Glosario de química

Modelo atómico de Rutherford

El modelo atómico de Rutherford describe el átomo como un núcleo denso rodeado de electrones en órbita.

Quién fue Ernest Rutherford

Ernest Rutherford (Nueva Zelanda, 1871 – Inglaterra, 1937) fue uno de los físicos más influyentes del siglo XX. Trabajó en la Universidad de Manchester, donde realizó experimentos pioneros sobre la radiactividad alfa. Por su trabajo recibió el Premio Nobel de Química en 1908 (curiosamente, él se consideraba físico). En 1911 propuso el modelo atómico que lleva su nombre.

El experimento de la lámina de oro (Geiger-Marsden, 1909)

Para investigar la estructura del átomo, Rutherford pidió a sus colaboradores Hans Geiger y Ernest Marsden que bombardearan una lámina muy fina de oro (~0,0004 mm de grosor) con un haz de partículas alfa procedentes de una muestra de radio. Las partículas alfa son núcleos de helio (²₄He²⁺) emitidos por algunos núcleos radiactivos.

Si el modelo de Thomson (átomo como «pudín de pasas») fuera correcto, todas las partículas deberían atravesar la lámina con desviaciones pequeñas. Pero el experimento mostró un resultado inesperado:

La inmensa mayoría (>99 %) pasó sin desviarse.
Unas pocas se desviaron en ángulos pequeños.
Una entre 8.000 rebotó hacia atrás con ángulos cercanos a 180°.

Rutherford lo describió así: «Era como si dispararas un proyectil de artillería de 15 pulgadas contra papel de seda y volviera a darte».

Postulados del modelo de Rutherford (1911)

A partir de esos resultados, Rutherford formuló tres postulados clave:

El átomo está formado por un núcleo central muy pequeño que contiene casi toda la masa y toda la carga positiva.
El resto del átomo es espacio vacío, donde los electrones orbitan alrededor del núcleo (modelo «planetario»).
El núcleo es ~10.000 veces menor que el átomo entero (radio atómico ~10⁻¹⁰ m; radio nuclear ~10⁻¹⁴ m).

Las partículas alfa que rebotaban eran las que chocaban directamente con un núcleo; las que pasaban sin desviarse atravesaban espacio vacío.

Aciertos y limitaciones del modelo

Aciertos:

Explicó correctamente la existencia y propiedades del núcleo atómico.
Distinguió entre carga concentrada (núcleo) y dispersa (corteza electrónica).
Sentó las bases para descubrir el protón (también por Rutherford, 1919) y el neutrón (Chadwick, 1932).

Limitaciones:

No explicaba la estabilidad del átomo: según la electrodinámica clásica, un electrón en órbita debería emitir radiación electromagnética continuamente y caer al núcleo en ~10⁻⁸ segundos. Pero los átomos son estables.
No explicaba los espectros atómicos: los gases emiten líneas espectrales discretas, no un espectro continuo. El modelo de Rutherford no predecía esa cuantización.

Diferencia con modelos anteriores y posteriores

vs. modelo de Thomson (1897): Thomson postulaba carga positiva difusa. Rutherford demostró que la carga positiva está concentrada en un núcleo.
vs. modelo de Bohr (1913): Bohr resolvió las limitaciones de Rutherford introduciendo órbitas cuantizadas: el electrón solo puede ocupar ciertos niveles de energía, sin radiar mientras está en uno de ellos.
vs. modelo mecano-cuántico (Schrödinger, 1926): sustituyó las órbitas por orbitales (regiones de probabilidad).

Importancia histórica

El modelo de Rutherford fue el primer modelo nuclear coherente del átomo y abrió camino a:

El descubrimiento del neutrón.
La física nuclear como disciplina.
Los modelos cuánticos posteriores (Bohr, Schrödinger).
Aplicaciones tecnológicas: energía nuclear, datación radiométrica, medicina nuclear.

Rutherford figura entre los grandes de la historia de la ciencia y se le considera «el padre de la física nuclear».

Errores frecuentes en exámenes

Decir que en el modelo de Rutherford los electrones «están parados» alrededor del núcleo: en realidad orbitan, igual que los planetas alrededor del Sol.
Confundirlo con el modelo planetario clásico sin considerar que las trayectorias de los electrones son una idealización cualitativa, no exacta.
Pensar que Rutherford propuso la idea del núcleo «por intuición»: fue el resultado directo de un experimento muy concreto (Geiger-Marsden).
Olvidar mencionar que el modelo predijo correctamente la existencia del núcleo antes de que se conociera el protón.