Los electrones se descubrieron primero, porque son relativamente fáciles de aislar, acelerar, manipular y detectar. Se pueden aislar utilizando el efecto termiónico: cuando un metal se calienta, ‘hierve’ los electrones libres. Entonces, un filamento, en un tubo de vacío, se puede calentar pasando una corriente a través de él, y luego se puede convertir en el cátodo de un suministro de alto voltaje. El ánodo se puede hacer con un agujero en el centro, y esto produce una corriente de electrones, inicialmente llamados ‘rayos catódicos’. Estos fueron observados por primera vez por Johann Hittorf en 1869, e identificados como electrones por JJ Thomson en 1897.
El siguiente experimento crucial fue el realizado por Rutherford para investigar la estructura de los átomos, en 1909, y llevado a cabo por Marsden y Geiger. Este fue un período de gran progreso teórico y experimental, cada uno inspirado por el otro.
Rutherford estaba probando el modelo del átomo “pudín de ciruela”, presentado por Thomson. Utilizó una fuente radiactiva que emite partículas alfa, para disparar partículas alfa (núcleos He) en una lámina de oro muy delgada, y midió la intensidad de las partículas dispersas en diferentes ángulos de dispersión, de 0 a casi 180 grados. Los resultados fueron asombrosos. Aunque la mayoría de ellos fueron directos, un número medible se dispersó en ángulos grandes, mayores de 90 grados, ¡y algunos volvieron casi directamente a la fuente! ¡Esto es como disparar un proyectil sobre papel de seda y encontrar que algunos de ellos rebotan directamente hacia ti!
Estos resultados permitieron a Rutherford concluir que casi toda la masa de un átomo está contenida dentro de un volumen, con un diámetro de menos de 10 ^ -14 m, y que este objeto tiene una carga positiva muy grande. Esto condujo al modelo nuclear de Rutherford del átomo, y finalmente al modelo de Bohr del átomo de hidrógeno.
El siguiente paso fue aislar las partículas cargadas positivamente en el núcleo y confirmar que eran lo mismo que los núcleos de hidrógeno, como se teorizó.
Prout propuso por primera vez que todos los átomos están compuestos de átomos de hidrógeno, ya en 1815, pero fue Rutherford quien utilizó por primera vez la palabra ‘protón’ para referirse a un núcleo de hidrógeno, que es la partícula cargada positivamente que existe en todos los núcleos atómicos. Esto siguió a una serie de experimentos, que involucraron la irradiación de gases particulares con partículas alfa, siendo los más notables los átomos puros de N-14. Descubrió que siempre se emitía una partícula característica y razonó que debía provenir del núcleo. Fue testigo de la primera reacción nuclear, teóricamente entendida, que fue; N-14 + alfa> O-18 + p. Los protones eran bastante fáciles de detectar, ya que tienen una firma de penetración única en el aire y una apariencia única en los detectores de centelleo. Ambos se deben a las altas energías del protón y, particularmente, a su carga.
El siguiente problema fue que la relación carga / masa no es constante, para diferentes átomos, sino que disminuye con el aumento del número atómico (Z), lo que no sucedería si los núcleos constaran solo de protones. Por lo tanto, tenía que haber partículas con carga neutra, también en el núcleo. En 1920, la palabra ‘neutrón’ se utilizó por primera vez, ya sea por Rutherford o Hawkins. Se suponía que era la combinación de un protón y un electrón, aunque esta idea fue abandonada más tarde, debido a los argumentos relacionados con el espín nuclear y la mecánica ondulatoria de los electrones.
James Chadwick finalmente aisló y descubrió la naturaleza de los neutrones, después de una larga búsqueda experimental. Utilizó muchas de las ideas de los experimentos de otras personas, pero esta era y sigue siendo una práctica estándar. Fue guiado hacia el uso de una fuente alfa poderosa, una vez más, para irradiar un pequeño objetivo de berilio seguido de un objetivo de parafina, y se detectaron protones provenientes de la parafina. Obviamente, estos fueron causados por la radiación proveniente del blanco de berilio, y descubrió que esta radiación era extremadamente penetrante, más que los rayos gamma, y no era desviada por los campos eléctricos. La parafina funciona bien como objetivo porque contiene muchos núcleos de hidrógeno, es decir, protones. Chadwick luego usó gas de hidrógeno como objetivo, y fue capaz de medir las velocidades de los protones expulsados, lo que le permitió calcular la masa de un neutrón. Salió como 1.0067 x la masa de un protón, un error de 0.5%, que es excelente dada la naturaleza del experimento. Chadwick ganó el Premio Nobel por este descubrimiento.
