7 de junio de 2016

Rutherford, el núcleo atómico









Rutherford
“Si le explicas a un camarero lo que estás haciendo y no lo entiende, lo pobre no es el camarero, sino lo que estás haciendo” - Ernest Rutherford

Thomson, del que hablamos en el capítulo anterior, fue profesor de Rutherford (ambos aparecen en la imagen que mostramos a continuación), que a su vez fue profesor de Hans Geiger.
El hecho de que los científicos ayuden a los estudiantes a llegar a ser como ellos es muy importante, ya que no solo el estudiante sale beneficiado. El estudiante aprende de un profesional, descubriendo procesos únicos que ningún profesor convencional les podría proporcionar desde el mismo punto de vista. Además, al tener una forma diferente de enseñar de los profesores, puede que ésta sea incluso más amena para algunos estudiantes, lo que les hará meterse más en la materia. Los científicos salen beneficiados porque, probablemente, algún alumno tenga algo que comentar o añadir al tema, y puede resultar algo muy útil o muy interesante, lo que mostraría varios puntos de vista distintos. Es muy importante que los conocimientos de ciencia vayan pasando de unas personas a otras, compartiendo experiencias y visiones, ya que así otra generación de científicos podrá avanzar y sumar este avance a lo que ya estaba descubierto. Si los científicos no enseñaran lo que saben, nos quedaríamos atrapados en el pasado.
En las buenas Facultades de Ciencia españolas, se organizan actividades de divulgación científica para los alumnos, haciéndoles despertar más interés por las ciencias de una forma más práctica y experimental. Además, son los investigadores científicos los que enseñan las diferentes ramas de la ciencia, para que la siguiente generación de científicos sea capaz de continuar con las investigaciones.

Rutherford se consideraba físico y hasta parecía despreciar la química y fue otorgado el Premio Nobel de Química. Veamos las diferencias entre física y química:

La física se encarga de estudiar fenómenos físicos, fuerzas de la naturaleza, principios que explican la materia y energía… Estos cambios físicos consisten en alterar el estado o la forma de un cuerpo pero sin cambiar su naturaleza, o sin que cambie sin composición química. En un cambio físico, el compuesto o elemento sigue siendo el mismo.
La química estudia cómo interactúan distintas sustancias entre sí y la energía. Estudia cambios químicos que se producen en reacciones. En estos cambios químicos una o más sustancias, llamadas reactivos, se transforman cambiando su estructura molecular y sus enlaces, convirtiéndose en otras sustancias distintas, con una composición química diferente, que llamamos productos.

Cuando Rutherford dice “toda ciencia, o es Física o es coleccionismo de sellos” creemos que se refiere a que para él lo que valía era la física, creía que con ella se podía explicar todo y que, por lo tanto lo que no fuera física o bien no valía la pena, o era algo sencillo y que, en el fondo no te llevaba nada pues él podía considerar coleccionar sellos, al igual que otras ciencias, una pérdida de tiempo.
Al decir también “He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico” pensamos que quiere decir que él, que siempre se ha considerado físico y que ha hasta dicho que lo que no era física no era importante, el verse como químico le produce sorpresa, pues nunca lo habría esperado. Puede que hable también de los cambios para hacer alguna referencia a los cambios físicos o químicos, pues los cambios químicos, cambia la naturaleza y la composición del elemento; en este caso, el ha cambiado de físico a químico. Esto no es un cambio de forma ni estado, sino que se ha convertido en “otro”.

Sin embargo, entendemos porqué le dieron el Premio Nobel de Química y no de Física ya que él estudió la radiactividad (desintegración de la materia), las radiaciones alfa, beta y gamma, y hasta construyó su propio modelo atómico. Trató por lo tanto el interior del átomo, la transformación de uranio en plomo a lo largo del tiempo… Estudió cambios químicos, y fue galardonado como químico.


Otro científico que fue muy importante en esta época y que cabe destacar fue Nikola Tesla:

Nikola Tesla nació en Smiljan, actual Croacia en 1856 y falleció en Nueva York en 1943. Fue un físico estadounidense que estudió en las universidades de Graz, Austria, y Praga. Después de haber trabajado en varias industrias eléctricas en París y en Budapest, se trasladó a Estados Unidos en 1884, donde trabajó a las órdenes de Thomas A. Edison, entonces partidario de la corriente eléctrica continua.
Las disputas con Edison hicieron que abandonara la compañía y su asociación con G. Westinghouse, quien compró las patentes de su motor y de un transformador que facilitaba la distribución de este tipo de corriente hacia los usuarios finales.
Tesla fundó en Nueva York un laboratorio de investigaciones electrotécnicas, donde descubrió el principio del campo magnético rotatorio y los sistemas polifásicos de corriente alterna. Creó el primer motor eléctrico de inducción de corriente alterna y otras muchas invenciones eléctricas como el llamado montaje Tesla, un transformador de radiofrecuencia. Predijo la posibilidad de realizar comunicaciones inalámbricas antes de que Marconi comenzara sus estudios, y en su honor se denomina tesla a la unidad de medida de la intensidad del flujo magnético en el sistema internacional.
En 1887, y como consecuencia del descubrimiento llevado a cabo por John Hopkinson en 1880, Tesla inventó el motor de inducción de corriente trifásica.
En 1891 Tesla inventó la bobina que lleva su nombre, que consiste en un transformador con un núcleo de aire y con espirales en resonancia paralela. Con esta bobina fue capaz de crear un campo de alta tensión y alta frecuencia. Dos años después descubrió el fenómeno de carácter ondulatorio denominado "luz de Tesla" en las corrientes alternas de alta tensión y alta frecuencia; mediante el estudio de estas corrientes, observó que las lámparas de incandescencia de un único polo emiten luz cuando se las aproxima a un conductor por el que pasa corriente eléctrica, y que los tubos de vidrio vacíos brillan aunque carezcan de electrodo si se les conecta por uno de sus extremos y se aproxima el otro a un conductor por el que fluye corriente de alta frecuencia. También se percató de que el cuerpo humano es capaz de conducir estas corrientes de alta frecuencia sin experimentar daño alguno.
Tesla pasó por rivalidades con dos personajes muy conocidos, Edison, como ya hemos comentado antes, y Marconi.
La primera persona que contrató a Tesla en Estados Unidos fue, como he dicho antes, Edison. Ésteo hizo caso a las propuestas de corriente alterna de Tesla, pero le ofreció 50.000 dólares si mejoraba la eficacia de sus dinamos, cosa que consiguió, multiplicó por tres su rendimiento, y cuando reclamó su recompensa, Edison le dijo que el supuesto trato había sido una broma. Edison timó a Tesla y esta es una de las razones de su rivalidad.
La Guerra de las corrientes fue una competencia económica y tecnológica producida en los años 1880, por el control del incipiente mercado de la generación y distribución de energía eléctrica. Nikola Tesla y Thomas Edison se convirtieron en adversarios, debido a la promoción de la corriente continua, de Edison y J. P. Morgan crearon General Electric para la distribución de energía eléctrica y que a su vez estaba en contra de la corriente alterna defendida por George Westinghouse y Nikola Tesla. A pesar de la popularidad de Edison la corriente alterna promulgada por Tesla fue la que predominó para la distribución de electricidad desde entonces hasta nuestros días.
Además, Marconi, el supuesto inventor de la radio también estafó a Tesla. Marconi ganó el premio Nobel en 1909 por este invento, pero en la realidad Tesla había patentado la idea en 1896 , antes que él.
Se enzarzaron en una disputa legal hasta que Tesla murió, en 1943, año en el que por fin se descubrió que el invento había sido suyo, pero ya era tarde.
A continuación vamos a describir distintos fenómenos físicos que fueron descubiertos a lo largo del siglo XX que tuvieron relación con los experimentos de Rutherford:

La fluorescencia y la fosforescencia son dos clases de luminiscencia de los minerales. La fluorescencia emite una luz azulada cuando los minerales (fluorescentes) son estimulados por radiación externa. La fosforescencia hace que el mineral emita una luz verdosa, mientras el mineral es iluminado (por luz normal), y aún después también.

Los rayos X son unos rayos capaces de atravesar cuerpos opacos, ennegrecer placas fotográficas, ionizar gases y producir fluorescencia en algunas superficies. Se descubrieron por el alemán Roentgen que mientras experimentaba con los rayos catódicos observó una radiación que surgía del ánodo y la pared cercana a él, donde observó las características que acabamos de comentar. Se llamaron rayos X (como el nombre de la incógnita de matemáticas) porque Roentgen no tenía ni idea de lo que eran.

La radiactividad es la desintegración espontánea de átomos pesados. Esta descomposición aparecía en tres tipos de emisiones: alfa, que eran átomos de helio, beta, que eran electrones, y gamma, que era radiación electromagnética muy energética (de altísima frecuencia y corta longitud de onda). Esto fue descubierto por Rutherford durante su estancia en Nueva Zelanda; pero la radiactividad había sido descubierta antes por Becquerel, de casualidad. Becquerel, que había estado dedicándose a “fotografiar” distintos objetos, se desesperó cuando llegaron unos días de niebla que no le permitían que la luz solar interviniera en su trabajo pues debía dar una charla en la Academia. Pensó entonces que debería revelar la placa igualmente y hablar de la fosforescencia débil. La imagen obtenida de la moneda entre la placa y las sales de uranio era tan nítida como si las sales hubiesen sido excitadas por una luz intensa. Dedujo así que las sales emitían rayos que no tenían que ver con la fosforescencia ya que las sales de uranio, no fosforescentes, también impresionaban las placas. Después de muchos experimentos, concluyó que el uranio era el único elemento que emitía algún tipo de radiación.

Las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford al trabajo de Becquerel fueron muy importantes. Joliot y Marie Curie descubrieron que muchas sustancias, y elementos simples emitían rayos cuya única procedencia era sus átomos. A esto lo llamaron “Radiactividad”. Con esto Becquerel pudo ver que no sólo el uranio emitía radiación.
Rutherford, estudiando la conductividad eléctrica, descubrió que los elementos radiactivos emitían dos clases distintas de rayos: alfa y beta. Estos últimos no eran más que electrones. Rutherford llegó a la conclusión de que la radiactividad consistía en la desintegración espontánea de átomos pesados.
Fue cuando los Curie y Rutherford aclararon qué era la radiactividad, que Becquerel se percató de la gran importancia que tenía su descubrimiento.

Las radiaciones alfa, beta y gamma son, como hemos dicho antes, los tres tipos de emisiones que se manifestaban en les descomposición atómicas: alfa, que eran átomos de helio (que no podían atravesar ni una hoja de papel, y se frenaban a centímetros en el aire), beta, que eran electrones (los de más baja energía son detenidos por la piel, y los de más alta, la pueden atravesar), y gamma, que era radiación electromagnética muy energética (de altísima frecuencia y corta longitud de onda). El orden energético es por lo tanto, de mayor a menor: gamma, beta alfa.


La ley de desintegración atómica habla del ritmo con el que los átomos de una muestra radiactiva se desintegraban. La vida media de los átomos radiactivos varía desde los pocos segundos hasta miles de millones de años. La ley de desintegración predecía perfectamente esta variación. Rutherford observó que algunos elementos como el uranio, terminaban convirtiéndose en otros, en este caso en plomo. Esto sirvió como método de datación geológica ya que examinando muestras que contuvieran estos elementos (como el plomo), al saber la velocidad de desintegración de cada uno, se podía establecer un límite inferior a la edad de la Tierra.

Un contador de Geiger (diseñado por Hans Geiger) sirve para medir la radiactividad de un objeto o lugar, detectando las partículas y las radiaciones ionizantes. Está formado por un tubo fino con un hilo metálico a lo largo de su centro que tiene unos 1000 voltios relativos con el tubo. El espacio que se encuentra entre ellos está aislado y relleno de un gas. Cuando un ión o electrón penetra el tubo, este desprende electrones de los átomos del gas que debido al voltaje positivo del hilo central, son atraídos hacia este. Al hacer esto ganan energía, chocan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso produce un pulso de corriente detectable.

Después de haber comentado esos fenómenos, ya podemos explicar cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford:

El experimento Rutherford consistió en un plano semicircular de sulfato cínquico que disparaba partículas alfa en una superficie de mica. El experimento no funcionó ya que todas las partículas atravesaban la mica. Después se repitió este experimento con pan de oro y platino. ¿Por qué estos dos materiales? Porque se podían conseguir láminas muy finas de ambos, lo que haría más sencillo apreciar el resultado. Con el pan de oro se descubrió una variación entre los resultados anteriores y los nuevos. Una pequeñísima cantidad de partículas era despedida hacia atrás, como si rebotara. Tanto Rutherford como sus ayudantes llegaron a la conclusión de que toda su carga positiva concentrada en un lugar, que era infinitamente pequeño. Como había electrones orbitando este centro, la mayoría de partículas alfa chocaban contra ellos, sin dar lugar a que muchas llegaran al núcleo, pero las que llegaban rebotaban hacia atrás. Así se descubrió el núcleo del átomo.
¿Por qué funcionó este experimento con oro y platino pero no con mica? La mica (compuesta por aluminio, hierro y magnesio), tiene unos núcleos más pequeños y, por tanto, con menos carga, por lo que es menos probable que las partículas reboten contra él. En cambio, lo del oro son más grandes y los del platino, aún más, por lo que en el oro una muy muy pequeña cantidad de partículas rebota y en el platino alguna más lo consigue.
"Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara", es una frase que dijo Rutherford mientras realizaban el experimento. Se refería a que las partículas alfa tienen muchísima energía (Rutherford las comparó con  un obús naval) y rebotan contra una parte del átomo que pensaban que tenía muchísima menos resistencia (como una hoja de papel).
Otra de las importantes contribuciones de Rutherford, fue el diseño de su modelo atómico:
Modelo atómico de Rutherford.png
El modelo atómico de Rutherford consiste en un núcleo de protones (con carga positiva). Alrededor de este núcleo orbitan, a grandes distancias, los electrones, que él imaginó como partículas más pequeñas.
Rutherford pensaba que en el núcleo tenía que haber algo que hacía que los electrones no se cayeran y siguieran orbitando el núcleo, ya que los electrones, al orbitar, emiten radiación electromagnética, por lo que pierden energía de la órbita y se deberían caer contra el núcleo. Otra de sus limitaciones era que no podía entender cómo los protones, al estar todos tan juntos y tener carga positiva, no se repelían.
El equipo de Rutherford es considerado el padre de la interacción nuclear porque fue el primero en introducirla en su modelo atómico para hacerlo estable.
Las cuatro fuerzas de la naturaleza son: la fuerza nuclear (débil y fuerte), la fuerza gravitatoria y la electromagnética.

Al igual que hizo Rutherford cuando le hicieron barón nosotras hemos construido un escudo con un lema:



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