El átomo de Rutherford y Bohr.

A pequeña escala todo se simplifica. Toda la materia del universo, las estructuras grandes y pequeñas, las montañas, nuestras viviendas, el aire que respiramos, los árboles, las rocas, los animales, el agua que bebemos… nosotros mismos, todo está hecho de átomos y de sus combinaciones.

Los átomos son objetos muy pequeños con masas igualmente minúsculas. Su diámetro es del orden de la diez millonésima parte de un milímetro, es decir en un milímetro caben diez millones de átomos alineados. Su masa también es casi inconcebible para nuestros sentidos, para que una balanza acuse una masa de un gramo, habría que colocar un cuatrillón de átomos de hidrógeno sobre el platillo de una balanza para que esta marque un gramo de peso en la Tierra.

El nombre «átomo» proviene del latín "atomum", y este del griego "ἄτομον", y significa: no divisible. El concepto de átomo como bloque básico e indivisible que compone la materia del universo, fue postulado por la escuela atomista en la Antigua Grecia. Sin embargo, no fue considerado seriamente por los científicos hasta el siglo XIX, cuando fue introducido para explicar ciertas leyes químicas. Y No fue hasta el siglo XX, con el desarrollo de la física nuclear, que se comprobó que el átomo puede subdividirse en partículas más pequeñas.

Ernest Rutherford se dedicó al estudio de las partículas radioactivas y logró clasificarlas en tres tipos, a los que nombró, en función del poder que estas tenían de penetrar diversos materiales, utilizando las tres primeras letras del alfabeto griego. 

Así halló partículas muy poco penetrantes a las que denominó partículas alfa. Hoy sabemos que estas partículas son en realidad núcleos de helio-4 formados por dos protones y dos neutrones completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones.

También descubrió las partículas beta; mucho más penetrantes, que son electrones que salen despedidos de los núcleos cuando los protones transmutan a neutrones. 

Y partículas gamma, muy penetrantes y por tanto muy peligrosas para la salud, que son fotones de alta energía que escapan de los átomos durante la aniquilación de un par positrón-electrón.

El descubrimiento de estos tres tipos de radiación le valió a Rutherford ganar el Premio Nobel de Química en el año 1908.

Rutherfor experimentaba a menudo con las radiaciones alfa, para ello construyó un dispositivo consistente en una caja de plomo de gruesas paredes, con un pequeño orificio en una de sus caras que podía destapar a voluntad.

El científico y sus alumnos introducían material radioactivo en dicha caja y, en una habitación a oscuras, destapan el orificio para observar en la oscuridad cómo las partículas alfa aparecían y desaparecían brillando sobre una pantalla fosforescente contra las que las hacían impactar.

Un día se les ocurrió colocar, entre la caja de rayos y la pantalla, una delgada lámina de oro, para ver qué sucedía. 

Como es lógico, debido a la altísima velocidad de propagación de las partículas, casi quince mil kilómetros por segundo, y sobre todo a la extrema delgadez de la lámina de metal interpuesta, las partículas alfa la atravesaban sin dificultad y podían verse brillar sobre la pantalla. 

Pero sucedía que, a veces, algunas partículas desviaban su trayectoria rectilínea, e incluso algunas rebotaban en el oro y regresaban en dirección a la caja. 

Esto les sorprendió mucho, pues era como si al disparar con una ametralladora sobre un pañuelo de seda algunas de las balas rebotasen hacia atrás.

Rutherford, mediante intrincados cálculos matemáticos, llegó a la conclusión de que para que las partículas alfa pudieran ser rebotadas, debía existir un punto en el interior del átomo en el que se encontrarse concentrada una gran carga positiva que fuese capaz de desviar a las que se le acercasen demasiado, e incluso rebotarlas hacia atrás, cuando el impacto se producía exactamente en el centro de dicho cúmulo.

Por otro lado postuló que, dado que el átomo golpeado no acusaba significativamente el impacto de las partículas alfa que le golpeaban, pues la lámina de oro ni se movía ni se deformaba, toda, o casi toda, la masa de dicho átomo, debía estar concentrada en ese minúsculo núcleo positivo.

Así que llego a la conclusión de que el átomo debía ser como un pequeño sistema solar en cuyo centro debía encontrarse un núcleo, como nuestro Sol, muy denso y cargado positivamente, alrededor del cual debían girar los electrones negativos, mucho más livianos, que se mantendrían orbitando a dicho núcleo por la fuerza de la electricidad.

Nihels Bohr basándose en el descubrimiento de Max Planck, que ya había demostrado que la energía es discontinua y está formada por quantos, y continuando con los estudios de Ernest Rutherford, elaboró una nueva teoría sobre la estructura de los átomos y recibió por ello el premio Nobel en 1922. 

Bohr postuló que los electrones no podían orbitar al núcleo a cualquier distancia, sino que debían encontrarse orbitándolo ubicados solo en ciertas órbitas discretas, en las cuales se mantendrían girando indefinidamente, sin irradiar energía, al no disponer de la energía mínima suficiente para emitir un quanto que les aligerase lo suficiente como para poder cambiar de órbita.

Así mismo postuló que para que un electrón pudiese saltar de una órbita a otra debía absorber radiación a la frecuencia dada por la fórmula de Planck. Esta energía necesaria que posibilitaría el cambio de órbita sería provista por los fotones que golpean a la materia continuamente. Así, al golpear un fotón a un electrón, éste adquiere la energía necesaria para saltar desde su órbita a otra, cuya energía es equivalente a la energía que aportó el fotón en el impacto. Aunque inmediatamente después ese electrón devuelva dicha energía en forma de un nuevo fotón, idéntico al que le golpeó, devolución que se producirá justo en el momento en el que el electrón energizado regresa a su órbita primitiva.

Bohr no pudo explicar por qué existían esas órbitas especiales, pero si demostró que esa era la única forma de que los átomos pudiesen mantener su integridad.

Postulados de Bohr:

*Los electrones describen órbitas circulares en torno al núcleo del átomo sin irradiar energía.

*No toda órbita está permitida. El electrón tan solo se puede encontrar en órbitas cuyo radio cumpla ciertas condiciones.

*El electrón solo emite o absorbe energía en los saltos de una órbita permitida a otra. En dicho cambio emite o absorbe un fotón cuya energía es la diferencia de energía entre ambos niveles.