Rutherford Capítulo 9

1- Como has podido leer J.J. Thomson fue profesor de Rutherford, que a su vez fue profesor de Hans Geiger. ¿Cómo valoras el hecho de que los investigadores científicos formen a los estudiantes? Investiga qué ocurre en las Facultades de la Ciencia españolas.

El que los investigadores científicos formen a otros estudiantes, nos parece por un lado bien ya que ésta persona podrá aprender puntos de vista que desconoce y el profesor, al ser un investigador científico, le puede enseñar cosas descubiertas por el a su alumno que pocas otras personas les podrán proporcionar esas enseñanzas y el alumno, lo podrá demostrar "en vivo y en directo".

Otra ventaja que podemos ver en este ejemplo, es que cuando Rutherford ya tiene unas claras enseñanzas de JJ Thomson, ya pueden empezar a trabajar juntos. Así, pueden unir sus dos mentes y sus ideas para poder descubrir cada vez cosas mejores. En este caso se demuestra cuando Rutherford empezó a trabajar con Thomson en el estudio del efecto de los rayos X sobre un gas.

Por otro lado, el que un investigador le enseñe a su alumno también puede traer consecuencias negativas como cerrar la imaginación y la mente del alumno. Cuando un profesor le transmite una enseñanza descubierta por el mismo, esto provoca que el alumno no desarrolle su imaginación pensando, por ejemplo, otros métodos de poder realizar ese mismo experimento. En este caso, un ejemplo de cuando JJ Thomson le enseñó a Rutherford, es que a lo mejor JJ Thomson intenta descubrir algo y no lo consigue. El alumno, en este caso Rutherford, lo podrá intentar pero con menos insistencia ya que éste pensará: "si mi profesor no lo ha conseguido, mis probabilidades de conseguirlo son menores ya que todo lo que yo sé me lo ha enseñado el".

En las facultades de ciencias españolas los estudiantes más brillantes empezaban a desertar de la física porque pensaban que no quedaba ningún descubrimiento glorioso por hacer. El electromagnetismo, la termodinámica, la óptica, la mecánica ... habían entrado ya en la fase de la ingeniería, por lo que sólo quedaba la tarea de ampliar sus aplicaciones.

Dos físicos resumieron este debate producido: Uno le escribió al otro diciendo que lo único que quedaba pendiente en física era refinar detalles. En la parte inferior de la carta de respuesta, el otro físico escribió: "Salvo detalles refinados pinto, como Tiziano".

2-En palabras de Rutherford, "toda ciencia o es Física o es coleccionismo de sellos". En 1908 le otorgaron el premio Nobel de Química. Su reacción fue muy curiosa: " He cambiado muchas veces en mi vida, pero nunca de manera tan brusca como en esta metamorfosis de físico a químico". ¿Cuáles son las diferencias entra la Física y la Química? Da una interpretación a ambas frases del científico, ¿por qué crees que le otorgaron el premio Nobel de Química y no el de Física?

La primera diferencia y quizá la más importante, es que los cambios físicos no alteran la naturaleza de la sustancia sobre la que actúan mientras que los cambios químicos sí que la modifican. En la primera frase quiere transmitir que desde su punto de vista, la física es la ciencia más importante de todas, la que por lógica, es la base de todas las demás ciencias. Siempre hemos creído que las matemáticas así como por su exactitud son la base de todas las demás ciencias y que estas giran en torno a ellas. Para todas las demás ciencias hay un proceso matemático que rige las conclusiones que se sacan al estudiar cualquier otra ciencia. Rutherford, lo veía de una manera totalmente distinta.

Como conclusión a la segunda frase, se puede decir que Rutherford se consideraba a él mismo como un físico y que toda la vida lo había visto de esa manera. Por otra parte, él pensaba que la física comparada con la química o con cualquier otra ciencia, estaba muy por encima y quizá por eso no le agradó tanto el comprobar que había recibido el premio Nobel de química y no el de física. La física y la química por muy similares que parezca, no tiene nada que ver la una con la otra, aunque ambas sean unas ciencias extremadamente importantes en nuestra vida cotidiana.

Desde nuestro punto de vista, le otorgaron el premio Nobel de química porque son unas ciencias que se confunden muy fácilmente para alguien que no entiende. Actualmente sabemos distinguir entre cada una pero puede que por aquella época que ninguno de los dos conceptos estaba muy bien definido (porque esas definiciones se han ido dando con el paso del tiempo y con la perspectiva de los científicos). De todas formas el premio Nobel lo recibió gracias a su gran descubrimiento de la desintegración de los elementos, esto acompaña un cambio químico en las sustancias y aunque requiere mucho fundamente teórico y muchos años de práctica, no hay una gran relación que nos lleve a denominarlo como descubrimiento físico.

3. Investiga sobre la biografía de Nikola Tesla. ¿Cuáles fueron sus principales aportaciones a la Física? ¿Qué disputas científicas mantuvo con Edison y Marconi? Te recomendamos una película: EL TRUCO FINAL. El argumento de esta película describe muy bien la mezcla de magia y ciencia que se vivía en el final del siglo XIX y principios del XX. Trabajo opcional para subir nota: Realiza una línea de tiempo con los principales hechos científicos de este periodo.

Nikola Tesla es uno de los más importantes inventores de la historia. Nació el 10 de Junio de 1856 en Similjan, Croacia y murió el 7 de Enero de 1943 en Nueva York.

Entre sus inventos más importantes están la radio, las bobinas para el generador eléctrico de corriente alterna, el motor de inducción (eléctrico), las bujías, el alternador, el control remoto... Tesla, a pesar de haber inventado todas estas cosas, pocos de estos inventos les son atribuidos.

En relación con la física, Nikola Tesla investigó sobre la física nuclear y hizo que quedasen cuestionadas algunas de las teorías de Einstein gracias a sus demostraciones. También ideó un sistema de transmisión de electricidad inalámbrico, de tal suerte que la energía podría ser llevada de un lugar a otro mediante ondas.

Nikola Tesla tuvo a lo largo de su vida disputas científicas con Edison y con Marconi.

Con Edison, se disputó ya que éste se nego a pagarle una gran suma de dinero. Esto ocurrió mientras trabajaban mejorando diseños de generadores de corriente continua y al mismo tiempo, Tesla le brindaba a Edison patentes que Edison registraba como propias. Por ello, Edison se negó a pagarle los 50.000 dólares que le había prometido si tenía éxito diciendo que se trató de una "broma americana", e incluso se negó a subirle el sueldo a 25 dólares a la semana. Edison inventó la silla eléctrica que emplea corriente alterna (desarrollada por Tesla) en lugar de corriente continua para así dar mala fama al invento del europeo.

Con Marconi se disputó ya que Tesla inventó un dispositivo parecido a la radio 15 años antes que Bell. Más tarde, el Tribunal Supremo de EEUU dijo que la patente era propiedad de Tesla. Con lo cual, como le estaban reconociendo como inventor de la radio, se disputó con Marconi ya que éste está considerado el inventor de la radio.

4- Responde brevemente(básate solo en el libro para este punto, excepto en los enlaces señalados) a la siguiente serie de preguntas (haciendo referencia a los científicos implicados):

A) La fluorescencia es una propiedad que poseen las sustancias que tienen átomos de flúor. Pero esto no es totalmente cierto ya que puede haber sustancias que posean átomos de flúor que no sean fluorescentes o sustancias fluorescentes carentes de átomos de flúor. Esta propiedad, permite que la sustancia que la posee emita una luz azulada al ser estimulada por algún tipo de radiación externa. A diferencia de la fosforescencia que es una propiedad que poseen algunas sustancias que contienen átomos de fósforo aunque, como la fluorescencia, esto no es una condición que se tenga que cumplir rígidamente. Las sustancias con esta propiedad, emiten una luz de un tono verde que persiste aún cuando no había luz suficiente para verlas. Este fenómeno se debe a que estas sustancias almacenan energía que emiten posteriormente en forma de luz, cuando se las deja de iluminar.

B) Los rayos X son un tipo de radiación que tienen la propiedad de atravesar los cuerpos de tal forma que nos permita ver su el interior de éstos. Muchos científicos contribuyeron a su descubrimiento como por ejemplo Nikola Tesla y Crookes pero quien de verdad los descubrió fue el físico Wilhelm Conrad Röntgen. Lo hizo analizando los rayos catódicos. El primer paso que dio fue recubrir su tubo catódico con cartón negro para demostrar si realmente salían ondas de este tubo. Para ello, tenía, muy próxima a él un pantalla fluorescente. Al pasar la mano entre la pantalla fluorescente y el tubo catódico, vio su mano por dentro. Es decir, era capaz de ver esqueleto por el que estaba formado su mano. Quitó la pantalla fluorescente y la cambió por una placa fotográfica. Los huesos de su mano se veían reflejados perfectamente sobre el fondo negro de la placa fotográfica. (Esto último no venía en el libro así que hemos utilizado una fuente de Internet).

C) La radiactividad es un fenómeno físico que consiste en la desintegración espontánea de átomos pesados. Fue Becquerel quien tras muchos experimentos descubrió su existencia casi por casualidad. El procedimiento que siguió es fácil de entender. Todo comenzó cuando descubrió que había algunas sales de uranio que emitían radiaciones. Cubrió una placa fotográfica con papel negro para que no la dañara la luz del Sol, ponía por ejemplo una moneda sobre esta placa y la dejaba expuesta al Sol intenso durante un cierto periodo de tiempo. Observaba que la luz solar excitaba la fosforescencia de la sal que revelaba la placa. La imagen que se podía ver, se debía a la luz fosforescente. Un día tenía que volver a repetir el experimento porque tenía que dar una charal sobre este fenómeno pero a causa de un mal tiempo y días nublados, no puedo exponer su placa a la luz del Sol. Tras pensar en soluciones, optó por revelar la placa y poder hablar así de los efectos de la fosforescencia débil. Cual fue su sorpresa al observar que la imagen de la moneda que estaba situada entre la placa y las sales de uranio salía tan nítida como si hubiese estado expuesta a esa luz solar intensa. Tras repetir el experimento varias veces, llegó a la conclusión de que las sales de uranio emitían rayos que no tenían nada que ver con la fosforescencia. Después Becquerel sacó a la luz la famosa imagen que nos muestra por una parte una radiografía de una mano realizada con rayos X y por otra parte, una imagen de una mano realizada con una fuente radiactiva. Se veía mucho más nítida la imagen realizada con rayos X por lo que llegó a la conclusión de que la radiactivadad no tenía ningún tipo de utilidad.

D) Porque cuando Becquerel había dado por terminado su trabajo con la radiactividad, llegando a la conclusión de que no servían para nada, el matrimonio Curie, afirmaron que muchas sustancias y elementos simples, emitían rayos que únicamente podían provenir de sus átomos. Más tarde, cuando Rutherford empezó a interesarse por este nuevo fenómeno, enunció que la radiactividad se encargaba de descomponer los átomos. Esta descomposición aparecía en tres tipos de emisiones. La primera en la alfa que eran átomos de helio, después en la beta que eran electrones, y por último, en la gamma, que era una radiación electromagnética de altísima frecuencia, y, por lo tanto, de una muy corta longitud de onda. Rutherford continuó el trabajo con la radiactividad descubriendo la ley de desintegración atómica, es decir, el ritmo con el que los átomos de una sustancia radiactiva se desintegraban.

E) Alfa son núcleos de helio, beta son electrones y gamma son ondas electro magnéticas. Ordenadas energéticamente de menor a mayor irían primero las radiaciones alfa puesto que son muy poco penetrantes, tan poco, que pueden ser frenadas hasta por una hoja de papel. Después están las radiaciones beta que son un poco más energéticas que las alfa ya que pueden ser paradas por unos centímetros cúbicos de agua, o una lámina de aluminio. Por último estarían las radiaciones gamma que son las más penetrantes de todas. Es capaz de atravesar el cuerpo humano y solo se frena con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Es la más peligrosa de las tres.

F) La ley de desintegración atómica fue enunciada por Rutherford y dicta el ritmo con que los átomos de una muestra radiactiva se desintegran. Este es un buen método de datación geológica puesto que te permite conocer mediante sustancias que posean estas propiedades, periodos de tiempo muy largos, como millones de años. Si se encuentra un fósil con un trozo de plomo adherid a él se puede dictar gracias al plomo de que período de tiempo estamos hablando gracias a ley de desintegración atómica.
EL CARBONO-14: Es un radioisótopo del carbono. Su núcleo contiene exactamente 6 protones y 8 neutrones. Es un isótopo inestable, que puede llegar a transformarse en nitrógeno. Actualemente su uso principal es para datar la edad de los fósiles. El proceso que se sigue es el siguiente: los organismos vivos absorben carbono-14 a lo largo de sus vidas. Después, con el paso del tiempo, se convierten en fósiles. Más tarde se quema una pequeña porción del fósil convirtiéndolo en gas, que en este caso será el dióxido de carbono. Se divide en partículas de carbono 12 que es estable y de carbono 14 que es inestable. El carbono 14 muta en nitrógeno 14 desprendiéndose de un electrón. Actualmente los paleontólogos pueden determinar la edad de un fósil a partir de la cantidad de C-14 que contiene un fósil.

G) Un contador Geiger sirve para medir la radiactividad de un objeto o lugar.

5- Explica cómo se llevó a cabo el experimento de Rutherford. Si quieres, puedes hacerlo con un pequeño vídeo, que simule el experimento. ¿Por qué no funcionó con Mica, 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".

El experimento de Rutherford, también llamado "experimento de la lámina de oro", fue realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, bajo la dirección de Rutherford.

El experimento consistía en lanzar pequeñas partículas alpha (que se obtienen de la desintegración de una sustancia radiactiva, el plomo) hacia objetos sólidos como láminas doradas. Descubrió que la mayoría de partículas alpha atravesaban la lámina dorada, que un reducido número de partículas alpha atrevesaban en un ángulo (como si se hubiera chocado contra algo) y que algunas rebotaban.

Al observar lo que ocurría, Rutherford dijo que el resultado era "tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".

Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.

El experimento fue realizado con mica, a continuació con pan de oro y por último con platino.

La mica estaba hecha de átomos que según Thompson eran esponjitas de carga eléctrica positiva con electrones embebidos en ella compensándolas. Desde el punto de vista eléctrico, los átomos no tenían porque desviar a la partícua alpha. Como la mica es muy gruesa, dificultó el experimento y lo que se observó es que coo la alpha era tan grande, deterioró a la mica.

Al realizarlo con pan de oro, el experimento sañió mucho mejor ya que es menos grueso que la mica y las partículas alpha podían atravesar el pan de oro. Al realizarlo con platino, los resultados fueron sorprendentes ya que el platino es muy fino y las partículas alpha podían atrevesar el platino con mucha facilidad.

También, con otros experimentos Rutherford y Geiger dedujeron que la partícula alpha portaba una carga eléctrica doble que la del electrón pero positiva. O sea, que eran átomos de helio doblemente ionizados

Con la frase "Es como si se disparara un obús naval de buen calibre sobre una hoja de papel y rebotara", Rutherford quiso describir la forma en la que la partícula alpha rebotaba con fuerza contra la lámina de oro o platino, que en principio parecía no ofrecer resistencia.

6- 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 modelo atómico de Rutherford consiste en que el átomo posee un núcleo central pequeño, con carga eléctrica positiva, que contiene casi toda la masa del átomo.Los electrones giran a grandes distancias alrededor del núcleo en órbitas circularesLa suma de las cargas eléctricas negativas de los electrones debe ser igual a la carga positiva del núcleo, ya que el átomo es eléctricamente neutro. Un átomo no se distinguía de otro más que en el número de protones de su núcleo y de electrones en órbita.
Rutherford no solo dio una idea de cómo estaba organizado un átomo, sino que también calculó cuidadosamente su tamaño (un diámetro del orden de 10-10 m) y el de su núcleo (un diámetro del orden de 10-14m). El hecho de que el núcleo tenga un diámetro unas diez mil veces menor que el átomo supone una gran cantidad de espacio vacío en la organización atómica de la materia.

El modelo atómico de Rutherford tiene algunas limitaciones: Según el modelo atómico de Rutherford, los electrones se mueven en órbitas circulares y tienen una aceleración normal. Pero según los principios del electromagnetismo clásico, una carga eléctrica en movimiento acelerado emite energía: por lo tanto, el electrón terminaría describiendo órbitas en espiral hasta chocar con el núcleo, y ésto supondría una pérdida continua de energía. Por otro lado, el electrón pasaría por todas las órbitas posibles describiendo una espiral alrededor del núcleo; y por tanto, la radiación emitida debería ser continua. Sin embargo, los espectros de radiación de los elementos son discontinuos.

A Rutherford se le considera el padre de la interacción nuclear ya que gracias a el sabemos que la interacción nuclear fuerte la fuerza obliga a los núcleos a permanecer unidos.

Las 4 interacciones fundamentales de la naturaleza son:

- Interacción gravitación: la que tiene lugar entre cuerpos dotados de masa. (es la más general de las fuerzas, pues su influencia afecta incluso a la luz). El comportamiento del universo viene descrito por esta fuerza. Es la más débil de las 4, depende del producto de las masas que se atraen y de la inversa del cuadrado de la distancia.

- Interacción electromagnética: El electromagnetismo es la interacción que actúa entre partículas con carga eléctrica. Este fenómeno incluye a la fuerza electrostática, que actúa entre cargas en reposo, y el efecto combinado de las fuerzas eléctrica y magnética que actúan entre cargas que se mueven una respecto a la otra.

El electromagnetismo también tiene un alcance infinito y como es mucho más fuerte que la gravedad describe casi todos los fenómenos de nuestra experiencia cotidiana.

-Interacción nuclear furte: Es la interacción que permite a unirse a los quarks para formar hadrones. Es la más intensa de las cuatro interacciónes. Gracias a esta interacción se puede explicar la estabilidad nuclear y muchos procesos nucleares.

- Interacción nuclear débil: Se acopla a un tipo de carga llamada sabor, que la poseen los quarks y los leptones. Esta interacción es la causante de los cambios de sabor en estas partículas. Su intensidad es mucho mayor que la fuerza gravitatoria, pero es menor que la fuerza electromagnética. Se encuentra en los fenómenos radiactivos de tipo beta (desintegraciones de partículas y núcleos atómicos).

7) Este es nuestro escudo científico que representa el centro de estudios donde nos estamos formando. También se puede observar en lso laterales el modelo atómico actual que representa para nosotras la base de nuestra existencia.