08 – No es oro todo lo que reluce

Ernest Rutherford (II)
#RelatosRadiactivos

Os traemos el octavo de los #RelatosRadiactivos de #NuclearEspaña, una forma diferente de aproximarse a la ciencia y tecnología nuclear, por @gon_nuclear. Hoy nos adentraremos en los misterios de la estructura atómica de la mano de Ernest Rutherford.

Estaba empezando a hacerse de noche en Manchester. Los ruidos y los humos de una de las ciudades más industrializadas de Reino Unido quedaban fuera del Laboratorio de Física de la universidad, rodeándolo como una fina capa de seda. Sentados en unas sencillas banquetas de madera, Ernest Rutherford y Hans Geiger discutían lánguidamente. En los últimos tiempos, se sentían derrotados por no comprender los hallazgos experimentales sobre el comportamiento de las partículas alfa al atravesar la mica, un mineral con el cual era muy fácil crear láminas muy delgadas. Según el modelo atómico de Thomson, las partículas deberían atravesar la mica al no encontrase resistencia material o electromagnética suficiente. Pero la realidad era muy distinta.

—No tenemos nada, Ernie, ni siquiera sabemos con qué especular —aseveró Geiger—, los experimentos han sido realizados de forma recurrente y la medición es concienzuda.

—Lo sé, lo sé, Hans —contestó Ernest Rutherford—, ¡diablos! Que tantos años después las partículas alfa sigan mostrándose tan misteriosas es algo que no soporto.

—Sí, te entiendo, pero los hechos son tozudos: cuando la lámina de mica es fina, hay partículas alfa que se desvían en ángulos erráticos. No son muy grandes, pero aun así están muy fuera del error atribuible a la medida y a la desviación esperable por el campo electromagnético del átomo.

—Peor aún, Hans: cuando hay muchas capas de mica, las partículas alfa son retenidas en ella, como nos pasaba con el papel. Esto no hay quien lo entienda. ¡Necesitamos más datos! Podríamos hacer una configuración experimental que nos permitiese medir ángulos de desviación mucho más amplios, ¿cómo lo ves?

—Me parece buena idea. Además, podríamos probar con láminas mucho más finas que las de mica, quizá de oro, para intentar eliminar las absorciones de las partículas alfa por la muestra.

—¡Eso es! Así conseguiríamos caracterizar mejor el fenómeno y descartar errores experimentales.

—Cierto. Y más aún, estamos de suerte, tengo la persona adecuada: un brillante estudiante llamado Marsden que, a buen seguro, me podría ayudar con la configuración experimental.

Algunos meses más tarde, las medidas comienzan a tomarse en el Laboratorio de Física de la Universidad de Manchester. No estaba tan bien dotado como el laboratorio que Rutherford dejó en la Universidad de McGill, pero era uno de los mejores laboratorios del mundo, sin duda. Aquellos días se respiraba entusiasmo en el equipo de trabajo. Marsden y Geiger habían conseguido diseñar una configuración experimental muy innovadora, que permitía medir todas las posibles desviaciones de las partículas alfa al atravesar la fina lámina de oro. Después de unas intensas jornadas midiendo, los tres investigadores —Rutherford, Geiger y Marsden— se inclinaron sobre la tabla de resultados, atónitos.

—No entiendo nada, Ernie. Esto no tiene ningún sentido. Según el modelo de Thomson las partículas alfa deberían pasar de largo sin desviarse. Pero no, no solo tenemos desviaciones pequeñas como antes, ahora tenemos también desviaciones grandes y ¡hasta partículas alfa rebotando contra la lámina de oro!

—Es como si se disparara un obús de quince pulgadas contra una hoja de papel y rebotara. Inaudito, Hans, absolutamente inaudito—dijo Rutherford—. Intuyo que el modelo de Thomson no refleja bien la realidad que estamos viendo, quizá haya que echarle una pensada. Pero seamos cautos: ni todo el monte es orégano, ni es oro todo lo que reluce.

Figura 1. Hans Geiger (izquierda) y Ernest Rutherford (derecha) en su laboratorio de Manchester. Fuente: The Arts Centre of Christchurch.

En 1907, después de su productivo periodo en la Universidad de McGill en Canadá, Ernest Rutherford llegó a la Universidad de Manchester y en seguida se puso manos a la obra. En poco tiempo, junto con el investigador Hans Geiger desarrolló un prototipo de detector de partículas alfa, que daría lugar más tarde al moderno contador Geiger. Gracias a dicho prototipo pudieron determinar la carga exacta de los rayos alfa y deducir que eran iones helio y, por tanto, partículas y no radiaciones sin masa.

Al año siguiente, gracias a los descubrimientos efectuados anteriormente en McGill, recibió el premio Nobel de Química, causándole una sensación agridulce, ya que el premio es en química, a la que consideraba una ciencia de segunda fila: “la ciencia, o es física, o es filatelia”, citando al científico de Nueva Zelanda.

Ese mismo año 1908, tras una serie de experimentos, Rutherford y Geiger habían detectado que las partículas alfa desviaban su trayectoria unos pocos grados al atravesar una delgada lámina de mica, pero eran incapaces de entender el porqué. Con el modelo atómico de Thomson en la mano, se hubiese esperado que todas las partículas alfa que atravesasen la lámina lo hicieran sin desviarse, puesto que la única partícula subatómica conocida en la época (el electrón) era muy pequeña comparada con las partículas alfa y los campos electromagnéticos presupuestos no eran lo suficientemente fuertes como para desviar las partículas alfa.

En 1909, Rutherford quiso ir más allá y propuso a Geiger y a un avispado estudiante llamado Ernest Marsden un experimento que fuese capaz de medir cualquier ángulo de desviación, incluso mayor de 90º. Utilizaron una delgada lámina de oro para evitar en la medida de lo posible las absorciones de las partículas alfa por el metal. El montaje experimental y la medición era un reto. Se utilizaba una pantalla fluorescente de sulfuro de zinc para registrar los impactos de las partículas alfa, proceso que debía realizarse manualmente con un microscopio y para 360º. Marsden y Geiger llegaron a una solución eficiente a la par que elegante, Figura 2.

Los resultados del experimento les dejaron muy sorprendidos: aunque la mayoría de las partículas no se desviaban, un pequeñísimo porcentaje sí lo hacían y un porcentaje más pequeño aún lo hacían con ángulos de desviación mayores a 90º, es decir, rebotaban en la lámina, no la atravesaban.

Figura 2. Experimento de Rutherford, Geiger y Marsden de 1909. Fuente: Sciencefacts

Rutherford volvió a las aulas, pero como estudiante. Asistió a cursos de estadística para poder caracterizar mejor el comportamiento de lo que estaban observando en los experimentos. A principios del año 1911 apareció por el laboratorio de buen humor, cantando Onward Christian Soldiers, himno inglés en el siglo XIX y símbolo inequívoco de idea exitosa para él, anunciando a Geiger: “ya sé el aspecto del átomo”. Poco después, el 7 de marzo de 1911, publicó un artículo que revolucionaría no solo la física si no el pensamiento humano: La dispersión de rayos alfa y beta y la estructura del átomo. En palabras de Sir Arthur Eddington: “Rutherford introdujo el mayor cambio en nuestra idea de la materia desde el tiempo de Demócrito”. En él se daba cuenta del siguiente hecho: la materia no era maciza, estaba esencialmente hueca, salvo un minúsculo núcleo positivo —que concentraba el 99 % de la masa— rodeado de electrones. Esa era la hipótesis que mejor casaba con el experimento: la mayoría de las partículas alfa no se desviaban porque pasaban lejos del núcleo. El ángulo de desviación dependía de la distancia a la cual pasaban del núcleo. Las que se chocaban frontalmente con él, rebotaban por repulsión electrostática.

Rutherford llegó a sus conclusiones en un momento en el que la comunidad científica aún debatía la existencia de los átomos. Sus trabajos fueron clave para poder avanzar en el conocimiento de la estructura de la materia. Pero el modelo atómico de Rutherford, tal y como estaba propuesto era intrínsecamente inestable aplicando las leyes de la física clásica. Era necesaria una nueva formulación que explicase el comportamiento de la materia a esas escalas. Un singular físico danés tendría mucho que ver en la resolución del rompecabezas que Rutherford había planteado.

Rutherford es considerado uno de los mejores experimentalistas de la historia a la par que un gran jugador de equipo y un maestro de maestros: hasta once de sus colaboradores llegaron a conseguir un premio Nobel, entre ellos Niels Bohr, Otto Hahn y Frederick Soddy.

Bibliografía para saber más:

 
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