Historia de la estructura atómica

Question

Estaba leyendo un libro sobre la historia de la estructura atómica ( La química en su contexto de Graham Jill y John Holman), y se interesó por algunos puntos que no se explican en el libro.

1. "Los cálculos basados en los resultados obtenidos por Geiger y Marsden mostraron que el número de cargas positivas era aproximadamente la mitad de su masa atómica relativa".

¿Cómo lo calcularon y llegaron a esa conclusión?

2. "Moseley bombardeó varios elementos con electrones de alta velocidad y descubrió que la longitud de onda y la frecuencia dependían del elemento que utilizaba". Creo que los rayos X producidos eran rayos X característicos. ¿Estoy en lo cierto?

Si es así, entonces si el electrón golpeado era de una cáscara diferente (aunque sea del mismo elemento), entonces los rayos X producidos serán de diferente longitud de onda y frecuencia. Entonces, ¿por qué en el libro se dice que "Sean cuales sean las condiciones, un elemento concreto siempre forma rayos X de la misma frecuencia". (Estaba leyendo sobre la serie de Lyman y Balmer, en la que la luz emitida por el hidrógeno tiene diferente longitud de onda dependiendo de en qué cáscara se encontraba el electrón, y llegué a esta pregunta).

3. El experimento de Chadwick "Las partículas alfa eliminaron los neutrones de la lámina de berilio y los neutrones emitidos eliminaron los protones de la parafina".

¿Por qué los neutrones del berilio se separaron de su protón y electrón?

4. (un poco fuera de tema) El espectrómetro de masas calcula la relación carga-masa. Pero qué pasa si hay 2 reacciones que ocurren en la cámara;

Los átomos de Ar=20 se ionizan en iones +1 Los átomos de Ar=40 se ionizan en iones +2

¿Su relación entre carga y masa será igual, es decir, +1 a 20? Si es así, ¿cómo podemos distinguirlos?

Eso es todo lo que me interesa por ahora, muchas gracias :)

Answer 1

Iré actualizando esto a medida que vaya encontrando respuestas a tus otras preguntas.

Primera pregunta

Geiger y Marsden en realidad hicieron varios experimentos todos muy relacionados (y todos explicados en este sitio web ). El relacionado con tu pregunta se hizo en 1913, para probar relaciones que Rutherford calculó y publicó en un artículo de 1911 (The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom).

Geiger y Marsden no sabían cuál era la carga positiva del núcleo de sus metales (al fin y al cabo acababan de descubrir el núcleo), pero supusieron que era proporcional al peso atómico. En concreto, comprobaron si era proporcional al peso atómico al cuadrado. Así que lo que hicieron fue utilizar el aparato que se muestra a continuación.

Cubrieron los agujeros del disco con láminas de oro, estaño, cobre y aluminio y midieron el poder de detención de cada lámina equiparándolo con un espesor equivalente de aire. Contaron el número de centelleos por minuto que la lámina producía en la pantalla. A continuación, dividieron los centelleos por minuto entre el equivalente de aire de la lámina y, después, volvieron a dividirlos por la raíz cuadrada del peso atómico. Así, Geiger y Marsden obtuvieron el número fijo de centelleos que produce un número fijo de átomos para cada metal. Luego, para cada metal, dividieron este número por el cuadrado del peso atómico y comprobaron que las proporciones eran más o menos las mismas. Por lo tanto, demostraron que $s ∝ Q_n^2$ (donde $Q_n$ es la carga positiva del núcleo atómico).

Segunda pregunta

Para su segunda pregunta, sobre el experimento de Moseley, sí, eran rayos X característicos. Este sitio web ofrece más información sobre la ley de Moseley y este sitio web ofrece más información sobre el propio Moseley y sus otros logros (dato curioso: predijo la existencia del elemento 61, que acabó llamándose prometio).

En respuesta a la segunda parte de su segunda pregunta, el espectro de la luz emitida por los átomos es proporcional al cuadrado de $Z$ la carga de su núcleo (en el modelo de Bohr del átomo). Moseley pudo confirmar que el espectro de luz emitido era efectivamente proporcional a $Z$ y formuló la ley de Moseley:

$${\sqrt f}=k_{1}\cdot \left(Z-k_{2}\right)$$

Donde $f$ es la del principal, o $K$ línea de emisión de rayos X, y $k_1$ y $k_2$ son constantes que dependen del tipo de línea.

Tercera pregunta

Para tu tercera pregunta, utilizó el berilio para crear radiación. Luego apuntó la radiación a la parafina, y como la parafina tiene un alto contenido de hidrógeno y por lo tanto ofrece un blanco denso en protones, y los neutrones tienen casi la misma masa, los protones se dispersaron fácilmente cuando la radiación los golpeó. Chadwick observó la distancia a la que se dispersaban los protones y cómo la radiación impactaba en los átomos de varios gases y concluyó que la radiación estaba formada por partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón, es decir, el neutrón.

Ahora, para saber por qué el berilio emitía neutrones. (Ver este sitio web para más información; aquí se ofrece un resumen). $^9Be$ libera más neutrones de los que absorbe - este isótopo en particular sufre una reacción (n, 2n), que puede describirse a continuación como

$$\frac {9}{4}Be + n → 2(\frac {4}{2}He) + 2n$$

Los neutrones también pueden liberarse cuando los núcleos de berilio son golpeados por partículas alfa energéticas y cuando el berilio es bombardeado por rayos gamma.

Cuarta pregunta

No estoy seguro de entender esta pregunta. Sí, los espectrómetros de masas calculan la relación carga-masa, pero también se detectan mediante un mecanismo como un multiplicador de electrones y los átomos/iones de la muestra pueden correlacionarse con patrones de fragmentación conocidos. Este sitio web y este sitio web puede serle útil; especialmente el segundo enlace.

Espero que esto ayude.