En su experimento, Rutherford demostró que los núcleos de helio fueron repelidos por los núcleos en papel de oro, lo que sugiere que el núcleo estaba hecho de partículas cargadas positivamente. ¿Cómo sabía que el núcleo de helio era positivo o no?

Lo que sus alumnos y él descubrieron fue que la mayoría de las partículas alfa no se vieron afectadas significativamente al pasar a través de la lámina de oro, mientras que una pequeña fracción de ellas se desvió en una cantidad increíble.

En el momento del experimento, se desconocía la identidad exacta de la partícula alfa. El modelo Thomson del pudín de ciruela del átomo fue el modelo líder de estructura atómica. No fue mucho antes que Thomson hubiera demostrado que los átomos no eran realmente indivisibles al descubrir el electrón. Más allá de eso, no se sabía nada sobre el núcleo, incluida su propia existencia. Todo lo que se sabía era que los electrones eran negativos, por lo que el resto del átomo, fuera lo que fuese, tenía que ser positivo (ish).

El helio en sí mismo fue un descubrimiento relativamente reciente, al menos en la Tierra. Había sido descubierto en el espectro solar algún tiempo antes.

Originalmente, las misteriosas emisiones radiactivas se caracterizaron como alfa, beta y gamma, pero su verdadera naturaleza era en gran medida desconocida. Hasta donde sé, la cámara de la nube de Wilson aún no se había inventado.

Aún así, Rutherford sabía tanto sobre la partícula alfa como cualquiera. Sabía que eran positivos, aunque no su carga o masa exacta, pero podía medir lo que se llama la relación carga-masa. A partir de eso, sugirió que podrían ser átomos de helio de alta velocidad, con dos electrones eliminados. Como no sabía, al menos al principio, cuántos electrones tenía helio, no sabía que eran todos ellos. No podía saber que en realidad eran núcleos de helio, porque los núcleos aún eran desconocidos.

Luego, el experimento de la lámina de oro mostró que el modelo de Thomson no podía describir completamente la estructura del átomo. El equipo de Rutherford se dio cuenta de que casi toda la masa del átomo debe concentrarse en una región sorprendentemente pequeña. El núcleo había sido descubierto.

Fue una era “dorada”, en cierto modo, en el estudio del átomo. Los científicos estaban haciendo grandes descubrimientos sobre la estructura atómica de forma regular. El protón pronto se descubriría como la fuente de carga positiva, pero el valor de masa no funcionó. Más tarde, se descubrió el neutrón, que representaba la masa extra. Fue un momento emocionante, cuando se otorgaron premios Nobel por los descubrimientos que el estudiante promedio de secundaria de hoy asume como conocimiento común.

Rutherford trabajó mucho con las partículas alfa antes de que sus alumnos las usaran en el experimento de la lámina de oro.

Puede enviar partículas alfa a través de una cámara de nubes, donde (como otras partículas cargadas) dejarán rastros de gotas de nubes en su camino. Al usar un campo magnético, la trayectoria de la partícula cargada se curvará. Rutherford y sus colegas realizaron experimentos similares para determinar la relación carga-masa de las partículas alfa, que coincidía con lo que se esperaría para 2+ iones de helio. Todavía no asociaría estos iones con núcleos de helio. Es obvio por los rastros que las partículas estaban cargadas positivamente.

Para verificar que las partículas alfa eran [math] \ mathtt {HE} ^ {2 +} [/ math], utilizó una cámara de vacío de pared delgada para recoger partículas alfa de una fuente radiactiva, luego utilizó una descarga eléctrica para obtener un espectro de eso. Esto coincidía con el del helio, lo que confirma que las partículas alfa eran iones de helio.

Cuando sus alumnos hicieron el experimento de la lámina de oro, no usaron iones de helio, usaron la desintegración radiactiva del bromuro de radio para generar el haz de partículas alfa para su experimento.

Fue el resultado de estos experimentos que se desarrolló el concepto de un núcleo atómico y, por lo tanto, la posibilidad de identificar partículas alfa con núcleos de helio.

¡No te confundas! El experimento utilizó partículas alfa, que están hechas de protones y neutrones, con carga positiva, estos protones y neutrones = los nucleones del núcleo de helio, por lo que se llama partícula alfa (como suma de nucleones) igual al núcleo de helio. Es uno de los productos de algunos elementos radiactivos.

Según la entrada en Wikipedia,

Sustituyendo en la ecuación de Binet se obtiene la ecuación de trayectoria

[matemáticas] {\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} u} {d \ theta ^ {2}}} + u = – {\ frac {Z_ {1} Z_ {2} e ^ {2}} { 4 \ pi \ epsilon _ {0} mv_ {0} ^ {2} b ^ {2}}} = – \ kappa,} [/ math]

donde [math] {\ displaystyle u = {1 \ over r}} [/ math], [math] {\ displaystyle v_ {0}} [/ math] es la velocidad en el infinito, y [math] {\ displaystyle b } [/ math] es el parámetro de impacto.

La solución general de la ecuación diferencial anterior es

[matemáticas] {\ displaystyle u = u_ {0} \ cos (\ theta – \ theta _ {0}) – \ kappa,} [/ math].

Si las dos cargas [matemática] Z_ {1} [/ matemática] y [matemática] Z_ {2} [/ matemática] fueran de signo opuesto, la solución sería un coseno hiperbólico en lugar de un coseno circular. De esa dependencia cosenoidal del ángulo se deduce la [matemática] \ dfrac {1} {\ sin \ left (\ dfrac {\ theta} {2} \ right)} [/ math] dependencia angular de la sección transversal de dispersión en el ángulo, que es lo que observó Rutherford.

Rutherford había determinado previamente que las partículas alfa tienen carga positiva al observar su paso a través de un campo magnético. En consecuencia, pudo inferir que los núcleos de oro también tenían carga positiva a partir de la dependencia angular observada.

Rutherford estaba disparando partículas alfa en la lámina de oro. Las partículas alfa están cargadas positivamente. Para que ellos sean repelidos por algo y “recuperarse”, el algo también tuvo que ser cargado positivamente. De ahí la conclusión de que los núcleos estaban cargados positivamente.