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| Representación de un átomo. Fuente: https://goo.gl/GcmGvW |
Cuando Dalton propuso por primera vez su teoría atómica hace 200 años, pensó que los átomos eran partículas sólidas como bolas de billar y que no tenían estructura interna. Ahora sabemos, sin embargo, que los átomos contienen un núcleo.
Al mirar el descubrimiento del núcleo, nos damos cuenta de que la ciencia por un lado tiende a moverse hacia afuera del mundo macroscópico. Una vez pensamos que la Tierra era el centro del sistema solar. Más tarde nos dimos cuenta de que ni siquiera estamos en el centro de la Vía Láctea. A través de estos descubrimientos los científicos empezaron a aprender sobre el origen del universo. Buscando en el mundo pequeño a partir de nuestro cuerpo, encontramos células y átomos. En el centro de un átomo se encuentra el núcleo, que es aproximadamente 100.000 veces menor que el átomo. Pensemos en esto en términos de la civilización humana. Hace aproximadamente 10,000 años era la Edad de Piedra, seguido brevemente por la Edad de Bronce que dio paso a la Edad de Hierro hace unos 3000 años. La Edad del Hierro se extiende hasta nuestros días, ya que todavía dependemos mucho del hierro, que se utiliza de numerosas maneras, por ejemplo, en la construcción de estructuras. El proceso de desarrollo tecnológico puede ser ampliamente descrito por "edades". Una era tecnológica de este tipo es la "era nuclear" o "era atómica". Estos dos términos se utilizan indistintamente. Una vez que el núcleo atómico fue descubierto, la gente pronto aprendió a endurecer la energía contenida en ella. Alrededor del 30% de las necesidades energéticas de Corea del Sur son cubiertas por la energía nuclear, mientras que esta cifra alcanza el 76% en Francia. Sin la energía nuclear, los países enfrentarían enormes dificultades. El conocimiento del núcleo permite a las personas utilizar un nuevo tipo de energía. La comprensión del núcleo también es importante para comprender las propiedades de la materia misma.
| E. Rutherford en la Universidad de McGill. Fuente: https://goo.gl/0ltFpz |
Si se le pidiera que identificara al científico más importante con respecto al núcleo, Ernest Rutherford sería una elección probable. Si se fija en la foto de arriba, verá a un gran hombre a la derecha. Este hombre es Ernest Rutherford. Su padre y su madre emigraron a Nueva Zelanda desde Escocia e Inglaterra, respectivamente. El padre de Rutherford era agricultor y su madre era maestra de escuela. El joven Ernest ayudaba a sus padres con el trabajo de granja y también fue un estudiante diligente y talentoso, sobresaliendo particularmente en matemáticas y física. Después de graduarse de la escuela secundaria y la Universidad de Canterbury, en Nueva Zelanda, Ernest deseaba estudiar en Inglaterra. En aquella época, el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge era el mejor lugar del mundo para estudiar física. Watson y Crick, quienes descubrieron la estructura molecular de los ácidos nucleicos también trabajaron en el Laboratorio Cavendish. Aunque el laboratorio Cavendish se centró originalmente en el estudio de la física, a mediados del siglo 20 cuando Sir Lawrence Bragg se convirtió en profesor en Cavendish, cambió el foco del laboratorio hacia la investigación de las proteínas. Más tarde, Watson hizo importantes descubrimientos sobre el ADN.
Ernest quería estudiar en Cambridge, pero carecía de los medios económicos para hacerlo. Por suerte, la Comisión Real para la Exposición de 1851 estableció una beca de investigación para un estudiante extranjero para estudiar en Cambridge. Rutherford solicitó la beca, y recibió una respuesta de Inglaterra informándole que él había quedado en 2do puesto. Había sido eliminado por otro candidato. Se resignó a este hecho y esperó oportunidades futuras. Un día, mientras Ernest trabajaba en el campo, recibió otra carta de Cambridge. Al parecer, el mejor candidato para la beca de investigación en ciencias había decidido estudiar medicina. Cambridge quería saber si Rutherford seguía interesado en la investigación científica en Inglaterra.
Hay una famosa anécdota sobre este evento. Se dice que Rutherford estaba cavando papas cuando recibió la carta de Cambridge. Después de leer la carta, exclamó: "Esa es la última papa que cavaré". Debe haber estudiado muy duro, una vez que se convirtió en un estudiante de J.J. Thomson, el descubridor del electrón. Después de obtener su doctorado en Cambridge, fue nombrado profesor de física en la Universidad McGill en Canadá. Fue allí donde hizo el importante descubrimiento por el que ganaría el Premio Nobel de Química de 1908. ¿Cómo fue que un físico ganó un Nobel en química? Fue porque el descubrimiento de Rutherford estaba relacionado con la transformación de elementos químicos. Por ejemplo, la transformación de uranio en torio, y luego en radio. Antes de Rutherford, los científicos creían que un elemento no podía transformarse en otro. El descubrimiento de Rutherford tenía que ver con elementos, por lo que ganó el Nobel de Química.
Tal vez usted está familiarizado con el precepto de que "la forma es vacuidad", que proviene de un sutra del Budismo. Por supuesto, el significado original de este precepto es profundo, pero lo tomaré prestado para hacer un punto sobre el mundo material. El sutra afirma que la forma está vacía, ¿verdad? Las formas se pueden ver con los ojos y también se pueden sentir. Las formas que se pueden sentir se refieren a los materiales que nos rodean. Pero estos materiales están vacíos de acuerdo con el extracto anterior. Usted puede sorprenderse al saber que desde un punto de vista científico, esto es cierto. Considere lo que sucede cuando llena un globo con aire. Si le preguntas a un niño si el globo está lleno o vacío, ¿qué piensas que diría el niño? El niño puede sentir que el globo está lleno de aire. Si se presionara cualquier parte del globo, podría sentirse la presión adentro. El globo se expande de un tamaño pequeño a un tamaño grande gracias al aire dentro de él. Aunque el globo parece lleno, el espacio dentro del globo está casi 100% vacío. Las partículas en un gas mantienen una cierta distancia el uno del otro mientras están en movimiento, pero debido a que se mueven tan rápidamente estas parecen estar por todas partes.
Como mencioné anteriormente, los átomos fueron concebidos como entidades sólidas bajo la teoría atómica Daltoniana, pero ahora sabemos que esto no es exacto. En el centro de un átomo hay un núcleo con electrones que orbitan alrededor de él. Comparado con el tamaño entero del átomo, ¿cuán pequeño es el núcleo? Consideremos el sistema solar para obtener alguna perspectiva. En el centro del sistema solar está el Sol, mientras que Plutón (que años atrás dejara de ser considerado un planeta) orbita en el borde del sistema solar. Para que la luz atraviese el diámetro del sol toma cerca de 5 segundos, pero toma 5 horas para atravesar el sistema solar para alcanzar Plutón. La proporción entre horas y segundos es bastante grande, ¿no? Hay 3600 segundos en una hora. Si imaginamos que un núcleo atómico es el sol, los electrones orbitan este núcleo a una distancia 10 veces más alejada que la de Plutón.
En otras palabras, los átomos son más vacíos que el sistema solar. En nuestra galaxia hay alrededor de 100 mil millones de estrellas con una distancia media de 4 a 5 años luz entre ellos. Observe la unidad: años luz. Este espacio entre las estrellas también está vacío. Las características cosmológicas también se aplican a escalas más pequeñas. El interior de un átomo está vacío y en su centro hay un núcleo. A través del descubrimiento del núcleo, la humanidad fue capaz de aprovechar la energía nuclear y comprender muchos nuevos principios. Por lo tanto, es muy importante... ¿no?
Un texto muy útil para conocer más sobre el núcleo atómico es aquel escrito por Rutherford en 1908. Esta texto se titula "La naturaleza química de las partículas alfa de sustancias radiactivas". Rutherford quería hablar de "Naturaleza Química" mientras recibía el Nobel de Química. Átomos, núcleos, radiactividad, tal parece que son muchos términos. Mejor empecemos explicando la radiactividad. ¿Qué es la radiactividad? Antes, debemos recordar que Lord Rayleigh descubrió el argón por accidente. Con el fin de probar la hipótesis de Prout sobre el hidrógeno como átomo elemental, midió con exactitud las densidades de gas y notó una discrepancia. El descubrimiento de la radiactividad también fue casual. La radiactividad fue descubierta en 1896. Justo un año antes, en 1895, Roentgen había descubierto los rayos X mientras estudiaba rayos catódicos en un tubo de descarga de gas similar al que vemos en los letreros de neón. Tales tubos se llaman tubos de rayos catódicos. Se dio cuenta de que un material fluorescente a unos 2 metros de un tubo de cátodo fluorescía cuando la corriente eléctrica pasaba a través del tubo. Trazó la fluorescencia hasta donde el rayo catódico golpeó la pared del tubo. El rayo parecía tener un poder de alta penetración capaz de viajar una distancia en el aire. Hoy en día, este rayo se utiliza en la oficina del dentista y en el hospital para la ver radiografías de tórax. Hoy en día, la radiografía también se utiliza para escanear el equipaje en los aeropuertos. El Primer Premio Nobel de Física fue otorgado por el descubrimiento de la radiografía. De todos modos después de su descubrimiento otros físicos comenzaron a buscar fenómenos similares. El físico francés Henri Becquerel encontró algo interesante en las rocas que contienen uranio. En el curso de experimentos sobre rocas, descubrió accidentalmente que los poderosos rayos invisibles emanaban del mineral de uranio. Tengamos en cuenta que los rayos X requieren energía eléctrica para ser emitidos. Una vez que se cambia el interruptor eléctrico, se emite una radiografía. Pero en la radiactividad, los rayos se emiten sin necesidad de electricidad. En este sentido, el rayo que descubrió Becquerel era más extraño que la radiografía.
Ambos descubrimientos fueron altamente fortuitos. Después del descubrimiento de la radiactividad en 1896 varios científicos comenzaron a investigar este fenómeno. El descubrimiento posterior más importante fue hecho por Rutherford, quien descubrió la partícula alfa y realizó descubrimientos posteriores usando la partícula alfa como su herramienta favorita, como un niño jugando con un juguete.
En particular, ¿qué es exactamente la partícula alfa? ¿Cómo descubrió Rutherford la naturaleza de la partícula alfa? Hay tres tipos de rayos en la radiactividad: alfa, beta y gamma. Cada tipo tiene una capacidad variable para penetrar los materiales. La partícula alfa es el núcleo de un átomo de helio. La partícula beta es el electrón. Tanto la radiación alfa como la beta son partículas. El rayo gamma no es una partícula en absoluto, sino una onda electromagnética como la luz. Tiene una longitud de onda muy corta, más corta que la de la radiografía. El rayo gamma es muy enérgico. La Conferencia Nobel de 1908 de Rutherford se refería a la naturaleza de la partícula alfa, pero no fue por eso que recibió el Premio Nobel de Química. Su logro premiado fue separado; de todas maneras durante varios años de investigación adicional, descubrió la naturaleza de la partícula alfa en 1908. Así que en la ceremonia de premiación describía la naturaleza química de la partícula alfa que había descubierto pocos meses antes. Una interesante secuencia de eventos. La partícula alfa fue instrumental en su posterior descubrimiento del núcleo atómico en 1911. Vemos que muchos descubrimientos clave están relacionados entre sí. Tengamos en cuenta que esta conferencia fue impartida antes del descubrimiento del núcleo. Rutherford estaba tratando de explicar lo que es la partícula alfa, que es un núcleo, sin el conocimiento del núcleo.
Material revisado:
- International Atomic Energy Agency (2016). Republic of Korea: Electricity Production Share in 2015. Disponible en: https://goo.gl/hAxIGp
- International Atomic Energy Agency (2016). France: Electricity Production Share in 2015. Disponible en: https://goo.gl/o0dkCl
- Rutherford E (1908). The Chemical Nature of the Alpha Particles from Radioactive Substances. Nobel Lecture. Disponible en: https://goo.gl/yFOslC

