Hay tres formas en que los científicos han demostrado que existen estas partículas subatómicas. Son observación directa, observación indirecta u presencia inferida y predicciones de teoría o conjetura.
Los científicos en la década de 1800 pudieron inferir mucho sobre el mundo subatómico a partir de la química. La gran tabla periódica de elementos de Mendeleyev dio a los científicos dos cosas muy importantes. La regularidad de la tabla y las combinaciones observadas de compuestos químicos llevaron a algunos científicos a inferir que los átomos tenían propiedades repetitivas regulares y que tal vez tenían estructuras similares. Los científicos hicieron numerosas conjeturas y algunas predicciones teóricas sobre cuál era realmente la naturaleza de la estructura atómica. Se encontró que los pesos de los elementos aumentaban a medida que los elementos avanzaban a través de la tabla periódica y parecía haber un número, llamado número atómico que explicaba las propiedades químicas regulares. La otra gran cosa que hizo el gráfico fue ayudar a los químicos a predecir los elementos que no habían encontrado. Este negocio de llenar los agujeros ha continuado hoy a medida que se agregan nuevos elementos al final de la tabla cada pocos años. Se aprendió mucho por lógica y razón y por reunir correctamente los conocimientos previos. Los agujeros en ese conocimiento fueron llenados por inferencia, conjetura y descubrimiento.
Otros científicos que estudiaron los efectos de descarga de la electricidad en los gases hicieron algunos descubrimientos directos. JJ Thompson fue el primero en observar y comprender las pequeñas partículas llamadas electrones. Estos se llamaban rayos catódicos porque provenían del cátodo, o electrodo negativo, de estos tubos de descarga. Rápidamente se supo que los electrones podrían formarse en haces y manipularse en imágenes que finalmente se convertirían en televisión. Los electrones también podrían producir algo más. Roentgen descubrió los rayos X en 1895. Su descubrimiento fue un subproducto del estudio de los electrones. Los protones también se podían observar directamente, así como los iones como rayos “anódicos”. Estas partículas positivas constituían la otra mitad del mundo atómico que los químicos ya habían resuelto. Los químicos habían medido la masa o el peso de los elementos. La tabla periódica y las propiedades químicas demostraron que también había un número atómico. Este número atómico finalmente se identificó como la carga del núcleo o el número de electrones que rodean un átomo que casi siempre se encuentra en un estado neutral o equilibrado.
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Rutherford demostró en 1911 que había un núcleo. Lo hizo directamente disparando partículas alfa a otros átomos, como el oro, y observando que a veces se recuperaron por donde vinieron. No había forma de que esto pudiera explicarse por la imagen actual del átomo que se pensaba que era una mezcla homogénea. Rutherford demostró directamente al dispersar experimentos que había algo pesado y sólido en el centro. El núcleo fue descubierto. Durante aproximadamente 20 años, se pensó que el núcleo consistía en una serie de protones para igualar el peso atómico y algunos electrones para reducir la carga para que el número atómico saliera bien. Esto fue muy inquietante para muchos científicos. Hubo predicciones y conjeturas de que faltaba algo.
En 1932 Chadwick descubrió que algunos átomos radiactivos emitían una partícula neutra pesada. Esta partícula tenía aproximadamente la misma masa que un protón, pero no tenía carga eléctrica. Esta fue la “pieza faltante” (últimas palabras famosas). El núcleo ahora podría explicarse mucho mejor mediante el uso de neutrones y protones para formar el peso atómico y el número atómico. Esto tenía mucho mejor sentido del mundo atómico. Ahora había electrones iguales al número atómico que rodeaba el núcleo formado por neutrones y protones.
Los rayos X del Sr. Roentgen permitieron a los científicos medir el tamaño del átomo. Los rayos X eran lo suficientemente pequeños como para discernir las nubes atómicas. Esto se hizo dispersando rayos X de los átomos y midiendo su tamaño tal como lo había hecho Rutherford anteriormente al golpear los átomos con otros núcleos comenzando con partículas alfa.
La década de 1930 también fue la época en que se inventaron y utilizaron los primeros aceleradores de partículas prácticos. Estas primeras máquinas formaban haces de protones. Estos rayos podrían usarse para medir el tamaño del núcleo atómico. Y la búsqueda continúa hoy. Los científicos todavía están completando las piezas que faltan en el mundo de partículas elementales. ¿Dónde va a terminar? ¡Alrededor de 1890, los científicos lamentaban la muerte de la física y ponderaban una vida reducida a medir el siguiente punto decimal! Los descubrimientos realizados en la década de 1890 demostraron que la superficie solo había sido rayada. Cada década de 1900 ha visto la frontera empujada a objetos cada vez más pequeños. La explosión del conocimiento no se ha ralentizado y, a medida que se pasa cada umbral, la cantidad de nueva ciencia parece ser mayor, incluso cuando exploramos dimensiones más pequeñas. Las teorías actuales (si son correctas) implican que hay aún más por debajo del próximo horizonte en espera de descubrimiento.
