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SOLUCIONES. DOCUMENTO
El experimento de Rutherford, Geiger y Mardsen
MATERIAL FOTOCOPIABLE
/ © Oxford University Press España, S. A.
Física y Química 1.º Bachillerato
En 1907, Ernest Rutherford aceptó como ayudantes al joven científico alemán Hans Wilhelm Geiger (25
años) y al todavía más joven Ernest Mardsen (18 años), de origen neozelandés, como el propio
Rutherford. Geiger, a sugerencia de Rutherford, empezó de inmediato a estudiar la dispersión de los
rayos α al chocar contra delgadas láminas de pan de oro. El procedimiento empleado era el siguiente:
una muestra de material radiactivo (por ejemplo, radio) se ponía en un recinto totalmente cerrado, con
excepción de un pequeño orificio por el que escapaba un haz delgado de rayos α. Estos rayos se hacían
incidir sobre una placa de sulfuro de zinc, que tiene la propiedad de emitir luz cuando es alcanzado por
un rayo α. Al interponer una lámina delgada de oro, podían estudiarse las desviaciones que sufrían estos
rayos al acercarse a los átomos de oro.
En 1908, Geiger no había encontrado evidencia de rayos α dispersados a ángulos mayores de 30°. Estos
resultados no eran sorprendentes, pues, por aquel entonces, el modelo aceptado era el de Thomson, que
pensaba que el átomo era una distribución poco densa de materia cargada positivamente, en la que
«flotaban» los electrones dispuestos como las pasas en un pastel. Materia tan dispersa sería incapaz de
perturbar en gran medida la trayectoria de las partículas α.
A pesar de estos resultados, para que Marsden adquiriera experiencia en investigación, Rutherford le
encargó que intentara encontrar rayos α a ángulos aún más grandes que los investigados por Geiger. La
sorpresa surgió cuando Mardsen observó partículas α dispersadas más de 90° con respecto a su
dirección inicial de movimiento (una de cada 8 000 partículas). Se trataba de un resultado incompatible
con el modelo atómico de J. J. Thomson. Por ello, Rutherford sugirió a Mardsen que estudiara este
anómalo comportamiento de dispersión. Mardsen descubrió que había, incluso, partículas α (una de cada
40 000) que rebotaban contra la lámina en vez de penetrar en ella. «Era —dijo Rutherford más tarde—
casi tan increíble como si dispararas un proyectil de cuarenta centímetros contra una hoja de papel y
rebotara de vuelta hacia ti». Geiger y Mardsen se dedicaron a medir entonces la distribución de partículas
α con más cuidado. Los resultados de sus investigaciones fueron publicados en 1909.
En 1911, Rutherford adelantó una explicación: la razón de que la mayoría de las partículas α atravesaran
la lámina de oro era que los átomos son, en su mayor parte, espacio vacío, y las grandes desviaciones
eran debidas a que el átomo debía alojar en su interior una fuente pequeña, pero intensa, de campo
eléctrico: el núcleo. El átomo sería como un sistema solar en miniatura, en el cual los electrones,
cargados negativamente, orbitan a una distancia de 10 000 diámetros nucleares alrededor del núcleo,
equilibrando su fuerza centrífuga con la atracción electrostática procedente del núcleo. Por su parte, el
núcleo, al igual que el Sol, contiene la mayor parte de la masa del sistema (99,98 %). Los átomos dejaron
de ser, así, partículas indivisibles.
Actividades
1.
¿Qué principios clásicos de la física violaba el átomo de Rutherford?
El átomo de Rutherford entraba en conflicto con algunos principios básicos de la física.
Según la teoría del electromagnetismo, cuidadosamente desarrollada por el escocés James
Clerk Maxwell y otros físicos en las décadas de 1850 y 1860, los electrones acelerados,
viajando en trayectorias curvas, pierden energía por radiación. Según esta regla, los
electrones del átomo de Rutherford no podían permanecer indefinidamente en órbita, pues la
energía debía agotarse rápidamente, con lo que el electrón descendería en espiral hacia el
núcleo, destruyendo el átomo. El conflicto fue, aparentemente, resuelto por Bohr al afirmar
que, por alguna razón desconocida por el momento, el electrón incumple las leyes del
electromagnetismo. Posteriormente, en 1923, Louis de Broglie, sugirió que los electrones
tenían tanto propiedades de ondas como propiedades de partículas.
Esta propuesta constituyó la base de la mecánica cuántica, que desecha la idea de órbita y la
sustituye por la de orbital. Al hacer esto, desaparece el aparente conflicto que provocaba el
átomo de Rutherford.
