atomTIC Índice Cuarta Sesión

1. Experimento de Rutherford

La importancia histórica del experimento de Rutherford fue enorme. No solo demostró la incorrección de la propuesta de Thomson Al sugerir poderosamente la idea de un modelo de átomo planetario, generó una contradicción insalvable entre la mecánica newtoniana y el electromagnetismo que fue la puerta de entrada de de la incipiente teoría cuántica en el universo del átomo.[ref hist 1, ref hist 2]

En nuestra práctica docente hemos constatado que tras explicar el experimento de Rutherford los alumnos acaban adquiriendo la siguiente idea:

El experimento de Rutherford demuestra que el modelo de Thomson no es válido porque la mayoría de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro y solo unas pocas rebotan.

Este error de apreciación (lo que demuestra la incorrección del modelo de Thomson es el hecho de que algunas partículas alfa rebotan) no se puede despreciar, ya que conduce a pensar que la predicción del modelo de Thomson para el experimento de Rutherford es que la mayoría de las partículas alfa rebotan (la predicción del modelo de Thomson es precisamente la contraria: ninguna partícula rebota).

El problema radica en que nuestros alumnos tienen la idea previa de que las partículas alfa, cuando choquen con cualquier cosa, deben rebotar (presuposición de impenetrabilidad de la materia). Es por ello, que lo que les sorprende del experimento de Rutherford no es que haya partículas que reboten, sino que las partículas atraviesen la lámina de oro.

Por esta razón consideramos que, antes de abordar el experimento de Rutherford, es necesario que los alumnos adquieran cierto conocimiento intuitivo de como predicen las simulaciones que se comportan las partículas alfa al incidir sobre diferentes tipos de distribuciones de carga. En este contexto es importante conseguir superar la presuposición de impenetrabilidad de la materia.

Una vez clarificada cual es la predicción del modelo de Thomson se puede realizar el experimento de Rutherford de forma cualitativa y analizar los resultados que se obtienen. El objetivo es que el conocimiento adquirido por los alumnos les permita identificar correctamente cual es la distribución de carga responsable de aquello que observan.

La idea que proponemos es poner a los alumnos "en situación" para que el resultado experimental que obtienen "les sorprenda" por como contradice el modelo de Thomson. Solo después creemos conveniente la utilización de simulaciones o animaciones en las que se muestre simultáneamente el modeló de átomo nuclear y su respuesta de dispersión cuando es bombardeado por el haz de partículas alfa.

Así pues, para el estudio del experimento de Rutherford planteamos la realización de tres actividades. A continuación abordamos el desarrollo de las mismas en detalle

1. Estudio de la dispersión de partículas por diferentes distribuciones de carga.

2. Realización del experimento de Rutherford y análisis de resultados.

3. Visualización simultánea del modelo de átomo nuclear y su respuesta frente al bombardeo de partículas alfa.

1. Estudio de la dispersión de partículas alfa por diferentes distribuciones de carga

Para estudiar la dispersión de partículas alfa por diferentes distribuciones de carga vamos a emplear el siguiente applet

Copyright 1997 KATO Noriyoshi (norimari@mxb.mesh.ne.jp)
Publicado en: http://www2.biglobe.ne.jp/%7Enorimari/science/JavaApp/e-Scatter.html

La esfera naranja del centro representa una carga positiva y los esferas verdes también son cargas positivas que se lanzan hacia la esfera naranja. La carga de la esfera naranja es unas cuarenta veces mayor que la carga de cada una de las esferas verdes. El radio de la esfera naranja se puede modificar con el cursor del ratón (haciendo clic y arrastrando). Cuando cambia el tamaño de la esfera naranja no cambia su carga, solo cambia la manera en como ésta está distribuida. La velocidad de las esferas verdes se puede modificar con la barra deslizante. La opción Strobo permite dibujar las trayectorias de las esferas verdes (si se escoge es necesario apretar Reset después de cada simulación.

Para el estudio que pretendemos realizar conviene fijar un valor de la velocidad de las partículas alfa y ver el resultado para diferentes valores del radio de la distribución de carga. Nuestra propuesta es comenzar estableciendo como valor de la velocidad 10 y observar el resultado para los valores del radio 5, 50 y 100. Después se repite la misma serie de observaciones para los valores de la velocidad 25 y 45. En una tabla se dibuja esquemáticamente el resultado de cada dispersión y se sacan conclusiones.

Te proponemos que realices esta actividad y nos la envíes utilizando la plataforma MicroCampus. Deberás remitirnos la tabla como documento de Word. En lugar de dibujar esquemáticamente el resultado de cada dispersión lo describes. En ningún caso te preocupes de como quede maquetada la tabla (si quieres ver la maquetación original puedes ver la versión PDF).

Instrucciones para enviar el trabajo utilizando MicroCampus
Tabla formato Word Tabla formato PDF

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Realización del experimento de Rutherford y análisis de resultados

Para la simulación del experimento de Rutherford vamos a utilizar un applet que nos permite controlar la energía cinética de las partículas alfa y realizar experimentos con diferentes materiales.

Nuestra propuesta consiste en comenzar estudiando la dispersión producida por el oro cuando se bombardea con partículas alfa de una energía intermedia de 3 eV. Tras analizar el resultado y llegar a la conclusión de que el átomo tiene una estructura nuclear, se puede estudiar la dispersión para otros materiales.

El applet anterior pertenece al curso de Física de Ángel Franco cuya dirección es
http://scsx01.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cuantica/rutherford/rutherford.html
En esta dirección puedes encontrar otro applet que permite realizar el tratamiento numérico de los datos obtenidos.

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3. Visualización simultánea del modelo de átomo nuclear y su respuesta frente al bombardeo de partículas alfa

La visualización simultánea del modelo de átomo nuclear y su respuesta al bombardeo de partículas alfa se puede realizar empleando un applet que encontrarás en la siguiente dirección

http://www.micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/rutherford/index.html

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