¿Cómo concluyó Rutherford que la mayor parte de la masa (así como la carga positiva) estaba concentrada en el núcleo?

El experimento de Geiger y Marsden llevó a Rutherford a creer que la carga positiva y la mayor parte de la masa del átomo estaban concentradas en una pequeña región. Entiendo qué lo llevó a concluir la forma en que se coloca la carga positiva en el átomo. Pero, ¿cómo concluyó que la mayor parte de la masa estaba en una pequeña región (el núcleo)?

¿Cómo importaba la distribución de la masa después de todo? Dado que la fuerza eléctrica es mayor que la fuerza gravitatoria en muchas magnitudes, la fuerza entre la carga de positice y los electrones era predominantemente eléctrica.

Entonces, ¿cómo concluyó Rutherford que la mayor parte de la masa está en el núcleo?

Rutherford supuso que el núcleo objetivo no retrocedía cuando la partícula alfa interactuaba con él.
@Farcher ¿Simplemente una suposición?
Vea el experimento de dispersión de partículas alfa de lámina de oro de Rutherford. No responderé ya que @Manish Sahu ya ha dado una buena explicación.
@Farcher Usar una suposición de centro fijo para construir la sección transversal de comparación no significa que asumió la masa en el vacío. Si asume que el alfa interactúa elásticamente con solo un átomo, entonces el ángulo de dispersión mucho mayor que 90 grados fuerza la relación de masa en usted. Este es uno de los muchos resultados poderosos de la teoría clásica de la dispersión que se basa solo en la conservación de la energía y el impulso (un tema que tiende a ser desestimado por la presión de un plan de estudios moderno, pero que eran bien conocidos).
@dmckee Entiendo el hecho de que una masa debe ser mucho mayor que la otra, pero dado que la distribución angular no es una función de la relación de masa, ¿se puede encontrar directamente un valor de orden de magnitud (o mejor) para la relación de las masas de el experimento de dispersión?
Dejaré un comentario para aclarar cuál es mi duda. El modelo de Thompson proponía que la masa y la carga positiva estaban uniformemente distribuidas en el átomo. Con los electrones como pasas en una especie de budín de ciruelas. Además, cuando Rutherford realizó su experimento se sabía que las partículas alfa tenían energía para atravesar tal distribución uniforme de masa y carga positiva . Mi duda básicamente gira en torno a que la fuerza eléctrica es la clave en la interacción entre las partículas alfa y el 'núcleo' (sugerido por Rutherford).
Dado que las partículas alfa rebotaron en muchos de los casos, es seguro que la mayor parte de la carga positiva se concentró en un pequeño volumen. Lo que me desconcierta es cómo se comprobó que esa misma región que contenía la carga positiva era también la que portaba la mayor parte de la masa del átomo. ¿No se podría haber pensado que la masa estaba distribuida uniformemente a través del átomo? Seguramente la masa no es tan significativa, ¿verdad? ¿No se está produciendo una colisión real? Las partículas alfa se acercan tanto como pueden sin tocar realmente el 'núcleo'.
Thompson dijo que la masa y la carga positiva se distribuyen uniformemente. Seguramente las partículas alfa tenían energía para superar una distribución de masa uniforme si no la carga positiva (porque la carga positiva estaba en una pequeña región). Solo estoy siendo estúpido aquí, pero nadie podría haber sido inducido a creer que la masa se distribuye uniformemente a través del átomo, solo que la carga positiva está centrada en algo llamado núcleo . Disculpas por toda la estupidez.
@Farcher La distribución angular en el marco del centro de masa no es una función de la relación de masa, pero en el marco de laboratorio ciertamente lo es. En particular, el ángulo de dispersión de marco de laboratorio más grande posible es ψ metro a X = arcsen ⁡ ( metro 2 / metro 1 ) (ver, por ejemplo, la línea 389 de farside.ph.utexas.edu/teaching/336k/Newtonhtml/node52.html ) que muestra cualquier dispersión hacia atrás implica que el objetivo es más pesado que la partícula incidente. Obtener la relación de masa a partir de los datos es más difícil y requiere muchas estadísticas. Pero Rutherford estaba en un terreno razonablemente sólido asumiendo que todo lo que no era un electrón estaba en el núcleo.
@KunalPawar "Seguramente la masa no es tan significativa, ¿verdad?" El impulso debe ser conservado. Cada cambio en la velocidad de la partícula incidente se refleja en un cambio de sentido opuesto en la velocidad del objetivo, pero la proporción del tamaño de esos cambios depende completamente de sus masas relativas.
@dmckee De acuerdo. El impulso debe ser conservado. Reitero: ¿no se podría haber pensado que la masa es uniforme en todo el átomo mientras que la carga está confinada a algo llamado núcleo ?
@Kunal Tomemos eso en serio por un momento. Está proponiendo que (a) la carga está clavada a la masa pesada ( debe estarlo o la dispersión no tendría el carácter observado), pero (b) ocupa solo una parte del volumen de esa masa y (c) la la masa que sobresale de la carga no afecta ninguna parte del proceso de dispersión. En otras palabras, que la dispersión es como si la masa y la carga coincidieran, pero no lo hacen de alguna manera inconmensurable. La navaja de Occam/el principio de parsimonia nos dice que dejemos de lado esa suposición hasta que haya alguna razón para hacerlo.
@dmckee Entonces, es exactamente lo que pensé que estaba haciendo: ser estúpido. Básicamente, mi suposición no tiene fundamento porque no hay observaciones que requieran tal suposición.
Ciertamente, la fuerza gravitacional es irrelevante, pero la inercia/momento no lo es.

Respuestas (3)

Este es un buen ejemplo de cómo funciona la ciencia.

Geiger y Marsden observaron que algunas de las partículas alfa se retrodispersaban. Esto es inconcebible si la partícula alfa es dispersada por una partícula más ligera.

Si se considera una partícula de masa metro y velocidad inicial v 1 golpeando un objetivo de masa metro ′ en reposo, sin cambiar su dirección, entonces su velocidad final v 2 puede asumir dos valores posibles,

v 2 = v 1 , o r v 2 = − v 1 ( metro ′ − metro metro ′ + metro ) .
La segunda solución da que la retrodispersión solo es posible si el objetivo tiene una masa mayor que la partícula incidente. En ese momento, se sabía que la masa del electrón era mucho más pequeña que la masa de la partícula alfa, por lo que un evento de retrodispersión implicaría que los centros de dispersión eran, de hecho, núcleos pesados ​​​​positivos. Y de hecho se observaron esas dispersiones.

Para comprobarlo formalmente, Rutherford obtuvo una fórmula para el número de partículas dispersas en función del ángulo de dispersión utilizando la hipótesis de los núcleos pesados ​​(que se justifica en el párrafo anterior). Geiger y Marsden hicieron el experimento y los datos coincidieron con la fórmula de Rutherford.

Este. La teoría clásica de dispersión te obliga a entender que el núcleo es considerablemente más pesado que el alfa.
No hay una colisión real, ¿verdad? La partícula alfa en realidad nunca tocó el núcleo. Simplemente se acercó tanto como su energía lo permitió y dio la vuelta (si estaba destinado a una colisión frontal) o simplemente se dispersó.
@KunalPawar Una colisión o choque es un evento en el que dos o más cuerpos ejercen fuerzas entre sí durante un tiempo relativamente corto. Aunque el uso coloquial más común de la palabra "colisión" se refiere a incidentes en los que chocan dos o más objetos, el uso científico de la palabra "colisión" no implica nada sobre la magnitud de la fuerza.
@KunalPawar: Ni los electrones ni los núcleos hacen contacto entre sí cuando chocan dos bolas de billar tampoco. Las fuerzas involucradas en ambos casos son las mismas.
¿Cómo derivaste? v 2 = − v 1 metro ′ − metro metro ′ + metro ?
@Krish Acabo de usar la conservación del impulso.

Wikipedia explica esto bastante bien, pero elegiré las cosas relevantes para ti.

Antes del experimento de Geiger-Marsden, la idea general era que los átomos estaban formados por un sustrato positivo permeable en el que flotaban algunas partículas negativas; el llamado modelo pudín de ciruelas .

si disparamos α ¡Las partículas en esta configuración deberían pasar todas a través de los átomos ya que se cree que el sustrato positivo es permeable! (lado izquierdo de la figura)

Pero cuando la gente hizo el experimento, vieron que la mayoría de las partículas pasaban mientras que algunas se dispersaban. 180 ∘ hacia atrás, ¡algunos incluso doblaron un pequeño ángulo! (lado derecho de la figura)

Experimento

El modelo de pudín de ciruelas no tuvo problemas con las partículas que atravesaron sin ser perturbadas, pero ¿qué pasa con las que fueron retrodispersadas? La gente teorizó que debe haber algún núcleo sólido en el átomo contra el cual el α las partículas podrían dispersarse. El núcleo no podía ser demasiado grande ya que sólo una pequeña fracción de la α partículas retrodispersadas.

Esto conduce a un modelo en el que la mayor parte de la masa (a la que α las partículas pueden dispersarse) están en el centro del átomo con las cargas negativas a su alrededor.

Rutherford realizó una serie de experimentos en los que midió la retrodispersión de α partículas en función del espesor de la hoja de metal. En la tercera parte del experimento observó que alrededor de 1 en 8000 α las partículas pudieron retrodispersarse. Esto era posible solo si encontraba un gran campo eléctrico. Un campo eléctrico tan grande no puede ser creado por carga distribuida, sino que tiene que ser creado por alguna carga concentrada. Así que esto explica el concepto de núcleo.

Y dado que el núcleo tiene la mayor parte de la carga (los protones son más pesados ​​que los electrones), tiene la mayor parte de la masa del átomo.

Esto no responde a la pregunta como se planteó. En el momento en que Rutherford postuló su modelo, se desconocía el protón, y mucho menos su masa.
@ Emilio Pisanty Estoy de acuerdo en que el protón no se descubrió hasta 1920 y el modelo de Rutherford en realidad respalda el hecho de que el núcleo podría haber tenido una carga +ve y -ve. Pero desde α las partículas se desviaban, el núcleo tenía que tener carga +ve. También se observó que el ángulo de dispersión donde el máximo α partículas fueron detectadas fue directamente proporcional a la masa atómica de la hoja de metal. Esto apoya el hecho de que, de hecho, el núcleo tenía la mayor parte de la masa. Si la masa no fuera un factor entonces, el ángulo de dispersión no sería una función de la masa atómica donde detectamos el máximo α partículas
Que α las partículas que se desvían no es la razón para concluir que el núcleo es positivo. IIRC, el patrón de dispersión no es tan sensible a la carga de los objetivos. La positividad del núcleo se deriva de que la materia es eléctricamente neutra y los electrones son negativos.
¿Cómo concluyó Rutherford que la mayor parte de la masa (así como la carga positiva) estaba concentrada en el núcleo?
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