Model atòmic de Rutherford

Archiu:Rutherford atomic planetary model.svg

Model atòmic de Rutherford

Archiu:3D anamation of the Rutherford atom.ogv

Animació 3D d'un àtom segons Ernest Rutherford.

El model atòmic de Rutherford és un model atòmic o l'estructura interna del àtom propost pel químic i físic britànic-neozelandés Ernest Rutherford en 1911, per a explicar els resultats del seu «experiment de la làmina d'or».

Rutherford va aplegar a la conclusió de que la massa de l'àtom es concentrava en una regió chicoteta de càrregues positives que impedien el pas de les partícules alfa. Més vesprada va propondre un nou model atòmic que posseïa un núcleu o centre en el que el Model atòmic de Thomson no va poder explicar cóm es manté la càrrega en els electrons dins de l'àtom. Tampoc va poder explicar l'estabilitat d'un àtom. La teoria no va mencionar res sobre el núcleu de l'àtom.

En ell es concentra la massa i la càrrega positiva, i que en la zona extra nuclear es troben els electrons de càrrega negativa.

Archiu:Rutherford atom.svg

Model d'un àtom de Rutherford. Va propondre un núcleu en protones (negre en el centre) i en electrons (en roig) girant al voltant d'est.

Història

Ans que Rutherford proponguera el seu model atòmic, els físics acceptaven que les càrregues elèctriques en l'àtom tenien una distribució més o menys uniforme. Rutherford va tractar de vore cóm era la dispersió de les partícules alfa per part dels àtoms d'una làmina d'or molt prima. Els ànguls resultants de la desviació de les partícules supostament aportarien informació sobre cóm era la distribució de càrrega en els àtoms. Era d'esperar que, si les càrregues estaven distribuïdes uniformemente segons el model atòmic de Thomson, la majoria de les partícules travessarien la prima làmina sofrint solament llaugeres deflexiones, seguint una trayectòria aproximadament recta. Encara que açò era cert per a la majoria de les partícules alfa, un número important d'estes sofrien deflexiones de prop de 180°, és dir, pràcticament eixien rebotades en direcció oposta a l'incident.

Rutherford va pensar que no era suficient fracció de partícules rebotades en direcció oposta podia ser explicada si se suponia l'existència de fortes concentracions de càrrega positiva en l'àtom. La mecànica newtoniana en conjunció en la llei de Coulomb prediu que l'àngul de deflexión d'una partícula alfa relativament llaugera per part d'un àtom d'or més pesat, depén de el "paràmetro d'impacte" o distància entre la trayectòria de la partícula i el núcleu:

A on:

$K=(q_N/4\pi {\epsilon }_0)$, sent ${\epsilon }_0$ la constant dielèctrica del buit i $q_N$ la càrrega elèctrica del centre dispersor.

$E_0$, és l'energia cinètica inicial de la partícula alfa incident.

$b$ és el paràmetro d'impacte.

Ya que Rutherford va observar una fracció apreciable de partícules "rebotades" per a les quals l'àngul de deflexión és propenc a χ ≈ π, de la relació inversa a (1):

es deduïx que el paràmetro d'impacte deu ser prou menor que el radi atòmic. De fet, el paràmetro d'impacte necessari per a obtindre una fracció apreciable de partícules "rebotades" va servir per a fer una estimació del tamany del núcleu atòmic, que resulta ser unes cent mil voltes més chicotet que el diàmetro atòmic. Este fet va resultar ser la capacitat uniformable sobre la càrrega positiva dels protones.

L'Importància del model i llimitacions

L'importància del model de Rutherford va residir en propondre per primera volta l'existència d'un núcleu central en l'àtom (terme que va falcar el propi Rutherford en 1912, un any en acabant de que els resultats de Geiger i Mardsen anaren anunciats oficialment). Lo que Rutherford va considerar essencial, per a explicar els resultats experimentals, va ser «una concentració de càrrega» en el centre de l'àtom, ya que, sense ella, no podia explicar-se que algunes partícules anaren rebotades en direcció casi oposta a l'incident. Est va ser un pas crucial en la comprensió de la matèria, ya que implicava l'existència d'un núcleu atòmic a on es concentrava tota la càrrega positiva i més del 99,9 % de la massa. Les estimacions del núcleu revelaven que l'àtom en la seua major part estava buit.

Rutherford va propondre que els electrons orbitarían en eixe espai buit al voltant d'un minúscul núcleu atòmic, ubicat en el centre de l'àtom. Ademés, s'obrien varis problemes nous que durien al descobriment de nous fets i teories en tractar d'explicar-los:

• Per un costat es va plantejar el problema de cóm un conjunt de càrregues positives podien mantindre's unides en un volum tan menut, fet que va dur posteriorment a la postulació i descobriment de la força nuclear forta, que és una de les quatre interaccions fonamentals.
• Per un atre costat existia una atra dificultat provinent de l'electrodinàmica clàssica que prediu que una partícula carregada i accelerada, com seria el cas dels electrons orbitando al voltant del núcleu, produiria radiació electromagnètica, perdent energia i finalment caent sobre el núcleu. Les lleis de Newton, junt en les equacions de Maxwell del electromagnetisme aplicades a l'àtom de Rutherford duen a que en un temps de l'orde de $10^{-10}$s, tota l'energia de l'àtom s'hi hauria radiado, en la consegüent caiguda dels electrons sobre el núcleu. Es tracta, per tant d'un model físicament inestable, des del punt de vista de la física clàssica.

Segons Rutherford, les òrbites dels electrons no estan molt ben definides i formen una estructura complexa al voltant del núcleu, donant-li un tamany i forma alguna cosa indefinides. Els resultats del seu experiment li varen permetre calcular que el radi atòmic era dèu mil voltes major que el núcleu mateix, i en conseqüència, que l'interior d'un àtom està pràcticament buit.