¿Por qué los electrones no fueron atraídos por las partículas de Helio doblemente cargadas en el experimento de Rutherford?

Question

Tengo un capítulo y en él había un tema sobre el experimento de Rutherford.

Está escrito que las partículas de helio doblemente cargadas o partículas alfa fueron lanzadas hacia una lámina de oro muy delgada y algunas de las partículas alfa fueron rebotadas porque había partículas positivas (protones) y lo positivo y lo positivo siempre se repelen.

Si ésta fuera la razón del rebote de las partículas alfa, ¿por qué los electrones, que son mucho más pequeños que los protones, no fueron atraídos por las partículas alfa? Especialmente cuando las partículas alfa están doblemente cargadas.

Answer 1

El experimento de la lámina de oro realizado por Rutherford (o más apropiadamente por Geiger y Marsden bajo la dirección de Rutherford) implica una corriente de $\alpha$ partículas (que son núcleos de helio) bombardeando una fina lámina de oro.

¿Por qué algunos electrones no se fueron con las partículas alfa debido a la atracción electrostática? Probablemente algunos lo hicieron. El experimento estaba equipado con una pantalla de sulfuro de zinc fluorescente para detectar las partículas alfa ( $\ce{He^{2+}}$ iones). Esta pantalla también podría haber detectado $\ce{He+}$ iones (pero no necesariamente de forma diferente a la detección de partículas alfa), pero probablemente no electrones libres o átomos de helio. El experimento sólo estaba preparado para detectar partículas alfa, por lo que eso es todo lo que observaron Rutherford, Geiger y Marsden. Nunca sabremos cuántas partículas alfa (si es que hay alguna) recogieron electrones en su experimento. Sin embargo, podríamos repetir el experimento, sustituyendo la pantalla fluorescente por un análisis de masas para detectar al menos la diferencia entre $\ce{He^{2+}}$ y $\ce{He+}$ .

Y lo que es más importante, sabemos que muchas partículas alfa pasaron (y algunas fueron desviadas) sin cambios. ¿Por qué estas partículas no captaron electrones? La respuesta a esta pregunta es otra: ¿Qué es lo que retiene esos electrones en la lámina de oro?

Los átomos de oro tienen 79 protones que retienen esos electrones. La primera energía de ionización de oro es de 890,1 kJ/mol y el segundo es de 1980 kJ/mol. Sin embargo, estos valores son para átomos de oro aislados. El oro (como todos los metales) se mantiene unido por enlaces metálicos con electrones deslocalizados que ocupan una banda de valencia. Cada electrón no es retenido por un solo núcleo de oro. Una vez que los primeros electrones son expulsados o arrebatados por las partículas alfa, la lámina de oro tendrá una carga positiva neta. Será mucho más difícil eliminar las partículas cargadas negativamente de la lámina cargada positivamente.

Answer 2

Consideremos las energías de las partículas alfa de la desintegración del radio: Ra-226 4,86 MeV, Ra-222 5,59 MeV. La primera energía de ionización atómica del oro es de 9,22 eV. No se espera la neutralización de la carga de la partícula alfa hasta que se frene por colisión. Dejará un corto camino de ionización densa mientras transfiere energía, siendo continuamente despojada a un núcleo desnudo hasta que se desacelere.

La función de trabajo en el vacío del oro a granel alcanza un máximo de 5,47 eV, lo que da la misma expectativa.

Answer 3

Tuve una situación similar, pero ligeramente diferente pregunta sobre el intercambio de física .

Relevante para esta pregunta: La captura de electrones también parece cambiar la trayectoria del He+ (al igual que chocar con uno de los 79 electrones de alta velocidad por átomo de oro). Aunque mi pregunta se refería más al impacto que esto tiene en la dispersión (ya que parece importante para la medición del tamaño del núcleo de los átomos), parece que las desviaciones deberían dar pistas sobre la captación de electrones también.