Modelo atómico de Rutherford
Todos hemos visto ciruelas en un pudín. Anteriormente se pensaba que los electrones en un átomo estaban distribuidos sobre una carga positiva, al igual que las ciruelas en un pudín. En otras palabras, se pensaba que la carga positiva existía a lo largo de todo el átomo y que los electrones negativos estaban distribuidos de manera desigual en él, como las ciruelas en el pudín. Este concepto del modelo atómico es conocido como el modelo de ciruelas en pudín de los átomos. Este concepto fue introducido por J.J. Thomson, quien también fue el inventor de los electrones. Según el modelo de ciruelas en pudín, las cargas positivas y negativas de un átomo están distribuidas a lo largo de todo el cuerpo del átomo y no debe haber ninguna masa concentrada en un átomo.
En 1899, Ernest Rutherford de la Universidad de Manchester descubrió partículas alfa, que son iones de helio cargados positivamente emitidos de sustancias radiactivas como el uranio. Estas partículas alfa crean manchas brillantes cuando golpean una pantalla recubierta de sulfuro de zinc. Dado que no hay masa concentrada en un átomo, se predijo que si se bombardeara una lámina metálica delgada con partículas alfa cargadas positivamente, todas estas partículas alfa pasarían a través de la lámina sin mucho desvío en su trayectoria de viaje.
El pequeño campo eléctrico desarrollado en los átomos no puede afectar mucho el movimiento de la partícula. Por lo tanto, se predijo que podría haber menos de 1o de desviación en la trayectoria del movimiento de las partículas alfa. Esta predicción inspiró a Ernest Rutherford a realizar experimentos para verificar el modelo de ciruelas en pudín de los átomos. Instruyó a sus colegas científicos, Ernest Marsden y Hans Geiger, para bombardear con partículas alfa una lámina metálica delgada para verificar esta predicción. Según las instrucciones, Ernest Marsden y Hans Geiger llevaron a cabo un experimento y marcaron historia. Colocaron una película de oro muy delgada frente a un cañón de rayos alfa. También colocaron una pantalla de sulfuro de zinc alrededor de la película de oro para observar las manchas brillantes en ella cuando las partículas alfa la golpearan. Realizaron el experimento en una habitación oscura. Observaron durante el experimento que, como se predijo, las partículas alfa estaban cruzando la película y golpeando la pantalla de sulfuro de zinc detrás de la película.
Pero después de contar las manchas brillantes en la pantalla, encontraron un resultado inesperado. No todas las partículas alfa cruzaron la lámina de manera recta, como se esperaba. Un porcentaje muy pequeño de las partículas alfa bombardeadas cambió su dirección de viaje al cruzar la lámina de oro. No solo las partículas se desviaron de su camino, sino que también muy pocas de ellas rebotaron directamente hacia la fuente o el cañón de alfa. Después de un estudio detallado de la observación, Ernest Marsden y Hans Geiger presentaron un informe a Ernest Rutherford. Después de ver y estudiar su informe, Rutherford predijo un modelo diferente de un átomo, que es conocido como modelo atómico de Rutherford.
Predijo que las partículas alfa que rebotaron directamente debieron haber colisionado con alguna masa mucho más pesada y que esa masa debería estar cargada positivamente. También se encontró que algunas de las partículas alfa desviadas no rebotaron, pero tuvieron un ángulo de desviación muy grande. Al observar diferentes ángulos de desviación y el número de partículas desviadas con estos ángulos, predijo que las partículas alfa positivas también se ven influenciadas por una carga positiva concentrada relativamente enorme. Afirmó que las concentraciones de masa y carga positiva están en el mismo lugar en un átomo y esto está en el centro del átomo, y lo llamó núcleo del átomo. También afirmó que, excepto el núcleo central, todo el espacio en el átomo está vacío.
Después de este experimento con la lámina de oro, Rutherford dio un modelo más realista de un átomo. Este modelo también se llama Modelo Atómico Nuclear o Modelo Planetario del Átomo. Este modelo se dio en el año 1911. Según el Modelo Atómico de Rutherford, casi toda la masa de un átomo está concentrada en este núcleo. Este núcleo está cargado positivamente y está rodeado por pequeñas partículas ligeras cargadas negativamente, que se llaman electrones. Estos electrones circulan alrededor del núcleo de la misma manera que los planetas circulan alrededor del sol en el sistema planetario. Por eso, este modelo también se refiere como el Modelo Planetario del Átomo.
El radio del núcleo es de aproximadamente 10-13 cm. El radio de la trayectoria circular recorrida por los electrones alrededor del núcleo es de aproximadamente 10-12 cm, que es mayor que el diámetro de un electrón. El radio del átomo es de aproximadamente 10-8 cm. Así, al igual que un sistema planetario, el átomo también es de naturaleza extremadamente abierta, debido a lo cual puede ser penetrado por partículas de alta velocidad de diversos tipos. El Modelo Atómico Planetario de Rutherford se muestra en la figura a continuación-
Existe una fuerza de atracción entre el núcleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente que viajan alrededor del núcleo. Esta fuerza electrostática entre el núcleo cargado positivamente y los electrones cargados negativamente es similar a la fuerza gravitacional de atracción entre el Sol y los planetas que giran alrededor del sol. La mayor parte de este átomo planetario es espacio abierto, que no ofrece ninguna resistencia para el paso de partículas positivas diminutas como las partículas alfa.
El núcleo del átomo es muy pequeño, denso y cargado positivamente, lo que resulta en la dispersión de partículas cargadas positivamente. Este fenómeno de dispersión de partículas alfa cargadas positivamente por un núcleo cargado positivamente, explica la dispersión de partículas alfa cargadas positivamente por la lámina de oro, como observó Ernest Rutherford. El Modelo Atómico de Ernest Rutherford logró reemplazar el modelo atómico modelo de ciruelas en pudín de Thomson dado por el físico inglés Sir J.J. Thomson.
Según el modelo atómico de Ernest Rutherford, los electrones no están unidos a la masa del átomo. Los electrones están ya sea estacionarios en el espacio o rotan en caminos circulares alrededor del núcleo. Pero si los electrones están estacionarios, deben caer al núcleo debido a la fuerza de atracción entre el electrón y el núcleo. Por otro lado, si los electrones se mueven en un camino circular, entonces, según la teoría electromagnética, la carga acelerada del electrón perdería continuamente su energía y caería al núcleo, como se muestra en la figura a continuación. El Modelo Atómico de Rutherford no explica por qué los electrones no caen en el núcleo cargado positivamente.
Así, las deficiencias del modelo atómico de Rutherford pueden describirse a continuación-
El modelo atómico de Rutherford no explica la distribución de los electrones en las órbitas.
El modelo atómico de Rutherford no explica la estabilidad del átomo en su totalidad.
Las deficiencias anteriores del modelo atómico de Rutherford fueron superadas por el Modelo Atómico de Bohr (1913).
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