Rutherford y el núcleo atómico

1) Maestros y alumnos

Siempre ha sido muy común que en cualquier ambiente didáctico haya un maestro y su alumno. El primero, el más experimentado, está dispuesto a enseñar a su alumno todo lo que necesite para llegar a tener una buena formación. Por otra parte, el estudiante, con una gran voluntad de por sí, esperará que su maestro lo de todo por él y para así tener una buena formación. Esto, (solo por mencionar un caso) al parecer, ocurría por ejemplo en la Grecia antigua. Como podemos saber, Sócrates era el maestro de Platón, y más tarde, Arístoteles discípulo de Platón. Todos ellos llegaron a ser especialmente importantes. Además de éste, hay muchos más casos que ahora no vamos a citar.

En las Facultades de Ciencia españolas según la información que hemos podido recoger de la página, se hace un especial énfasis en preparar a los futuros genios para que trabajen de forma individual y en equipo, y para que proyecten sobre su trabajo y sus ideas, de tal forma que llegen con éxito al ámbito profesional

También se le da gran importancia al interés que deben tener sus profesores en ayudar a los alumnos a convertirse en grandes profesionales que fomenten el desarrollo de la sociedad.

Los profesores de facultades son profesionales en la docencia con muchos años de experiencia y dedicados a la formación de las personas, que exigen rigor, para que el paso por la Universidad sea único.

2) La física y la química...

... Dos conceptos que vamos a explicar:
Dos ideas claras.

La Física
En latín, "physĭca" y en griego, "τὰ φυσικά", es una ciencia natural que estudia las propiedades del espacio, la materia, el tiempo, la energia y, con todo ello, sus interacciones. Sin embargo, una definición tan corta puede ser ampliada.

Elogiada por unos, cuestionada por otros, la física además de ser una ciencia teórica es también una ciencia experimental. Como en todas las ciencias, busca que sus conclusiones sean verídicas mediante experimentos y que el fundamento teórico pueda permitir predicciones de futuros experimentos.

Intenta describir los fenómenos naturales con exactitud y veracidad, en la que ha llegado a límites imposibles de imaginar por la mente humana. Como conocimiento actual que tenemos, sabemos que engloba la descripción de partícules fundamentales microscópicas, nacimientos de astros en el universo y todavía nos preguntamos como se acontecieron los primeros instantes del nacimiento de nuestro universo.

Estos inicios de investigación comenzaron hace más de dos mil años con las primeras aportaciones de Demócrito o Aristóteles, más tarde, todos los célebres científicos como Galileo, Newton o Einstein dieron grandes avances sobre este campo.

A diferencia de la química, la cual vamos a explicar más adelante, aunque ambas estudian a la materia y la energia, solo la química estudia las causas que originan esa materia y los cambios internos que producen. Además, estudian también esa energia en su influencia con los seres vivos y el medio ambiente. Sin embargo, por otro lado, la física estudia los fenomenos naturales y las propiedades del espacio, tiempo...

La Química

La química, curiosamente, tiene como término de origen, "keme" del egipcio, y significa tierra. Antiguamente, se denominaba alquimia y sus conclusiones eran más mágicas y misteriosas que científicas. Más tarde, evoluciónó, y se dio de forma más clara por allá en los inicios de la revolución química en el siglo XVIII. Es una ciencia que estudia la composición, estructura y propiedades de la materia, así como los cambios que experimentan durante reacciones químicas.

Rutherford fue galardonado en 1908 con el premio Nobel de química por sus experimentos relacionados con la desintegración de los elementos y la química de los materiales radiactivos. Estaban relacionados con la química ya que se basan en la transformación de la materia.

Dicho científico pronunció una vez:

"Toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos"

Con esta frase lo que Rutherford quiso decir es que él creía que toda la ciencia al completo se podía explicar mediante la física. Por tanto, cualquier ciencia, o era física en sí, toda ella, o era coleccionismo de sellos. Podriamos decir que para él el coleccionismo de sellos no le importaba lo más mínimo. Entonces, una ciencia que no fuera física, no sería nada. En resumen, la física estaba siuada para él por encima de todas las demás ciencias.

Respecto a la segunda frase:

"He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico"

En esta segunda afirmación, consideramos que Rutherford dice esto porque a lo largo del transcurso de toda su vida ya había cambiado de parecer varias veces, de físico a químico y de químico a físico. Sin embargo, estos cambios no eran nada comparados con el momento en que finalmente se convierte en químico. Este hecho supuso un cambio significativo para su propia visión de lo que él supuso su "metamorfosis", por lo que llegó a esta conclusión.

3) Nikola Tesla y la electricidad

Nikola Tesla nació el 10 de julio de 1856 en un pueblo llamado Smiljan situado en Croacia. Se educó en Graz (Austria) y, posteriormente, continuó sus estudios en Praga estudiando ingeniería eléctrica. En 1882 se trasladó a Paris donde estuvo trabajando para Edison. Allí, descubrió la teoría de la corriente alterna para la electricidad gracias a la cual pudo idear el motor de inducción. Este hecho provoca una disputa entre Tesla y Edison ya que, éste último, registró las patentes de Tesla sobre la corriente alterna como suyas y se negó a darle mejoras económicas. Tesla abandonó la compañía de Edison y su enemistad duró para siempre.

En 1884, se fue a Nueva York y creó su propia compañía eléctrica. En 1887, terminó de construir el motor de inducción de corriente alterna demostrando así su superioridad frente a la corriente continua de Edison. Años más tarde, en 1893, consiguió fabricar el primer radiotransmisor (un aparato que transmitía energía electromagnética sin cables) y lo patentó en 1897. Tres años más tarde, en 1900, Marconi intentó patentar su transmisor de radio pero fue rechazado por considerarse una copia del transmisor de Tesla. Esto genera una disputa entre Marconi y Tesla que, tras varios años de juicio hasta la muerte de Tesla, fue solventada ya que se consideró a Tesla el verdadero inventor. Sin embargo, la mayoría de la gente sigue considerando a Marconi el inventor de la radio.

Alrededor de 1900, Tesla descubrió que se podía transmitir la electricidad por un cable sin la necesidad de utilizar otro de retorno. Tesla, además, ha ayudado en el diseño de la primera central hidroeléctrica y ha inventado la bobina.

Finalmente, Tesla murió el 7 de enero de 1943 en Nueva York.

- Curiosidades:
La figura de Tesla aparece en un libro llamado "El truco final" como un personaje que inventa un aparato eléctrico utilizado por uno de los protagonistas. Además, se puede entrever que esta obra simboliza un poco la rivalidad entre Tesla, Edison y Marconi ya que los protagonistas son unos ilusionistas que compiten por hacer el mejor truco al igual que Tesla y Marconi competían por hacer el mejor transmisor antes que el otro.

Dicen que se volvió tan excéntrico de mayor que propuso iluminar el desierto del Sahara.

Tesla aparece en otros libros como "El palacio de la luna" y en canciones como "Tesla's Hotel Room".

En un capítulo de "House" aparece escrito en una pizarra durante varias escenas: "A Tesla le robaron"

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En este eje cronológico se pueden ver los descubrimientos e inventos más importantes de este periodo.

Sentimos que se vea tan pequeño, pero en caso de ampliarlo no se vería.

4) Preguntas sobre el libro

I.- Fluorescencia y fosforescencia
La diferencia entre fosforescencia y fluorescencia es que una sustancia fluorescente emite luz azulada cuando se le estimula induciéndole una radiación externa y deja de emitirla cuando se le deja de aplicar esa radiación. Sin embargo, las sustancias fosforescentes, siguen emitiendo luz (en este caso verdosa) incluso cuando se las deja de iluminar o de aplicar una radiación.

II.- Rayos X
Los rayos X es una radiación producida a partir de los rayos catódicos. Esta radiación puede atravesar cuerpos opacos de diferentes espesores, produce fluorescencia en pantallas de platinocianuro, ennegrece placas fotográficas y electrifica o ioniza gases.

Fueron descubiertos por un científico alemán llamado Roentgen mientras experimentaba con los rayos catódicos. Roentgen percibió que la radiación que surgía del ánodo y la pared próxima a él en un tubo de rayos catódicos tenía las propiedades citadas anteriormente. Al no tener ni idea de qué eran esos rayos, los denominó rayos X ya que X significa incógnita en matemáticas. Más tarde, algunos científicos como Rutherford empezaron a trabajar con estos rayos. En la actualidad, generalmente se usan los rayos X para realizar radiografías en los centros médicos.

III.- Radiactividad
La radiactividad es la emisión de rayos formados a partir de la desintegración espontánea de átomos pesados como el plomo. Existen tres tipos de emisiones de esta radiación:
(1) Alfa → Formada por átomos de helio.
(2) Beta → Formada por electrones.
(3) Gamma → Radiación electromagnética y muy energética, es decir, de alta frecuencia y corta longitud de onda.

Como se pude apreciar, cada tipo de emisión está formada por distintas partículas y tiene distintas propiedades.

Fue descubierta por primera vez por Becquerel al intentar revelar una imagen en una placa fotográfica con sal de uranio. Más tarde, la radiactividad fue descubierta por Marie Curie y Joliot Curie (su marido) de forma más científica y sistemática. Por último, Rutherford se interesó por este fenómeno y, trabajando con la radiactividad, descubrió los tres tipos de emisiones distintas de ésta (alfa, beta y gamma).

IV.- Aportaciones del matrimonio Curie y Rutherford a Becquerel
La demostración del matrimonio Curie de que varias sustancias tenían radiactividad y el descubrimiento de Rutherford de varias aplicaciones de este fenómeno, fueron de gran importancia para Becquerel ya que, de este modo, su descubrimiento de la radiactividad adquirió mucha importancia. Si no se hubieran descubierto aplicaciones de la radiactividad, no se le habría dado importancia a este fenómeno.

V.- Radiaciones alfa, beta y gamma
Como hemos dicho en el punto III, la radiactividad tiene tres tipos de emisiones (la alfa, la beta y la gamma) que se diferencia por sus propiedades energéticas y su composición.

El poder energético de las distintas emisiones se puede apreciar en su capacidad de penetración. Por tanto, la emisión menos energética sería la alfa ya que no llega a penetrar seres humanos. Después, la siguiente menos energética sería la beta ya que, aunque puede penetrar en seres humanos, no puede atravesar placas de aluminio. Por último, la más energética y con mayor poder de penetración sería la gamma ya que se necesitarían gruesas placas de plomo u hormigón para detenerla.

VI.- Ley de desintegración atómica
La de desintegración atómica es una ley formulada por Rutherford gracias a la cual podemos predecir con exactitud la vida media de los átomos radiactivos ya que ésta puede variar de pocos segundos a millones de años. También, esta ley determina que algunos elementos radiactivos como el uranio se iban transformando en otros que continuaban desintegrándose hasta llegar al plomo.

Por tanto, esta ley puede ser aplicada a las dataciones geológicas ya que, al saber a que ritmo se desintegraban los elementos radiactivos, se pueden datar muestras que contengan plomo o sustancias radiactivas.

Carbono 14:

El carbono 14 es un radioisótopo del carbono, es decir, un átomo de carbono que difiere del átomo estable de carbono al tener distinto número de protones y que, debido a esa inestabilidad, es radiactivo.

Los seres vivos vamos perdiendo carbono 14 continuamente y, como después de morir no podemos volver a recuperarlo, la cantidad de carbono 14 en los seres vivos disminuye. Actualmente, sabemos que, a los 5730 años de la muerte de un ser vivo, su cantidad de carbono 14 se ha reducido a la mitad. Por tanto, podemos datar muestras geológicas orgánicas calculando la cantidad de carbono 14 que queda en ellos.


VII.- Contador Geiger
El contador Geiger es un aparato que sirve para detectar y medir la radiactividad de un objeto. Normalmente, está formado por un hilo metálico contenido en un tubo del mismo material. Entre el hilo y el tubo hay un espacio relleno de gas. El hilo suele estar a 1000 voltios relativos con el tubo.

Fue inventado realmente por Walther Müller, pero fue Hans Geiger quien se llevó el mérito. Geiger fue discípulo de Rutherford y le ayudó junto con Ernest Mardsen durante la realización del experimnento de la lámina de oro.

Su funcionamiento es muy simple. Si la sustancia es radiactiva, uno o varios iones o electrones penetran en el tubo y desprenden electrones del gas contenido en el tubo. Los electrones son atraídos al hilo gracias a su voltaje positivo. Gracias a esto comienzan a ganar energía y a colisionar con otros átomos liberando más electrones y provocando lo que podríamos llamar una “avalancha” de electrones. Esta “avalancha” sí puede ser detectada y medida. El flujo de la electricidad acaba parándose por si mismo gracias al gas.

En este video podemos observar el uso del contador Geiger con distintos materiales.

5) El experimento de Rutherford

En realidad, este experimento no fue realizado por Rutherford; sino por sus discípulos Hans Geiger y Ernest Marsden. No obstante, Rutherford les propuso el experimento y lo estuvo dirigiendo por lo que el mérito le fue otorgado a él.

Gracias a este experimento, se rectificó el modelo atómico de Thomson (una masa de carga positiva con electrones incrustados en ella) proponiendo un modelo (el modelo de Rutherford) más parecido al actual.

Todo empezó cuando Rutherford y Geiger empezaron a experimentar con haces de partículas alfa metiendo un material radiactivo en un contenedor de plomo con una pequeña abertura. Decidieron hacer pasar los chorros de partículas alfa por distintos materiales. Para empezar, dirigieron los chorros hacia láminas de mica.

Como era de esperar según el modelo de Thomson, el haz pasaba por las capas de mica y se iba haciendo menos intenso a medida que aumentaban las capas hasta ser absorbido completamente. Se suponía que los átomos eran esferas de carga positiva con electrones introducidos en ellas. Por tanto, los átomos serían neutros según su electricidad y no desviarían las partículas alfa. Además, en caso de choque simplemente se descolocarían los átomos.

Más tarde, Geiger comenzó a dirigir los estudios de Marsden y Rutherford le sugirió que para iniciarlo en la investigación realizaran el experimento con metales. Decidieron realizarlo con oro ya que se necesitaban láminas muy finas para que las partículas alfa no fuesen absorbidas y éste era uno de los pocos materiales con los que se podían hacer láminas extremadamente delgadas. Por esto, el experimento solo tuvo éxito con oro y funcionó mejor con platino puesto que con él se podían hacer láminas aun más delgadas.

Como Rutherford era muy precavido y sabía que iba a suceder algo diferente, les dijo que situasen una pantalla de sulfato de zinc detrás de la lámina para observar hacia donde iban las partículas al atravesar la lámina de oro. Cuando las partículas llegasen a la pantalla, se produciría un destello en el lugar por donde pasase. Además, les dijo que pusieran un microscopio de tal forma que se pudiese observar si rebotaba alguna partícula.

El resultado del experimento fue sorprendente ya que una partícula de cada 8000 era despedida hacia atrás. Este fue el momento en que Rutherford dijo:

“Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara”

Esto es una semejanza con las partículas alfa y la lámina de oro ya que las partículas alfa iban muy rápido y la lámina era tan fina que las partículas tendría que atravesarla siempre al igual que un obús atravesaría siempre una hoja de papel.

Rutherford les sugirió a Marsden y a Geiger que calculasen cómo de cargados positivamente tendrían que estar los átomos y cómo de pequeños y compactos tendrían que ser para hacer rebotar una partículas alfa si ésta se chocase con él. Cuando lo calcularon, vieron que tenía que estar toda la carga positiva concentrada en una esfera 10000 veces menor que el átomo. De esta manera descubrieron el núcleo atómico.

He aquí un video que muestra cómo se realizó este experimento. Si no consigue verlo metase en esta página: http://www.youtube.com/watch?v=Q8RuO2ekNGw

Más tarde, Rutherford planteó su modelo atómico. Según él, el átomo estaba formado por un núcleo y una corteza. En el núcleo estaba toda la carga positiva concentrada y en la corteza estaban los electrones orbitando alrededor del núcleo. Se pude observar que existe cierta semejanza entre este modelo atómico y el sistema solar. Rutherford pensaba que existían otras subunidades del átomo en igual número que los electrones pero con carga positiva a las que llamó protones y dijo que éstos eran los que formaban el núcleo.

Para ver una animación de cómo pasaban las partículas alfa por la lámina de oro pulsa en el enlace. Para ver un video con la explicación en inglés mira este enlace: http://www.youtube.com/watch?v=FfY4R5mkMY8&feature=related

6) Las interacciones fundamentales

Según hemos dicho en el apartado anterior, el átomo según Rutherford estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo, formado por protones, tenía toda la carga positiva y ocupaba una parte muy pequeña dentro del átomo. La corteza, sin embargo, estaba formada por electrones orbitando alrededor del núcleo y en igual número que los protones y ocupaba la mayor parte del átomo. Además, los protones tenían una masa mucho mayor que la de los electrones. De todo esto podemos deducir que el átomo está prácticamente vacío.

No obstante, este modelo tenía algunos problemas. Uno de ellos era que los protones se repelen y por tanto no pueden estar apelotonados. Sin embargo, Rutherford halló la solución. Determinó que en el núcleo existían otras partículas a las que llamó neutrones y estas mantenían unidos a los protones mediante una fuerza nueva. Otro problema era que los electrones tenderían a caer hacia el núcleo ya que eran atraidos por los protones y, por tanto, los átomos serían inestables. La solución a este problema la descubrió Bohr. Bohr dijo que los electrones tenían órbitas circulares y llevaban la velocidad suficiente para no caer. Además, existían varias capas de orbita y los electrones podían cambiar de orbita liberando o adquiriendo energía.

De este modo, podemos decir que Rutherford es el padre de la interacción nuclear puesto que gracias a su modelo atómico surgieron nuevas preguntas gracias a las cuales se descubrieron dos fuerzas dentro del átomo que se añadieron a las interacciones fundamentales de la naturaleza.

Las interacciones fundamentales son las cuatro fuerzas principales en que se rige el universo. Estas fuerzas son: la gravedad, el electromagnetismo, la interacción nuclear débil y la interacción nuclear fuerte.

La gravedad fue la fuerza descubierta por Newton. Consiste en una atracción producida por cada cuerpo y que varía dependiendo de la masa de éste. Pincha en el enlace para ver el experimento de Galileo

El electromagnetismo es la interacción que ocurre entre partículas con carga eléctrica. Si poseen la misma carga (positiva o negativa) se repelen y si poseen carga de distinto signo se atraen.

La interacción nuclear fuerte es la fuerza que mantiene unidos los nucleones (protones y neutrones) entre si formando el núcleo atómico.

Por último, la interacción nuclear débil es la que ocurre dentro de las subunidades del átomo. Recibe este nombre por tener un campo de fuerza menor que la interacción nuclear fuerte.

En este video podemos ver la evolución del modelo atómico a lo largo de los siglos

Si no se puede ver el vídeo, éste se localiza en esta página

http://www.youtube.com/watch?v=0UW90luAJE0

7) Escudo científico

He aquí nuestro escudo científico

Como podemos observar, este escudo muestra en su interior la mayoría de las ciencias. Sin embargo, no muestra únicamente las ciencias naturales como la física o la química, sino que también muestra otras ciencias pertenecientes a las ciencias formales (matemáticas, lógica...) y las ciencias sociales (economía, historia). Ahora, procederemos a explicar cada una de las partes del escudo.

Encima de él, podemos ver una bombilla la cual representa una idea. Esta bombilla nos quiere decir que la ciencia se basa en tener una idea e intentar probar que es cierta.

Cruzados detrás del escudo hay un matraz y una probeta que están simplemente de adorno, pero que representan la ciencia.

El escudo se divide en ocho partes. Cada parte representa una ciencia. La primera de ellas (situada arriba del todo a la izquierda) representa la psicología ya que se puede observar la típica sesión del psicólogo. En la siguiente parte, se puden observar una hoja con sus células y glóbulos rojos. Por tanto, representa la biología. La parte que viene a continuación, representa la química ya que se puede ver una probeta burbujeante y un microscopio. La parte que contiene el espacio representa lógicamente la astrología. La quinta parte (abajo a la izquierda) representa la economía ya que, como podemos observar, tiene la típica gráfica que señala los ingresos de una empresa y la otra imagen muestra dinero. La sexta parte, representa la física ya que podemos observar la estructura del átomo y una manzana que refleja el mítico momento en que le cayó una manzana en la cabeza a Newton y así descubrió la gravedad. En la siguiente parte es obvio que se representan las matemáticas por las figuras geométricas y los números. La última y octava parte representa la geología.

Debajo del escudo se puede ver escrito:

"Las ciencias aplicadas no existen...solo las aplicaciones de la ciencia"

Esta frase, dicha por Louis Pasteur, quiere decir que no se entienden las ciencias realmente si no se saben aplicar.