BackgroundEdit

Ernest Rutherford fue profesor Langworthy de Física en la Universidad Victoria de Manchester (ahora la Universidad de Manchester). Ya había recibido numerosos honores por sus estudios de radiación. Había descubierto la existencia de rayos alfa, rayos beta y rayos gamma, y había demostrado que estos eran la consecuencia de la desintegración de los átomos. En 1906, recibió la visita de un físico alemán llamado Hans Geiger, y quedó tan impresionado que le pidió a Geiger que se quedara y lo ayudara con su investigación., Ernest Marsden era un estudiante de física estudiando bajo Geiger.

Las partículas alfa son pequeñas partículas cargadas positivamente que son emitidas espontáneamente por ciertas sustancias como el uranio y el radio. Rutherford los había descubierto en 1899. En 1908, estaba tratando de medir con precisión su relación carga-masa. Para hacer esto, primero necesitaba saber cuántas partículas alfa estaba emitiendo su muestra de radio (después de lo cual mediría su carga total y dividiría una por otra)., Las partículas alfa son demasiado pequeñas para ser vistas con un microscopio, pero Rutherford sabía que las partículas alfa ionizan las moléculas de aire, y si el aire está dentro de un campo eléctrico, los iones producirán una corriente eléctrica. Sobre este principio, Rutherford y Geiger diseñaron un dispositivo de conteo simple que consistía en dos electrodos en un tubo de vidrio. Cada partícula alfa que pasaba a través del tubo crearía un pulso de electricidad que podría ser contado. Fue una versión temprana del contador Geiger.,

El contador que Geiger y Rutherford construyeron demostró ser poco fiable porque las partículas alfa estaban siendo desviadas demasiado fuertemente por sus colisiones con las moléculas de aire dentro de la cámara de detección. Las trayectorias altamente variables de las partículas alfa significaron que no todas generaban el mismo número de iones a medida que pasaban a través del gas, produciendo lecturas erráticas. Esto desconcertó a Rutherford porque había pensado que las partículas alfa eran demasiado pesadas para ser desviadas tan fuertemente. Rutherford le pidió a Geiger que investigara cuánta materia podría dispersar los rayos alfa.,

los experimentos que diseñaron implicaron bombardear una lámina de metal con partículas alfa para observar cómo la lámina las dispersó en relación con su grosor y material. Usaron una pantalla fluorescente para medir las trayectorias de las partículas. Cada impacto de una partícula alfa en la pantalla producía un pequeño destello de luz. Geiger trabajó en un laboratorio oscuro durante horas y horas, contando estos pequeños centelleos usando un microscopio. Rutherford carecía de la resistencia para este trabajo (tenía más de 30 años), por lo que se lo dejó a sus colegas más jóvenes., Para la lámina de metal, probaron una variedad de metales, pero prefirieron el oro porque podían hacer la lámina muy delgada, ya que el oro es muy maleable. Como fuente de partículas alfa, la sustancia preferida de Rutherford era el radón, una sustancia varios millones de veces más radiactiva que el uranio.

El 1908 experimentEdit

Un artículo de 1908 de Geiger, sobre la dispersión de partículas α por materia, describe el siguiente experimento. Construyó un largo tubo de vidrio, de casi dos metros de longitud. En un extremo del tubo había una cantidad de «emanación de radio» (R) que sirvió como fuente de partículas alfa. El extremo opuesto del tubo fue cubierto con una pantalla fosforescente (Z). En el medio del tubo había una hendidura de 0,9 mm de ancho. Las partículas alfa de R pasaron a través de la hendidura y crearon un parche de luz brillante en la pantalla., Se utilizó un microscopio (M) para contar los centelleos en la pantalla y medir su propagación. Geiger bombeó todo el aire del tubo para que las partículas alfa no se obstruyeran, y dejaron una imagen limpia y apretada en la pantalla que correspondía a la forma de la hendidura. Geiger entonces permitió un poco de aire en el tubo, y el parche brillante se volvió más difuso. Geiger luego bombeó el aire y colocó un poco de lámina de oro sobre la ranura en AA. Esto también causó que el parche de luz en la pantalla se extendiera más., Este experimento demostró que tanto el aire como la materia sólida podían dispersar marcadamente las partículas alfa. El aparato, sin embargo, solo podía observar pequeños ángulos de desviación. Rutherford quería saber si las partículas alfa estaban siendo dispersadas por ángulos aún más grandes—quizás mayores de 90°.,

El 1909 experimentEdit

en un artículo de 1909, sobre una reflexión difusa de las partículas α, Geiger y Marsden describieron el experimento mediante el cual demostraron que las partículas alfa pueden dispersarse en más de 90°., En su experimento, prepararon un pequeño tubo de vidrio cónico (AB) que contenía «emanación de radio» (radón), «radio a» (radio real) y «Radio C» (bismuto-214); su extremo abierto sellado con mica. Este era su emisor de partículas alfa. Luego colocaron una placa de plomo (P), detrás de la cual colocaron una pantalla fluorescente (S). El tubo se mantenía en el lado opuesto de la placa, de modo que las partículas alfa que emitía no podían golpear directamente la pantalla. Notaron algunos centelleos en la pantalla, porque algunas partículas alfa rodearon la placa rebotando en las moléculas de aire., Luego colocaron una lámina de metal (R) al lado de la placa de plomo. Señalaron que el tubo en el papel de aluminio para ver si las partículas alfa podría rebotar y golpear la pantalla al otro lado de la placa, y se observa un aumento en el número de centelleo en la pantalla. Contando los centelleos, observaron que los metales con mayor masa atómica, como el oro, reflejaban más partículas alfa que las más ligeras, como el aluminio.

Geiger y Marsden entonces querían estimar el número total de partículas alfa que estaban siendo reflejadas., La configuración anterior no era adecuada para hacer esto porque el tubo contenía varias sustancias radiactivas (radio más sus productos de desintegración) y, por lo tanto, las partículas alfa emitidas tenían rangos variables, y porque era difícil para ellos determinar a qué velocidad el tubo estaba emitiendo partículas alfa. Esta vez, colocaron una pequeña cantidad de radio c (bismuto-214) en la placa de plomo, que rebotó en un reflector de platino (R) y en la pantalla. Encontraron que sólo una pequeña fracción de las partículas alfa que sacudió el reflector rebotó en la pantalla (en este caso, 1 en 8.000).,

La década de 1910 experimentEdit

Un artículo de 1910 de Geiger, the Scattering of the α-Particles by Matter, describe un experimento mediante el cual buscó medir cómo el ángulo más probable a través del cual se desvía una partícula a varía con el material a través del cual pasa, el grosor de dicho material y la velocidad de las partículas alfa. Construyó un tubo de vidrio hermético desde el que se bombeaba el aire. En un extremo había un bulbo (B) que contenía «emanación de radio» (radón-222). Por medio de Mercurio, el radón en B fue bombeado por el estrecho tubo de vidrio cuyo extremo en A fue tapado con mica., En el otro extremo del tubo había una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc. El microscopio que usó para contar los centelleos en la pantalla se colocó en 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 así calcular los ángulos de desviación de las partículas. Las partículas alfa emitidas desde A se estrecharon a un haz por un pequeño agujero circular en D. Geiger colocó una lámina de metal en la trayectoria de los rayos en D y E para observar cómo cambiaba la zona de destellos., También podía variar la velocidad de las partículas alfa colocando láminas adicionales de mica o aluminio en A.,e partículas alfa

Rutherford modela matemáticamente el patrón de dispersoeditar

Teniendo en cuenta los resultados de los experimentos anteriores, Rutherford publicó un artículo de referencia en 1911 titulado «La dispersión de partículas α y β por la materia y la estructura del átomo» en el que propuso que el átomo contiene en su centro un volumen de carga eléctrica que es muy pequeño e intenso (de hecho, Rutherford lo trata como una carga puntual en sus cálculos)., Para el propósito de sus cálculos matemáticos que asumió esta carga central era positiva, pero admitió que no podía probar esto y que tenía que esperar a que otros experimentos para desarrollar su teoría.

Rutherford desarrolló una ecuación matemática que modeló cómo la lámina debería dispersar las partículas alfa si toda la carga positiva y la mayor parte de la masa atómica se concentraba en un solo punto en el Centro de un átomo.,r of atoms in a unit volume of the material t = thickness of the foil Qn = positive charge of the atomic nucleus Qa = positive charge of the alpha particles m = mass of an alpha particle v = velocity of the alpha particle

from the scattering data, Rutherford estimated the central charge Qn to be about +100 units (see Rutherford model)

the 1913 experimentEdit

In a 1913 paper, the Laws of Deflexion Of α Particles through Large Angles, Geiger y Marsden describen una serie de experimentos mediante los cuales intentaron verificar experimentalmente la ecuación anterior que Rutherford desarrolló., La ecuación de Rutherford predijo que el número de centelleos por minuto s que se observarán en un ángulo dado Φ debería ser proporcional a:

1. csc4(Φ/2)
2. espesor de la lámina t
3. magnitud del cuadrado de carga central Qn
4. 1/(mv2)2

Su artículo de 1913 describe cuatro experimentos mediante los cuales probaron cada una de estas cuatro relaciones.

para probar cómo la dispersión variaba con el ángulo de deflexión (es decir, si s C Csc4(Φ/2)) Geiger y Marsden construyeron un aparato que consistía en un cilindro de metal hueco montado en una plataforma giratoria., Dentro del cilindro había una lámina metálica (F) y una fuente de radiación que contenía radón (R), montada en una columna separada (T) que permitía que el cilindro girara independientemente. La columna era también un tubo por el cual el aire era bombeado fuera del cilindro. Un microscopio (M) con su lente objetivo cubierta por una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc (s) penetró la pared del cilindro y apuntó a la lámina metálica. Al girar la mesa, el microscopio se podía mover un círculo completo alrededor de la lámina, permitiendo a Geiger observar y contar las partículas alfa desviadas hasta 150°., Corrigiendo el error experimental, Geiger y Marsden encontraron que el número de partículas alfa que son desviadas por un ángulo Φ dado es de hecho proporcional a Csc4 (Φ/2).

Geiger y Marsden probaron entonces cómo la dispersión variaba con el grosor de la lámina (es decir, si s t t). Construyeron un disco (S) con seis agujeros perforados en él. Los agujeros fueron cubiertos con lámina metálica (F) de espesor variable, o ninguna para control. Este disco fue sellado en un anillo de latón (A) entre dos placas de vidrio (B y C). El disco podría ser girado por medio de una barra (P) para poner cada ventana delante de la fuente de partículas alfa (R). En el cristal trasero había una pantalla de sulfuro de zinc (Z)., Geiger y Marsden encontraron que el número de centelleos que aparecieron en la pantalla de sulfuro de zinc era de hecho proporcional al grosor, siempre y cuando dicho grosor fuera pequeño.

Geiger y Marsden reutilizaron el aparato anterior para medir cómo el patrón de dispersión varió con el cuadrado de la carga nuclear (es decir, si s Q Qn2)., Geiger y Marsden no sabían cuál era la carga positiva del núcleo de sus metales (apenas habían descubierto que el núcleo existía), pero asumieron que era proporcional al peso atómico, por lo que probaron si la dispersión era proporcional al peso atómico cuadrado. Geiger y Marsden cubrieron los agujeros del disco con láminas de oro, estaño, plata, cobre y aluminio. Midieron la potencia de frenado de cada lámina equiparándola a un espesor equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que cada lámina producía en la pantalla., Dividieron el número de centelleos por minuto por el equivalente de aire de la lámina respectiva, luego se dividieron de nuevo por la raíz cuadrada del peso atómico (Geiger y Marsden sabían que para las láminas de igual potencia de frenado, el número de átomos por unidad de área es proporcional a la raíz cuadrada del peso atómico). Así, para cada metal, Geiger y Marsden obtuvieron el número de centelleos que produce un número fijo de átomos. Para cada metal, dividieron este número por el cuadrado del peso atómico, y encontraron que las proporciones eran más o menos las mismas. Así demostraron que s Q Qn2.,

finalmente, Geiger y Marsden probaron cómo la dispersión variaba con la velocidad de las partículas alfa (es decir, si s 1 1 / v4). Usando el mismo aparato de nuevo, ralentizaron las partículas alfa colocando láminas adicionales de mica frente a la fuente de partículas alfa. Encontraron que, dentro del rango de error experimental, el número de centelleos era de hecho proporcional a 1/v4.,

Rutherford determina que el núcleo tiene una carga positivaeditar

en su artículo de 1911 (véase más arriba), Rutherford asumió que la carga central del átomo era positiva, pero una carga negativa habría encajado en su modelo de dispersión igual de bien. En un artículo de 1913, Rutherford declaró que el «núcleo» (como ahora lo llamaba) estaba efectivamente cargado positivamente, basado en el resultado de experimentos que exploraban la dispersión de partículas alfa en varios gases.,

en 1917, Rutherford y su asistente William Kay comenzaron a explorar el paso de partículas alfa a través de gases como el hidrógeno y el nitrógeno. En un experimento donde dispararon un haz de partículas alfa a través del hidrógeno, las partículas alfa golpearon los núcleos de hidrógeno hacia adelante en la dirección del haz, No hacia atrás. En un experimento donde dispararon partículas alfa a través de nitrógeno, descubrió que las partículas alfa eliminaron los núcleos de hidrógeno (es decir, protones) de los núcleos de nitrógeno.