ACTIVIDAD 8: RUTHERFORD, EL NÚCLEO ATÓMICO.

1- ¿Cómo valoras el hecho de que los investigadores científicos formen a los estudiantes?

Nos parece un hecho fundamental para la ciencia y además podemos saber que este método funciona porque se lleva haciendo desde la antigua Grecia, cuando Sócrates fue el maestro de Platón y éste de Aristóteles.

El hecho de que los investigadores formen a los estudiantes aporta muchas cosas positivas. Primero el investigador tratará de enseñar a sus estudiantes a partir de la experiencia que él ha adquirido durante años de investigación y experimentos. Pero sobretodo el profesor no puede transmitir tanta pasión a sus alumnos como un investigador si que puede.

2-¿Cuáles son las diferencias entre la Física y la Química? ¿Por qué crees que le otorgaron el premio Nobel de Química y no el de Física?

La principal diferencia es que la química estudia las interacciones entre los diferentes elementos químicos mientras que la física estudia las interacciones entre todo lo demás.

Cuando Rutherford dijo "toda ciencia, o es Física, o es coleccionismo de sellos"  quería decir que la física era la única ciencia aplicable a la vida cotidiana y debido a eso ésta era la única ciencia lógica. Además se refirió a las demás ciencias como una recopilación de fórmulas las cuales las compara con sellos.

Cuando se premió el trabajo de Rutherford en el campo de la química con un premio Nobel éste se sorprendió mucho porque él se había considerado toda su vida como físico. Este hecho dio lugar a la célebre frase: "He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico"

3- ¿Cuáles fueron sus principales aportaciones a la Física? ¿Qué disputas científicas mantuvo con Edison y Marconi?

Nikola Tesla fue uno de los inventores e investigadores más importantes de la historia, tales fueron sus aportaciones que llegó a decir que se llegó a decir que fue el hombre que inventó el siglo xx. Estudió ingeniería mecánica y eléctrica en Australia lo que hizo que pudiera conseguir un trabajo donde conoció a Thomas Alba Edison. Tesla acabó trabajando para Edison en un proyecto pero cuando Tesla acabó su cometido Edison se negó a pagarle. Aquí empezó su rivalidad y debido a ella Tesla empezó a investigar la corriente alterna, uno de los grandes descubrimientos del siglo XX.

Tras este gran descubrimiento Tesla se decidió centrar en la investigación de ondas de radio y de alta frecuencia. Tras esta decisión se topó con Marconi, el cual ganó el Premio Nobel con la invención de la radio, aparato que contaba con numerosos descubrimientos de Tesla. De aquí surgió una gran rivalidad que llevaría a Tesla a intentar crear un barco por radiocontrol.

Otras grandes contribuciones de Tesla fueron la bobina de tesla y el generador de rayos X.

4- A lo largo del capítulo se suceden las descripciones sobre el descubrimiento de distintos fenómenos físicos (que puedes y debes añadir en la línea de tiempo) que serán cruciales en el desarrollo de la sociedad del siglo XX y que siguen muy relevantes en la actualidad. Responde brevemente (básate sólo en el libro para este punto, excepto en los enlaces señalados) a la siguiente serie de preguntas (haciendo referencia a los científicos implicados):

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

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

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

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

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

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

4g) ¿Para qué sirve un contador Geiger?

La fluorescencia se caracteriza por presentar flúor en su composición y por emitir una luz azulada, en cambio la fosforescencia presenta fósforo en su composición y emite una luz verdosa. La luz que emiten estos últimos se mantiene tras dejar de iluminar al mineral, a diferencia de la fluorescencia, que cuando dejamos de iluminarlo las luz cesa. A continuación podemos ver un ejemplo de los tipos de minerales con características luminosas de los que hemos hablado (arriba fluorescencia y abajo fosforescencia).

Los rayos x son una radiación electromagnética con la cual podemos atravesar objetos, actualmente los rayos x se utilizan con un fin médico, para hacer las famosas radiografías. Lo descubrió un científico alemán, Roentgen. Roentgen descubrió los rayos x de forma accidental y sin saber lo que eran ni para que se podían usar, por esos los llamó rayos x, debido a que esta letra se usa para denominar a una incógnita en matemáticas.  Más adelante los científicos Curie y el propio Rutherford investigaron sobre los rayos x y averiguaron la mayoría de cosas que nos conocemos acerca de ellos hoy en día. Descubrieron que la radioactividad era la desintegración de ciertos átomos pesados, emitiendo así radiaciones.

Hay tres tipos de desintegraciones atómicas:

• Alfa: Átomos de helio con poca radiación, con lo cual poco energéticos y poco penetrantes
• Beta: Electrones con radiación media.
• Gamma: Muy radiactivos, muy electromagnéticos.
  
  

Las aportaciones de este matrimonio fueron de vital importancia ya que en un principio la radiactividad no estaba considerado como algo importante y había quedado relegada a un segundo plano, cuando el científico Roentgen no entendió la importancia de lo que había descubierto.

La ley de desintegración atómica es un proceso mediante el cual, usando la radiactividad, podemos determinar la cantidad de años que lleva una muestra sobre la tierra. Para ello tenemos que saber el ritmo al que se desintegra cada tipo de muestra y desde ahí hacer cálculos conociendo la radiación restante.

El carbono 14 también se utiliza como método de datación radiométrica que utiliza el isótopo carbono-14 (14C) para determinar la edad de materiales que contienen carbono hasta unos 50 000 años. Es un método muy efectivo entre los arqueólogos. Para calcular las edades se utiliza el dato de que el carbono 14 tiene un periodo de desintegración de 5730±40 años.

El contador de Geiger mide la intensidad y concentración de los rayos radiactivos, es decir mide la radiactividad de un objeto o un lugar. Recibe este nombre por el alemán Hans Geiger el cual empezó a trabajar junto a Rutherford en la universidad de Manchester.

El contador de Geiger está formado por un tubo con un hilo metálico a lo largo de su centro, el espacio que queda entre ambos se aísla y se rellenad e un gas y con el hilo a unos 1000 voltios relativos con el tubo. El contador de Geiger detecta partículas y radiaciones ionizantes, para ello un ion o electrón penetra el tubo, se desprenden electrones del gas y debido al voltaje del hilo son atraídos hacia el hilo. Al hacer esto ganan energía, colisionan con los átomos y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte en una avalancha que produce un pulso de corriente detectable. Relleno de un gas adecuado, el flujo de electricidad se para por sí mismo o incluso el circuito eléctrico puede ayudar a pararlo. El contaje se da cuando las partículas, que al pasar por el contador producen un pulso idéntico, hacen posible contar el número de ellas.

5- Explica cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford. ¿Por qué no funcionó con Mica, y 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".

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?

El experimento de Rutherford, quien contó con la enorme ayuda de sus pupilos, Geiger y Mardsen, consistía en una pantalla semicircular de sulfato cínquico, cuya función era la de disparar partículas alfa sobre una lámina, ya fuese de mica o, posteriormente, de oro o de platino. Al hacerlo con la mica, observaron que las partículas alfa atravesaban la lámina. Hacemos un inciso para aclarar que la mica es un tipo de mineral formado esencialmente por hierro, aluminio y magnesio. Retomando el experimento, el resultado era el esperado desde el punto de vista eléctrico, pues según el modelo atómico de Thomson, en el que los átomos tenían una carga neutra, estos no desviarían a las partículas alfa, suponiendo que entrasen en contacto, lo cual era poco probable debido al tamaño y cantidad de ambos. Además, si lo hicieran, las partículas alfa atravesarían a los átomos, descolocándolos, debido a su mayor cantidad de energía. Fue entonces, cuando al equipo de Rutherford y de Geiger se unió, a petición de éste, Mardsen, al cual se le fue encomendada la aparentemente inútil misión de repetir el experimento pero con láminas de oro y de platino. Esta fue la primera percepción de Geiger, quien lo vio como un absurdo, pues eran materiales muy caros y que, según el conocimiento atómico de la época, tenían la misma estructura que la mica. El motivo por el que Rutherford se decidió a usar estos dos materiales fue el hecho de que los orfebres podían hacer con ellos láminas más finas que con cualquier otro metal, por lo que en el caso de haberlo, se podría apreciar un nuevo resultado. Y así fue. Tras realizar concienzudamente el experimento, se observó que una de cada ocho mil partículas era despedida hacia atrás. ¿Cómo era posible que un átomo de carga neutra rebotase una partícula alfa enormemente cargada de energía positiva? Según Rutherford, "es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara". Esto se refiere a que las partículas alfas, enormemente cargadas de energía, con una fuerza proporcional a la de un obús naval, rebotaban contra todo pronóstico contra un átomo con carga neutra, con una resistencia proporcional a la de una hoja de papel.

Después de la sorpresa inicial, los tres científicos se fueron a casa y cada uno por su cuenta trató de darle una explicación a este fenómeno y, casi por telepatía, los tres llegaron a la conclusión de que todos los átomos tenían toda su carga positiva y su masa concentrada en una esfera, cuyo radio era unas diez mil veces menor que la del átomo en su conjunto. Mientras tanto, los electrones orbitaban alrededor de este núcleo. Por ello, era poco probable que las partículas alfa chocasen contra este núcleo, pero en el caso de hacerlo, saldrían despedidas con un ángulos mayor de noventa grados. Sin más dilación, habían descubierto el núcleo atómico y, con ello, un nuevo modelo atómico: El modelo de Rutherford o modelo planetario.

Pero aún nos queda una importante incógnita, y es que cómo es posible que todas las partículas sí que atraviesen la mica, pero con el oro y el platino algunas reboten. Nosotros hemos llegado a la conclusión de que esto se debe al tamaño, y por tanto masa, y como consecuencia carga positiva, de los núcleos. Como ya sabemos, cuanto más a la derecha y más abajo estén los elementos en la tabla periódica, mayor son estas características. Pues bien, el oro y el platino están mucho más abajo que el magnesio, el aluminio y el hierro (componentes de la mica), por lo que son mucho más pesados y más grande. Por ello, cuando la lámina es de mica, al ser los núcleos más pequeños es más difícil que colisionen con las partículas alfa, y en el caso de hacerlo, al ser menos energéticos, no lograrán rebotarlas; como mucho desviarlas.

Ya hemos descrito un poco más arriba el modelo de Rutherford o modelo planetario, pero ha de quedar constancia de que hace aguas en un matiz pequeño pero muy importante. Según este modelo, los electrones orbitan alrededor del núcleo, pero según el principio de conservación de carga de Maxwell, la energía del electrón, al moverse, se tranformaría en otra cosa y, por tanto, el electrón iría careciendo de ella poco a poco hasta quedarse sin y colisionar contra el núcleo. Esto ocurriría en fracciones de segundos, y si así fuese, ni nosotros habríamos escrito esto ni tú lo estarías leyendo. Por ello, el modelo de Rutherford no es correcto.

Pero sí lo es el núcleo atómico que descubrió, pues ese sí que existe realmente, y, a su vez, su descubrimiento supuso el descubrimiento de una nueva interacción fundamental. Hasta el momento sólo había constancia de la gravedad, que es la más conocida popularmente y que se define como la atracción que sufren dos cuerpos puntuales, que es directamente proporcional a la masa de ambos e inversamente proporcional a la distancia que los separa al cuadrado, descubierta por Isaac Newton, y la fuerza electromagnética, que se define como la interacción entre dos partículas con carga eléctrica, ya sea de atracción (cargas de diferente signo) o de repulsión (cargas de igual signo).

Pero según esta última, la teoría de los protones descubierta por nuestros tres científicos contradecía por completo al electromagnetismo. La causante de esto era lo que posteriormente se conocería como fuerza nuclear fuerte, la cual es la responsable de que los protones y neutrones venzan la repulsión debido a su carga eléctrica y se mantengan unidas, conformando el núcleo. Por ello, decimos que es mucho más potente que la anterior interacción, aunque de un alcance mucho más reducido.

Finalmente tenemos la última interacción, la fuerza nuclear débil, la cual recibe su nombre debido a que su campo de influencia es 1013 veces menos que la fuerza nuclear fuerte, pero aún así sigue siendo mayor que la gravedad a cortas distancias. Ésta es la causante de fenómenos como la radioactividad, y su explicación es muy compleja, demasiado de hecho, pues se relaciona con el intercambio de bosones y demás reacciones físicas, las cuales se nos escapan un poco de las manos.

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