Modelo atómico según Rutherford

Según el rnodelo de Rutherford el átomo tiene un núcleo central rodeado de electrones

Resulta curioso observar que el término “núcleo”, no aparece en los escritos de Rutherford. Lo que él consideró esencial para explicar los resultados experimentales, fue "una concentración de carga" en el centro del átomo. Esta concentración de carga, que ahora todos denominan núcleo, era lo que podía explicar el hecho comprobado en sus experimentos de que algunas partículas salieran rebotadas en dirección casi opuesta a las partículas incidentes.

Este fue un paso crucial en la comprensión de la materia, ya implicaba la existencia de un núcleo atómico donde se concentraba toda la carga positiva y más del 99,9% de la masa. Las estimaciones del núcleo revelaban que el átomo en su mayor parte estaba vacío.

Ernest Rutherford (1871-1937) físico y químico británico, de origen neozelandés, es considerado el padre de la física nuclear. A comienzos de 1911, propuso la idea de que el átomo de cualquier elemento se compone de un núcleo diminuto en el que se reúne toda la carga eléctrica positiva y casi toda la masa y de electrones con carga negativa que giran alrededor de este núcleo, como si fueran planetas de un pequeño sistema solar unidos por fuerzas eléctricas, en vez de por la fuerza de gravedad.

En los Laboratorios Cavendish de Cambridge, trabajaba también J.J. Thomson, el descubridor del electrón. Es difícil evitar el término “partículas” al hablar de entidades fundamentales como el electrón, pero hay que recordar que no se deben imaginar únicamente como pequeñas bolitas o concentraciones de masa y energía en un punto sólido. El electrón es una entidad fundamental que no está formada por cosas más pequeñas.

No se puede decir lo mismo del núcleo de un átomo. Al principio de la segunda década del siglo XX, Rutherford descubrió que el núcleo es como una bola formada partículas apretadas unas con otras, como en un racimo de uvas: los protones.

Rutherford

Lo que une los electrones al núcleo no es la fuerza de gravedad que es insignificante (leyes de Newton), sino la fuerza eléctrica (leyes de Maxwell). En general, un átomo tiene tantos electrones como protones tenga su núcleo.

El núcleo del uranio más común tiene 92 protones. Cada protón tiene una carga eléctrica positiva de igual magnitud que la carga eléctrica negativa del electrón.

De acuerdo al modelo atómico de Rutherford, el núcleo se compone de partículas con carga positiva, a las que denominó protones y de partículas con carga negativa, denominadas electrones. Las cargas eléctricas de protones y electrones son de distinto signo pero de igual intensidad. Por lo cual, los átomos son eléctricamente neutros.

En 1920, Rutherford predijo que en el núcleo de los átomos, existían otra partículas, a la que denominó neutrones, que tenían masa de similar magnitud a la de los protones, pero que no estaban dotadas de carga eléctrica.

 

atomo

Protones Los protones tienen carga eléctrica positiva 1,602 x 10-19 Coulomb y  masa de 1,67262 × 10-27 kg.
Neutrones Los neutrones carecen de carga eléctrica y su masa es un poco mayor que la del protón (1,67493 × 10-27 kg).
Electrones Los electrones tienen carga eléctrica negativa igual a 1,602 x 10-19 Coulomb y masa de 9,10 × 10-31 kg.  

Protones y neutrones tienen una masa 1.836 y 1.838 veces la de un electrón. Es decir que prácticamente toda la masa de un átomo está concentrada en su núcleo.

Atomo

 

El número de electrones que giran en torno al núcleo es igual al número de protones. Ambos tiene cargas eléctricas de igual intensidad, pero de distinto signo; por lo cual, en su conjunto, la carga eléctrica de un átomo es neutra.

No es posible medir directamente el diámetro de un átomo, menos aún el de su núcleo; pero se ha logrado determinar en forma aproximada que el diámetro promedio de un átomo es:
0,00000001 cm = 1 x 10-8 cm y el de su núcleo: 0,000000000001 cm = 1 x 10-12 cm

El tamaño de un átomo es cerca de 10.000 veces el tamaño del núcleo. Si un átomo tuviese el tamaño de una esfera de 10 metros de diámetro, el núcleo sería del tamaño de un pequeño rodamiento de 1 milímetro colocado en el centro; los electrones  serían como minúsculas partículas de polvo girando en órbitas circulares o elípticas dentro de la esfera de 10 metros.

Por consiguiente, se puede afirmar que practicamente todo el espacio ocupado por el átomo, está vacío.

Imagen de un átomo, muy lejos de estar a escala real

Rutherford pasó la segunda mitad de su vida dedicado a la docencia y dirigiendo los Laboratorios Cavendish de Cambridge, en donde se formaron otros dos ilustres científicos: Niels Bohr (1885-1962) y Robert Oppenheimer (1904-1967).

El modelo atómico de Rutherford postulaba que los electrones orbitaban en un espacio vacío alrededor de una minúscula  carga, situada en el centro del átomo. Esta teoría tropezó con varios problemas que, al intentar explicarlos, llevó al descubrimiento de nuevos hechos y teorías:

a) Por un lado se planteó el problema de cómo un conjunto de cargas positivas podían mantenerse unidas en un volumen tan pequeño, en vez de repelerse unas a otras, al tener cargas de igual signo. La solución a este problema llevó a pensar que en el interior del núcleo actuaba una  fuerza desconocida hasta ese momento. Hoy la conocemos como fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales reconocidas en la teoría estándar de la materia.

b) Por otro lado, se decía que si los electrones son partículas con carga eléctrica, para mantenerse en órbita necesitan una aceleración, con lo cual producirían radiación electromagnética y eso les haría perder energía. Las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo aplicadas al átomo de Rutherford llevan a que en un tiempo del orden de 10 − 10s, toda la energía del átomo se habría radiado, ocasionando la caída de los electrones sobre el núcleo.

El modelo atómico de Rutherford es un modelo físicamente inestable, desde el punto de vista de la física clásica. En el modelo de Rutherford, las órbitas de los electrones no están  definidas y solamente se dice que forman una estructura compleja. No obstante, los resultados de su experimento, permitieron calcular que el radio del átomo era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, de lo que se deducía que existe un gran espacio vacío en el interior de los átomos.

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