia.

Rutherford preparado para recoger el Nobel.

Rutherford preparado para recoger el Nobel.

Manchester

En Manchester, Rutherford se encontró de nuevo con un buen laboratorio —aunque más modesto que el que tenía en Montreal— y con grandes colaboradores. Enseguida tomó como asistente a un joven Hans Geiger, un alemán incansable que rápidamente se convirtió en la mano derecha de Ern.

Junto a Geiger, diseñó un experimento para medir la carga eléctrica de las partículas α, descubriendo que portaban una carga positiva equivalente a la de dos electrones. Así llegaron a la conclusión, tal como ya sospechaba Rutherford, de que las partículas alfa eran átomos de Helio ionizados (habían perdido sus dos electrones).

Las investigaciones con las partículas α continuaron bombardeando objetos para comprobar hasta qué punto conseguían atravesar distintos materiales. Desarrollaron un contador y un método para visualizar la llegada de las partículas mediante una pantalla de zinc. Los rayos de partículas alfa no generaban imágenes nitidas al atraversar los objetos; al contrario que los rayos X, algunas partículas eran desviadas e incluso algunas superaban un desvío de 90º. Rutherford no quiso dejar la oportunidad de estudiar este fenómeno y encargó a Geiger que supervisara a un estudiante llamado Ernest Marsden para comprobar esas desviaciones.

El experimento de Geiger – Marsden

—Hans, quiero que Marsden mida las desviaciones de las partículas α cuando impactan en láminas de oro.

—Pero ¿por qué oro? Es un material muy caro y tenemos otros a mano.

—Porque si queremos la capa más fina posible de material para realizar el experimento, podemos contar con la pericia de un orfebre.

Así que con las finas láminas de oro creadas por un orfebre, Marsden inició el experimento.

Diagrama del experimento de Geiger Marsden

En un tubo (1) se guardaba material fisible y se tapaba con un cristal de mica. La radiación α (3) salía por el tubo llegando a la lámina de oro (5). En su mayor parte, las partículas alfa atravesaban la lámina (6,7) sin notarse perturbación alguna y chocaban con la lámina de zinc (4) produciendo un destello —o como ellos lo llamaban, scintillation—. Sin embargo, algunas de esas partículas eran desviadas e incluso unas pocas eran desviadas más de 90º, rebotando tras golpear la lámina de oro.

Geiger y Marsden le comunicaron los resultados a Rutherford, quien se mostró enormemente sorprendido. Estos resultados provocaron que Ern proclamara la famosa frase con la que iniciábamos esta historia:

 —Es como si dispararas un obús contra una hoja de papel y rebotara.

El nuevo modelo atómico

Hay que recordar que en la época de este experimento, el modelo atómico que los científicos tenían en mente era el de J.J. Thomson, que consistía en una masa de carga positiva en la que se distribuían pequeñas partículas con carga negativa que la igualaban. Era como un rico muffin de carga positiva con ricos trocitos de carga negativa. hmmm.

Un rico átomo de Thomson dispuesto para ser engullido

Un rico átomo de Thomson dispuesto para ser engullido.

Según este modelo, la radiación α atravesaba el material cuando este tenía poco espesor al estar la carga de los átomos uniformemente distribuida. Pero el experimento había demostrado que se producían desviaciones y en algunas ocasiones se producían rebotes (1 de cada 8000 partículas rebotaban).

¿Cómo era posible que rebotaran? Las partículas α viajaban a una enorme velocidad, era lo más parecido a un acelerador de partículas que se tenía en la época. Rutherford, Geiger y Marsden trabajaron en el problema por separado llegando a la misma conclusión: la carga positiva del átomo debía encontrarse localizada en un pequeño volumen para producir desviaciones tan fuertes y con esa frecuencia.

Con esta idea se empezó a gestar el nuevo modelo atómico. El modelo atómico de Rutherford consideraba al átomo similar a un sistema planetario: con un minúsculo núcleo conteniendo la carga positiva y los electrones orbitando alrededor a gran distancia. Esto implicaba que la mayor parte del átomo era vacío.

Este modelo planteaba muchas preguntas, entre ellas:

– ¿Cómo es posible que las partículas positivas se concentren en un volumen tan pequeño? Las cargas eléctricas del mismo tipo se repelen, por lo que debía haber una fuerza de corto alcance y mucha intensidad que las mantuviera unidas —esta fuerza acabó denominándose interacción nuclear fuerte—. Además, Rutherford intuyó que debía haber otras partículas involucradas, intuición que acabó llevando a otro de sus colaboradores, Chadwick, a descubrir el neutrón años más tarde.

– El modelo de Rutherford tenía un grave problema: el electrón moviéndose alrededor del núcleo emitiría energía según la teoría electromagnética, por lo que rápidamente acabaría cayendo hacia el núcleo y la estructura del átomo no sería estable. Bohr viajó a la Universidad de Manchester para poder trabajar con Rutherford y solucionó este problema: situó a los electrones en unas órbitas estables y estos solo ganaban o perdían energía cuando cambiaban de órbita. Pero esto, al igual que la historia de Chadwick, lo dejaremos para otro día.

Creando elementos

Los experimentos con rayos α continuaron, pero en lugar de láminas de metal, Rutherford empezó a utilizar gases para comprobar lo que pasaba en las colisiones. Realizando esta investigación, hizo un descubrimiento asombroso: cuando bombardeaba Nitrógeno con las partículas α, obtenía un resplandor idéntico al que se obtenía al bombardear Oxígeno y que no había obtenido con ningún otro gas. Las partículas α, al colisionar con el núcleo de Nitrógeno, provocaban una reacción nuclear, creando un átomo de Oxígeno y liberando un protón. Rutherford había conseguido, nada más y nada menos, la primera reacción nuclear artificial.

Cerrando el ciclo

Cuando J.J. Thomson se retiró no había un mejor candidato a ocupar su puesto en el laboratorio Cavendish y Rutherford volvió al mítico laboratorio para terminar su carrera allí.

Thomson y Rutherford hablando de sus cosas.

Rutherford comentándole a Thomson lo sucio que le había dejado el escritorio.

Ernest Rutherford no solo fue un científico que se elevó a hombros de otros grandes como Becquerel o el matrimonio Curie, fue también el gigante sobre cuyos hombros se elevaron los científicos que desarrollaron la física atómica.

Más información

Brian Cox nos habla sobre el experimento de Rutherford (Inglés):

Portal en memoria de Rutherford 

Ficha de Ernest Rutherford en nobelprize.org

Great Physicists From Galileo to Hawking. George Gamow

De Arquímedes a Einstein, los 10 experimentos más bellos de la física. Manuel Lozano Leyva

Momentos estelares de la ciencia. Isaac Asimov

Artículo publicado por Marsden y Geiger sobre la difracción de partículas alfa

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Publicado el 11 enero, 2013 en Descubriendo el átomo, Historia de la ciencia y etiquetado en , , , , , , , , , , , , . Guarda el enlace permanente. 18 comentarios.

  1. esta bonita la histori me tarde 1 hora en leerlo

  2. gracias me sirvió mucho 🙂

  3. Me parece muy interesante tu articulo sobre todo la parte donde Rutherford estudio la desintegración de ciertos elementos, esto se aplica mucho en biologia e historia.

    Si antes admiraba a Rutherford ahora lo admiro más.

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