El modelo de Rutherford fue ideado por Ernest Rutherford para describir un átomo . Rutherford dirigió el experimento Geiger-Marsden en 1909, que sugirió, a partir del análisis de Rutherford en 1911, que el modelo de budín de pasas de JJ Thomson para el átomo era incorrecto. El nuevo modelo de Rutherford [1] para el átomo, basado en los resultados experimentales, contenía nuevas características de una carga central relativamente alta concentrada en un volumen muy pequeño en comparación con el resto del átomo y con este volumen central conteniendo la mayor parte de la masa del átomo ; esta región sería conocida como el núcleo atómico . El modelo de Rutherford fue posteriormente reemplazado por el modelo de Bohr .
A lo largo del siglo XIX se discutieron y publicaron ideas especulativas sobre los átomos. El modelo de J. J. Thomson fue el primero de estos modelos que se basó en partículas subatómicas detectadas experimentalmente. En el mismo artículo en el que Thomson anunció sus resultados sobre la naturaleza "corpúscula" de los rayos catódicos , un evento considerado el descubrimiento del electrón , comenzó a especular sobre modelos atómicos compuestos de electrones. Desarrolló su modelo, ahora llamado el modelo del pudín de pasas , principalmente en 1904-06. Produjo un modelo mecánico elaborado de los electrones que se mueven en anillos concéntricos, pero la carga positiva necesaria para equilibrar los electrones negativos era una esfera simple de carga uniforme y composición desconocida. [2] : 13 Entre 1904 y 1910, Thomson desarrolló fórmulas para la desviación de partículas beta rápidas de su modelo atómico para compararlas con experimentos. Un trabajo similar de Rutherford utilizando partículas alfa eventualmente demostraría que el modelo de Thomson no podía ser correcto. [3] : 269
También entre los primeros modelos se encontraban los modelos "planetarios" o similares al Sistema Solar. [2] : 35 En un artículo de 1901, [4] Jean Baptiste Perrin utilizó el descubrimiento de Thomson en una propuesta de un modelo similar al del Sistema Solar para los átomos, con "soles positivos" muy fuertemente cargados rodeados de "corpúsculos, una especie de pequeños planetas negativos", donde la palabra "corpúsculos" se refiere a lo que ahora llamamos electrones. Perrin discutió cómo esta hipótesis podría relacionarse con fenómenos importantes entonces inexplicados como el efecto fotoeléctrico , los espectros de emisión y la radiactividad . [5] : 145 Perrin más tarde atribuyó a Rutherford el descubrimiento del modelo nuclear. [6]
Un modelo algo similar propuesto por Hantaro Nagaoka en 1904 utilizó los anillos de Saturno como análogo. [2] : 37 Los anillos consistían en una gran cantidad de partículas que se repelían entre sí pero eran atraídas por una gran carga central. Se calculó que esta carga era 10.000 veces la carga de las partículas del anillo para lograr estabilidad. George A. Schott demostró en 1904 que el modelo de Nagaoka no podía ser consistente con los resultados de la espectroscopia atómica y el modelo cayó en desgracia. [2] : 37
El modelo nuclear del átomo de Rutherford surgió de una serie de experimentos con partículas alfa , una forma de radiación que Rutherford descubrió en 1899. Estos experimentos demostraron que las partículas alfa se "dispersaban" o rebotaban en los átomos de maneras diferentes a las predichas por el modelo de Thomson. En 1908 y 1910, Hans Geiger y Ernest Marsden, en el laboratorio de Rutherford, demostraron que las partículas alfa podían ocasionalmente reflejarse en láminas de oro. Si Thomson estaba en lo cierto, el haz atravesaría la lámina de oro con desviaciones muy pequeñas. En el experimento, la mayor parte del haz atravesó la lámina, pero algunos se desviaron. [7]
En un artículo de mayo de 1911, [8] Rutherford presentó su propio modelo físico para la estructura subatómica, como una interpretación de los resultados experimentales inesperados. [3] En él, el átomo está formado por una carga central (este es el núcleo atómico moderno , aunque Rutherford no utilizó el término "núcleo" en su artículo). Rutherford solo se comprometió con una pequeña región central de carga positiva o negativa muy alta en el átomo.
Para ser más concretos, consideremos el paso de una partícula α de alta velocidad a través de un átomo que tiene una carga central positiva N e , y está rodeado por una carga compensatoria de N electrones. [8]
Utilizando únicamente consideraciones energéticas sobre la distancia que las partículas de velocidad conocida podrían alcanzar para llegar a una carga central de 100 e, Rutherford pudo calcular que el radio de su carga central de oro tendría que ser menor (no se podía decir cuánto menor) que 3,4 × 10 −14 metros. Esto se produjo en un átomo de oro cuyo radio se sabía que tenía unos 10 −10 metros, un hallazgo muy sorprendente, ya que implicaba una fuerte carga central menor que 1/3000 del diámetro del átomo.
El modelo de Rutherford sirvió para concentrar gran parte de la carga y masa del átomo en un núcleo muy pequeño, pero no atribuyó ninguna estructura a los electrones y masa atómica restantes. Sí mencionó el modelo atómico de Hantaro Nagaoka , en el que los electrones están dispuestos en uno o más anillos, con la estructura metafórica específica de los anillos estables de Saturno. El modelo del pudín de pasas de JJ Thomson también tenía anillos de electrones en órbita.
El artículo de Rutherford sugería que la carga central de un átomo podría ser "proporcional" a su masa atómica en unidades de masa de hidrógeno u (aproximadamente la mitad de ella, en el modelo de Rutherford). Para el oro, este número másico es 197 (no conocido entonces con gran precisión) y, por lo tanto, Rutherford lo modeló como posiblemente 196 u. Sin embargo, Rutherford no intentó hacer la conexión directa de la carga central con el número atómico , ya que el "número atómico" del oro (en ese momento simplemente su número de posición en la tabla periódica ) era 79, y Rutherford había modelado la carga como aproximadamente +100 unidades (en realidad había sugerido 98 unidades de carga positiva, para hacer la mitad de 196). Por lo tanto, Rutherford no sugirió formalmente que los dos números (lugar de la tabla periódica, 79, y carga nuclear, 98 o 100) podrían ser exactamente iguales.
En 1913, Antonius van den Broek sugirió que la carga nuclear y el peso atómico no estaban relacionados, abriendo el camino a la idea de que el número atómico y la carga nuclear eran lo mismo. Esta idea fue rápidamente retomada por el equipo de Rutherford y fue confirmada experimentalmente dos años después por Henry Moseley . [2] : 52
Estos son los indicadores clave:
El nuevo modelo atómico de Rutherford no provocó reacción alguna al principio. [11] : 28 Rutherford ignora explícitamente los electrones, y sólo menciona el modelo saturniano de Hantaro Nagaoka . Al ignorar los electrones, Rutherford también ignora cualquier implicación potencial para la espectroscopia atómica en la química. [12] : 302 El propio Rutherford no insistió en la defensa de su modelo atómico en los años siguientes: su propio libro de 1913 sobre "Sustancias radiactivas y sus radiaciones" sólo menciona el átomo dos veces; otros libros de otros autores en esta época se centran en el modelo de Thomson. [13] : 446
El impacto del modelo nuclear de Rutherford llegó después de que Niels Bohr llegara como estudiante de posdoctorado a Manchester por invitación de Rutherford. Bohr abandonó su trabajo sobre el modelo de Thomson en favor del modelo nuclear de Rutherford, desarrollando el modelo de Rutherford-Bohr durante los siguientes años. Finalmente, Bohr incorporó las primeras ideas de la mecánica cuántica al modelo del átomo, lo que permitió la predicción de espectros electrónicos y conceptos de química. [3] : 304
Después del descubrimiento de Rutherford, las investigaciones posteriores determinaron la estructura atómica que condujo al experimento de la lámina de oro de Rutherford . Los científicos finalmente descubrieron que los átomos tienen un núcleo cargado positivamente (con un número atómico de cargas) en el centro, con un radio de aproximadamente 1,2 × 10 −15 metros × [número de masa atómica] 1 ⁄ 3 . Se descubrió que los electrones eran aún más pequeños.