¿Cómo llegó Rutherford a la conclusión de que la mayor parte de la masa (así como la carga positiva) se concentraba en el núcleo?

Question

El experimento de Geiger y Marsden llevó a Rutherford a creer que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaban concentradas en una pequeña región. Entiendo lo que le llevó a concluir la forma en que la carga positiva está posicionada en el átomo. Pero, ¿cómo llegó a la conclusión de que la mayor parte de la masa estaba en una pequeña región (el núcleo)?

¿Qué importancia tiene, después de todo, la distribución de la masa? Dado que la fuerza eléctrica es mayor que la gravitatoria en muchas magnitudes, la fuerza entre la carga positiva y los electrones era predominantemente eléctrica.

Entonces, ¿cómo llegó Rutherford a la conclusión de que la mayor parte de la masa está en el núcleo?

Answer 1

Este es un buen ejemplo de cómo funciona la ciencia.

Geiger y Marsden observaron que algunas de las partículas alfa se retrodispersaban. Esto es inconcebible si la partícula alfa es dispersada por una partícula más ligera.

Si se considera una partícula de masa $m$ y la velocidad inicial $v_1$ golpear un objetivo de masa $m'$ en reposo, sin cambiar su dirección, entonces su velocidad final $v_2$ puede asumir dos valores posibles, $$v_2=v_1,\quad\mathrm{or}\quad v_2=-v_1\left(\frac{m'-m}{m'+m}\right).$$ La segunda solución da que la retrodispersión sólo es posible si el blanco tiene mayor masa que la partícula incidente. Por aquel entonces, se sabía que la masa del electrón era mucho menor que la masa de la partícula alfa, por lo que un evento de retrodispersión implicaría que los centros de dispersión eran en realidad núcleos pesados positivos. Y, efectivamente, esas dispersiones se observaron.

Para comprobarlo formalmente, Rutherford obtuvo una fórmula para el número de partículas dispersadas en función del ángulo de dispersión utilizando la hipótesis de los núcleos pesados (que se justifica en el párrafo anterior). Geiger y Marsden hicieron el experimento y los datos coincidieron con la fórmula de Rutherford.

Answer 2

Wikipedia lo explica bastante bien, pero voy a seleccionar lo más relevante para ti.

Antes del experimento Geiger-Marsden, la idea general era que los átomos estaban construidos de algún sustrato positivo permeable en el que flotaban algunas partículas negativas; el llamado budín de ciruelas modelo.

Si disparamos $\alpha$ partículas en esta configuración deberían pasar todas a través de los átomos, ya que se cree que el sustrato positivo es permeable. (lado izquierdo de la figura)

Pero cuando la gente hizo el experimento vieron que la mayoría de las partículas pasaron mientras que algunas se dispersaron $180^\circ$ al revés, ¡algunos incluso doblaron un pequeño ángulo! (lado derecho de la figura)

El modelo del pudín de ciruela no tenía problemas con las partículas que pasaban sin ser molestadas, pero ¿qué pasa con las que se retrodispersaban? La gente teorizó que debía haber algún núcleo sólido en el átomo contra el que las $\alpha$ las partículas podrían dispersarse. El núcleo no podía ser demasiado grande ya que sólo una pequeña fracción del $\alpha$ partículas retrodispersadas.

Esto lleva a un modelo en el que la mayor parte de la masa (a la que $\alpha$ ¡las partículas pueden dispersarse) están en el centro del átomo con las cargas negativas a su alrededor!

Answer 3

Rutherford realizó una serie de experimentos en los que midió la retrodispersión de $\alpha$ partículas en función del espesor de la lámina metálica. En la tercera parte del experimento observó que alrededor de 1 de cada 8000 $\alpha$ las partículas fueron capaces de dispersarse hacia atrás. Esto fue posible sólo si se encontró con un gran campo eléctrico. Un campo eléctrico tan grande no puede ser creado por una carga distribuida, sino que tiene que ser creado por alguna carga concentrada. Así que esto explica el concepto de núcleo.

Y como el núcleo tiene la mayor parte de la carga (los protones son más pesados que el electrón) tiene la mayor parte de la masa del átomo.