CAPITULO 9 : RUTHERFORD, EL NUCLEO ATÓMICO

1- Como has podido leer J.J. Thomson fue profesor de Rutherford, que a su vez fue profesor de Hans Geiger. ¿Cómo valoras el hecho de que los investigadores científicos formen a los estudiantes?


* Nos parece una buena idea académica, ya que aprendes de primera mano, por lo tanto de un profesional que se ha dedicado a lo largo de su vida a ese tema, por lo que los estudiantes aprenden mucho más.
Además hemos podido investigar que una persona licenciada en Ciencias Físicas es prácticamente imposible que esté en paro, por lo tanto la física no es sólo una elección interesante sino también práctica e inteligente de elegir.
En definitiva en nuestra opinión este hecho lo valoramos muy positivamente.

2- En palabras de Rutherford, . En 1908, le otorgaron el premio Nobel de Química. Su reacción fue realmente muy curiosa: . ¿Cuáles son las diferencias entre la Física y la Química? Da una interpretación a ambas frases del científico, ¿por qué crees que le otorgaron el premio Nobel de Química y no el de Física?

Las diferencias entre la física y la química son las siguientes:

*La física es la ciencia que estudia la materia y la energía así como las leyes a las que están sujetas.

 La física es significativa e influyente, en parte debido a que los avances en la comprensión a menudo han traducido en nuevas tecnologías, sino también porque las nuevas ideas en la física a menudo resuenan con las demás ciencias, las matemáticas y la filosofía.

La física no es sólo una ciencia teórica, es también una ciencia experimental. Como toda ciencia, busca que sus conclusiones puedan ser verificables mediante experimentos y que la teoría pueda realizar predicciones de experimentos futuros. Dada la amplitud del campo de estudio de la física, así como su desarrollo histórico en relación a otras ciencias, se la puede considerar la ciencia fundamental o central, ya que incluye dentro de su campo de estudio a la química, la biología y la electrónica, además de explicar sus fenómenos.

Para explicar mejor esta ciencia veamos el siguiente ejemplo:

* Para explicarlo mejor vemos conveniente dar un ejemplo de cada ciencia.

Por ejemplo si un auto se mueve éste no se transforma en nada solo sigue las leyes del movimiento, como aceleración, inercia...

*La química es la ciencia que estudia la materia y sus transformaciones.

Las disciplinas de la química han sido agrupadas por la clase de materia bajo estudio o el tipo de estudio realizado. Entre éstas se tienen la química inorgánica, que estudia la materia inorgánica; la química orgánica, que trata con la materia orgánica; la bioquímica, el estudio de substancias en organismos biológicos; la físico-química, comprende los aspectos energéticos de sistemas químicos a escalas macroscópicas, moleculares y atómicas; la química analítica, que analiza muestras de materia tratando de entender su composición y estructura. Otras ramas de la química han emergido en tiempos recientes, por ejemplo, la neuroquímica que estudia los aspectos químicos del cerebro.

Para explicar mejor esta ciencia veamos el siguiente ejemplo:

*Si quemo (combustión) un poco de papel, este dejará de ser papel y se transformará en carbón y bióxido de carbono.

La interpretación de cada frase:

1) "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 se podía explicar mediante la física. Por tanto, cualquier ciencia, o era física en sí, toda ella, o era coleccionismo de sellos. Por lo que podemos interpretar que para el el coleccionismo de sellos no le importaba lo más mínimo. En resumen, la física estaba situada para él por encima de todas las demás ciencias.

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

Rutherford dijo eso porque a lo largo 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.

El premio Nobel se lo dieron por sus experimentos en la desintegración de los elementos y la química de los materiales radioactivos.

 

3-Investiga sobre la biografía de Nikola Tesla. ¿Cuáles fueron sus principales aportaciones a la Física? ¿Qué disputas científicas mantuvo con Edison y Marconi? Te recomendamos una película: EL TRUCO FINAL. El argumento de esta película describe muy bien la mezcla de magia y ciencia que se vivía en el final del siglo XIX y principios del XX. Trabajo opcional para subir nota: Realiza una línea de tiempo con los principales hechos científicos de este periodo.

Biografia de Nikola Tesla y sus principales aportaciones a la Física:

Inventor serbio nacido en Similjan, Croacia (entonces Austria-Hungría), en el seno de una familia ortodoxa serbia, el 10 de julio de 1856. Fallecido en Nueva York EEUU, 17 de enero de 1943.

Fué físico, matemático, inventor, e ingeniero eléctrico. Nacido en la Vojna Krajina austrohúngara, se educó en Graz y después en Praga donde estudió ingeniería eléctrica. En 1881 viaja a Budapest para trabajar en una compañía de telégrafos norteamericana. Al año siguiente se traslada a París para trabajar en una de las compañías de Thomas Alva Edison, donde realizó su mayor aporte: la teoría de la corriente alterna en electricidad, lo cual le permitió idear el primer motor de inducción en 1882.
En 1884 se traslada a Nueva York, creando su propia compañía en 1886 tras romper con Edison. Tenía un laboratorio en la calle Houston en Nueva York.
En 1887 logra construir el motor de inducción de corriente alterna y trabaja en los laboratorios Westinghouse, donde concibe el sistema polifásico para trasladar la electricidad a largas distancias. En 1893 consiguió transmitir energía electromagnética sin cables, construyendo el primer radiotransmisor (adelantándose a Guglielmo Marconi). Ese mismo año en Chicago, se hizo una exhibición pública de la AC (corriente alterna), demostrando su superioridad sobre la corriente continua (DC) de Edison.
En las cataratas del Niágara se construyó la primera central hidroeléctrica gracias a los desarrollos de Tesla en 1893, consiguiendo en 1896 transmitir electricidad a la ciudad de Búfalo.
Con el apoyo financiero de George Westinghouse, la corriente alterna sustituyó a la continua. Tesla fue considerado desde entonces el fundador de la industria eléctrica.
En 1891 inventó la bobina que lleva su nombre.
Cuando murió, el Gobierno de los Estados Unidos intervino todos los documentos de su despacho, en los que constaban sus estudios e investigaciones. Aún no se han desclasificado dichos documentos.

Mantuvo una disputa con Edison llamada (La guerra de las corrientes):

Durante los años iniciales de distribución de electricidad, la corriente continua de Edison era el estándar para los Estados Unidos y Edison no estaba dispuesto a perder todos sus derechos de autor evidentes.

La corriente continua trabajó para utilizar las lámparas incandescentes que eran la carga principal del día, así como para motores. De su trabajo con campos rotatorios magnéticos, Tesla inventó un sistema para la generación, la transmisión, y el empleo de corriente alterna. Él acordo con George Westinghouse para comercializar este sistema. Westinghouse antes había comprado los derechos a las patentes de sistema de polifase de la Tesla y otras patentes para transformadores de corriente alterna de Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs.
Varias corrientes desconocidas se ponen bajo esta rivalidad. Edison era un experimentador de fuerza bruta, pero no era ningún matemático. La corriente alterna realmente no puede ser entendida o explotada sin una orientación de física y matemática, que Tesla la tenía. Tesla había trabajado para Edison, pero no fue valorado (por ejemplo, cuando la idea de transmisión de corriente alterna desarrollada por la Tesla fue relacionada con Edison, él declaró, " las ideas de Tesla sonespléndidas, pero ellas son completamente poco prácticas. ". Sentimientos malos fueron exacerbados porque la Tesla había sido engañado por Edison en una promesa de compensacion para su trabajo. Edison más tarde lamentaria no haber escuchado a la Tesla y utilizadar la corriente alterna.

También mantuvo una disputa con Marconi:

En 1893, Tesla inventa la radio en Europa patentándola en Estados Unidos cuatro años más tarde, sin embargo, dicha patente no le fue concedida hasta 1900.

Este tema le produjo muchos dolores de cabeza, pues la empresa formada por Guglielmo Marconi, la primera en realizar una emisión radiofónica (1895), se disputaba con Tesla el invento. Debemos saber que la patente de Marconi fue presentada el 10 de noviembre de 1900 y se consideró como una copia de la ya presentada por Tesla, por lo que la oficina desestimó esa patente de Marconi.

Pero la Marconi Wireless Telegraph Company no se conformó con esto y trató de quitarle la patente a Tesla, pero tras años de litigio y miles de páginas con los testimonios de científicos brillantes de su época a favor de Tesla, la Suprema Corte de Estados Unidos dictaminó poco después de su muerte, en junio de 1943, que la patente presentada por Nikola Tesla, era la única válida. La disputa era idealista, pues la Marconi Company sólo pretendía comerciar con el producto, mientras que Tesla quería nada más que ofrecer esa tecnología gratuitamente.

Línea de tiempo con los principales hechos científicos:

4- Contesta brevemente:

4a) ¿Qué diferencia la fluorescencia de la fosforescencia?

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, pero verdosa, incluso cuando se las deja de iluminar o de aplicar una radiación.


4b) ¿Qué son los Rayos X? ¿Cómo se descubrieron?

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la desexcitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).

El descubrimiento de los rayos "X" fue el producto de la investigación, experimentación y no por accidente como algunos autores afirman; W.C. Roentgen, hombre de ciencia, agudo observador, investigaba los detalles más mínimos, examinaba las consecuencias de un acto quizás casual, y por eso tuvo éxito donde los demás fracasaron. Este genio no quiso patentar su descubrimiento cuando Thomas Alva Edison se lo propuso, manifestando que lo legaba para beneficio de la humanidad.

4c) ¿Qué es la Radiactividad? ¿Cómo fue descubierta?

La Radiactividad, es un fenómeno físico natural, por el cual algunos cuerpos o elementos químicos llamados radiactivos, emiten radiaciones que tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Debido a esa capacidad se les suele denominar radiaciones ionizantes (en contraste con las no ionizantes). Las radiaciones emitidas pueden ser electromagnéticas, en forma de rayos X o rayos gamma, o bien corpusculares, como pueden ser núcleos de Helio, electrones o positrones, protones u otras.

La radiactividad es una propiedad de los isótopos que son "inestables". Es decir que se mantienen en un estado excitado en sus capas electrónicas o nucleares, con lo que para alcanzar su estado fundamental deben perder energía. Lo hacen en emisiones electromagnéticas o en emisiones de partículas con una determinada energía cinética. Esto se produce variando la energía de sus electrones (emitiendo rayos X), sus nucleones (rayo gamma) o variando el isótopo (al emitir desde el núcleo electrones, positrones, neutrones, protones o partículas más pesadas), y en varios pasos sucesivos, con lo que un isótopo pesado puede terminar convirtiéndose en uno mucho más ligero, como el Uranio que con el transcurrir de los siglos acaba convirtiéndose en plomo.

En 1896 Becquerel descubrió que ciertas sales de uranio emitían radiaciones espontáneamente, al observar que velaban las placas fotográficas envueltas en papel negro. Hizo ensayos con el mineral en caliente, en frío, pulverizado, disuelto en ácidos y la intensidad de la misteriosa radiación era siempre la misma. Por tanto, esta nueva propiedad de la materia, que recibió el nombre de radiactividad, no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos del cuerpo radiactivo, sino que era una propiedad que radicaba en el interior mismo del átomo.

4d) ¿Por qué fueron importantes las aportaciones del matrimonio Curie y de Rutherford al trabajo de 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.

4e) ¿Qué son las radiaciones alfa, beta y gamma? Ordénalas energéticamente.

La radiación puede ser de tres clases diferentes:

1. 
   
   Radiación alfa: Son flujos de partículas cargadas positivamente compuestas por dos neutrones y dos protones (núcleos de helio). Son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Son muy energéticos.
   
   
   
   
   
   
2. 
   
   Radiación beta: Son flujos de electrones (beta negativas) o positrones (beta positivas) resultantes de la desintegración de los neutrones o protones del núcleo cuando este se encuentra en un estado excitado. Es desviada por campos magnéticos. Es más penetrante aunque su poder de ionización no es tan elevado como el de las partículas alfa. Por lo tanto cuando un átomo expulsa una partícula beta aumenta o disminuye su número atómico una unidad (debido al protón ganado o perdido).
   
   
   
   
   
   
3. 
   
   Radiación gamma: Son ondas electromagnéticas. Es el tipo más penetrante de radiación. Al ser ondas electromagnéticas de longitud de onda corta, tienen mayor penetración y se necesitan capas muy gruesas de plomo u hormigón para detenerlos.
   
   
   
   
   
   

ORDENADAS ENERGÉTICAMENTE SE PRESENTARÍAN DE LA SIGUIENTE MANERA:

Gamma> Beta > Alfa

1. La más energética y con mayor poder de penetración es la Gamma, ya que necesitarían gruesas placas de plomo u hormigón para detenerla.

2. La segunda más energética es la Beta, ya que aunque puede penetrar en seres humanos, no puede atravesar placas de aluminio.

3. La menos energética de todas es la Alfa, ya que no llega a penetrar seres humanos.

4f) ¿Qué es la ley de desintegración atómica? ¿Por qué sirve como método de datación geológica? Trabajo opcional: Investiga sobre el carbono-14

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.

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 (investigación) :

El Carbono-14, es un radioisótopo del carbono y fué descubierto el 27 de febreo de 1940 por Martin Kamen y Sam Ruben. Su núcleo contiene 6 protones y 8 neutrones. El isótopo Carbono-14, es producido de forma contínua en la atmósfera como consecuencia del bombardeo de átomos de nitrógeno por neutrones cósmicos. Este isótopo creado, es inestable, por lo que, espontáneamente, se transmuta en nitrógeno-14. Estos procesos de generación-degradación de 14c se encuentra prácticamente equilibrados, de manera que el isótopo se encuentra homogéneamente mezclado con los átomos no radiactivos en el dióxido de carbono de la atmósfera.

Este video es un pequeño documental sobre la desintegración del carbono-14 :

4g) ¿Para qué sirve un contador Geiger?

Un contador Geiger es un instrumento que permite medir la radiactividad de un objeto o lugar.

Está formando normalmente, por un tubo con un fino hilo metálico a lo largo de su centro. El espacio entre ellos está aislado y relleno de un gas, y con el hilo a unos 1000 V relativos con el tubo.

Permite contar las partículas (normalmente de forma electrónica) pero sin decirnos nada sobre su identidad o su energía (excepto que deberán tener energía suficiente para penetrar las paredes del contador).

El primer dispositivo llamado "Contador Geiger", que sólo detectaba partículas alfa, fue inventado por el físico alemán Hans Geiger y su amigo neocelandés Ernest Rutherford en 1908. En 1928 el propio Geiger mejoró el dispositivo con la ayuda del entonces estudiante Walther Müller, de forma que era capaz de detectar un mayor número de radiaciones ionizantes.

5- Explica cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford. Si quieres, puedes hacerlo con un pequeño vídeo, que simule el experimento. ¿Por qué no funcionó con Mica, sí con pan de oro y mejoró mucho con pan de platino? Comenta la frase: "Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara".

El experimento de Rutherford:
El experimento de Rutherford, también llamado "experimento de la lámina de oro", fue realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester. Los resultados obtenidos y el posterior análisis tuvieron como consecuencia la rectificación del modelo atómico de Thomson (modelo atómico del panqué con pasas) y la propuesta de un modelo nuclear para el átomo.

El experimento consistió en "bombardear" con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.
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 Las partículas alfa se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó el polonio en una caja de plomo, el plomo detiene todas las partículas, menos las que salen por un pequeño orificio practicado en la caja. Perpendicular a la trayectoria del haz se interponía la lámina de metal. Y, para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él.
Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria, pero se observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada 8.000 partícula al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200 átomos de espesor. En palabras de Rutherford ese resultado era "Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara", es decir, "tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".
Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.
Este video explica muy bien el experimento :

6- Describe el modelo de Rutherford y sus limitaciones. ¿Por qué el equipo de Rutherford se puede considerar el padre de la interacción nuclear (piensa en qué lo ocurriría a los protones si no existiera dicha interacción)? ¿Qué son las 4 interacciones fundamentales de la naturaleza?

Este video en inglés explica muy bien el modelo de Rutherford :

El modelo de Rutherford:

En el modelo de Rutherford, los electrones se movían alrededor del núcleo como los planetas alrededor del sol. Los electrones no caían en el núcleo, ya que la fuerza de atracción electrostática era contrarrestada por la tendencia del electrón a continuar moviéndose en línea recta. Este modelo fue satisfactorio hasta que se observó que estaba en contradicción con una información ya conocida en aquel momento: de acuerdo con las leyes del electromagnetismo, un electrón o todo objeto eléctricamente cargado que es acelerado o cuya dirección lineal es modificada, emite o absorbe radiación electromagnética.
El electrón del átomo de Rurherford modificaba su dirección lineal continuamente, ya que seguía una trayectoria circular. Por lo tanto, debería emitir radiación electromagnética y esta radiación causaría la disminución de la energía del electrón, que en consecuencia debería describir una trayectoria en espiral hasta caer en el núcleo.
Rutherford propuso en el 1.911 este modelo de átomo:

1. El átomo esta constituido por una zona central, a la que se le llama núcleo, en la que se encuentra concentrada toda la carga positiva y casi toda la masa del núcleo.
2. Hay otra zona exterior del átomo, la corteza, en la que se encuentra toda la carga negativa y cuya masa es muy pequeña en comparación con la del átomo. La corteza esta formada por los electrones que tenga el átomo.
3. Los electrones se están moviendo a gran velocidad en torno al núcleo.
4. El tamaño del núcleo es muy pequeño en comparación con el del átomo (unas 100.000 veces menor)

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 4 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:

La gravedad hace que un objeto en caída libre sobre un cuerpo celeste se mueva, prescindiendo de eventuales resistencias atmosféricas, de modo acelerado, o sea, con un aumento constante de su velocidad por unidad de tiempo, y que se dirija hacia el centro del cuerpo celeste.








EL ELECTROMAGNETISMO:

El electromagnetismo describe los fenómenos físicos macroscópicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, usando para ello campos eléctricos y magnéticos y sus efectos sobre las sustancias sólidas, líquidas y gaseosas. 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 DÉBIL:

El efecto más familiar es el decaimiento beta (de los neutrones en el núcleo atómico) y la radiactividad. La palabra "débil" deriva del hecho que un campo de fuerzas es de 10¹³ veces menor que la interacción nuclear fuerte; aun así esta interacción es más fuerte que la gravitación a cortas distancias

LA INTERACCIÓN NUCLEAR FUERTE:

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

 

Documental sobre las 4 fuerzas:

7- Crea tu propio "escudo científico" (buscando tu propio lema científico) tal y como hizo Rutherford al ser nombrado varón.

Este escudo como puedes observar es el escudo de superman pero modificado, claro. En el interior hemos puesto un dibujo de átomos representando todo lo hablado en este capitulo (el núcleo atómico). Se nos ocurrió la idea de poner ese escudo ya que la ciencia es como un poder que implica muchas responsabilidades.

Nuestro lema es sencillo de entender “ La investigación es un símbolo de progreso”, simplemente quiere decir que gracias a la investigación se descubren nuevas formas de progresar en un futuro, que nos interesa a todos. Con esto se consigue una mejor calidad de vida como puede ser la ciencia aplicada a la medicina o también a la tecnología...