Creo que leer sobre cómo se descubrió algo nos ayuda a entenderlo mucho más fácilmente. Después de todo, cuando lo descubrimos, lo sabíamos mucho menos que un niño de 9 años ahora lo sabe.
(Radiación azul de Cherenkov alrededor de un reactor nuclear)
Todo está hecho de pequeños átomos . Los átomos siempre están moviéndose, moviéndose y chocando entre sí.
Átomo significa indivisible . Pero como se vio a finales del siglo XIX, los átomos estaban hechos de partículas más pequeñas llamadas partículas subatómicas .
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A finales del siglo XIX, se inventaron potentes bombas de vacío. Eran lo suficientemente poderosos para bajar la presión de un gas hasta el punto en que la electricidad de alto voltaje podía pasar a través de él.
Esto haría que el gas brillara y el color solo dependiera de qué gas haya elegido, no del voltaje y no de la presión.
Has visto las lámparas de neón por todas partes. Puedes encontrar la lámpara de xenón en muchas linternas para fotografiar.
El patrón, el recuento y la posición de los discos pequeños en los extremos (especialmente visibles en la lámpara [math] D_2 [/ math] aquí) dependían del voltaje y la presión. Esto se parecía bastante a una llama. Pero tampoco sabíamos qué era la llama de un fuego en aquel entonces.
Cuando las bombas de vacío mejoraban, podían llegar a presiones incluso más bajas. Cuando la presión era inferior a cierto punto, la lámpara se apagaba y ya no brillaba. Estos tubos fueron llamados tubo de Crookes.
Algo muy raro estaba pasando dentro de los tubos de Crookes. Una corriente invisible irradiaba directamente desde el cátodo (el electrodo conectado al polo negativo de la batería), por lo que esta corriente se llamó rayo catódico.
Los rayos catódicos eran invisibles, pero si golpeaban una pantalla fluorescente, la encenderían.
Desde la posición y la forma de la sombra, era obvio que los rayos catódicos se movían en línea recta . Si coloca un imán cerca del tubo, desviaría los rayos del cátodo y la sombra se movería.
Entonces, los rayos catódicos estaban cargados eléctricamente, desde la dirección en que se desviaron, se concluyó que estaban cargados negativamente .
Otra cosa interesante que mostró el propio Crookes fue que si pones una rueda delante de ellos, podrían moverla. Así que tienen masa .
Tanto William Crookes (en la década de 1880) como el físico alemán Johann Hittorf, un coinventor e investigador inicial del tubo de Crookes, descubrieron que las placas fotográficas colocadas cerca del tubo se empañaban inexplicablemente o estaban defectuosas por las sombras . Ni se encontró la causa ni se investigó este efecto.
El físico alemán Wilhelm Röntgen fue el primero en estudiarlos sistemáticamente y generalmente se le reconoce como el descubridor de los rayos X en 1895 (más tarde ganó el primer premio Noble en física por ello).
Los rayos X no fueron afectados por electricidad o magnetismo en absoluto. La naturaleza exacta de los rayos catódicos y los rayos X no se entendía todavía.
(Primera imagen médica de rayos X, mano izquierda de la esposa de Röntgen con su anillo).
La radiactividad fue descubierta en 1896 por el científico francés Henri Becquerel. Él sospechaba que el brillo producido en los tubos de rayos catódicos por rayos X podría estar asociado con la fosforescencia .
Envolvió una placa fotográfica en papel negro y le colocó varias sales fosforescentes. Todos los resultados fueron negativos hasta que utilizó sales de uranio. Las sales de uranio causaron un ennegrecimiento de la placa a pesar de que la placa se envolvió en papel negro. Estas radiaciones recibieron el nombre de “Rayos Becquerel”.
Al principio, parecía que la nueva radiación era similar a los rayos X descubiertos recientemente. Investigaciones adicionales realizadas por Becquerel, Ernest Rutherford, Paul Villard, Pierre Curie, Marie Curie y otros demostraron que esta forma de radioactividad era significativamente más complicada.
Había diferentes tipos de radiaciones radiactivas emitidas por diferentes materiales. Fueron nombrados por cómo reaccionaron a un campo eléctrico.
El rayo que se desvió hacia la placa cargada negativamente (por lo tanto se cargó positivamente) se llamó [math] \ alpha [/ math]. El que fue desviado hacia la placa cargada positivamente (por lo tanto se cargó negativamente) se llamó [math] \ beta [/ math]. Y el que no fue afectado fue llamado [math] \ gamma [/ math].
Puede ver que las partículas [math] \ alpha [/ math] son menos desviadas por el campo eléctrico, por lo que podemos decir que las partículas [math] \ alpha [/ math] son más masivas que las partículas [math] \ beta [/ math].
En 1897, Thomson mostró que los rayos catódicos estaban compuestos de partículas con carga negativa desconocidas previamente, que calculó que debían tener cuerpos mucho más pequeños que los átomos y un valor muy grande para su relación carga-masa. [3] Así se le atribuye el descubrimiento y la identificación del electrón; y con el descubrimiento de la primera partícula subatómica.
(de Wikipedia)
Resultó que las partículas [math] \ beta [/ math] también son electrones.
La masa de un electrón es 10.000 veces menor que la de los átomos más pequeños.
Y las partículas [math] \ alpha [/ math] tienen el doble de carga (+2) y cuatro veces la masa de un ion [math] H ^ + [/ math], y en realidad es el núcleo de un átomo de helio ([ math] He ^ {2 +} [/ math]). Y [math] \ gamma [/ math] es similar a los rayos X.
Los átomos son neutros (eléctricamente), por lo que la existencia de partículas subatómicas con carga negativa significa que debe haber alguna carga positiva dentro del átomo. Thomson propuso que el átomo está compuesto de electrones rodeados por una sopa de carga positiva para equilibrar las cargas negativas de los electrones, como “pasas” cargadas negativamente rodeadas por un “pudín” cargado positivamente (1904).
Los átomos y las moléculas habían sido teorizados durante mucho tiempo como los constituyentes de la materia, pero los científicos no los habían aceptado ampliamente. No fue hasta que Albert Einstein publicó un artículo en 1905 que explicaba con detalle cómo el movimiento que Brown había observado (movimiento aleatorio de las partículas de humo en el aire) era el resultado de que el polen era movido por moléculas de agua individuales. Esta explicación del movimiento browniano sirvió como confirmación definitiva de que los átomos y las moléculas existen en realidad, y fue comprobada experimentalmente por Jean Perrin en 1908. Perrin recibió el Premio Nobel de Física en 1926 “por su trabajo sobre la estructura discontinua de la materia” (Einstein había recibido el premio cinco años antes “por sus servicios a la física teórica” con citas específicas de diferentes investigaciones).
¿Qué herramienta es mejor para investigar las cargas positivas que bombardearlas con pequeñas partículas con carga positiva pequeña? La carga positiva desviaría las partículas diminutas y crearía sombras, por lo que si brillaba rayos [math] \ alpha [/ math] en una capa delgada de átomos, vería las sombras de la distribución de la carga positiva en una pantalla fluorescente.
Ernest Rutherford (el padre de la física nuclear, el que descubrió y nombró [math] \ alpha [/ math] y [math] \ beta [/ math] partículas) realizó este experimento.
Utilizó una fuente alfa para bombardear una delgada lámina dorada (se sabía que el oro debería tener átomos grandes). Para su sorpresa, casi todas las partículas alfa pasaron a través. Unos pocos fueron desviados y un pequeño número fue devuelto. Concluyó que casi toda la masa y la carga positiva dentro de un átomo se concentran en un pequeño bulto en el centro. Descubrió el núcleo del átomo . Y el modelo de Thomson fue refutado.
Rutherford propuso el modelo planetario para el átomo (1911). Casi toda la masa del átomo estaba en un pequeño núcleo en el centro (100,000 veces más pequeño que el tamaño del átomo) y los electrones mucho más pequeños, cargados negativamente, lo orbitaban igual que los planetas que orbitan alrededor del Sol. Los electrones tenían que moverse, de lo contrario serían atraídos por el núcleo cargado positivamente.
Tras el descubrimiento del núcleo atómico por Ernest Rutherford en 1911, Antonius van den Broek propuso que el lugar de cada elemento en la tabla periódica (su número atómico) es igual a su carga nuclear. Esto fue confirmado experimentalmente por Henry Moseley en 1913 utilizando espectros de rayos X.
En 1917, Rutherford demostró que el núcleo de hidrógeno está presente en otros núcleos, un resultado generalmente descrito como el descubrimiento del protón (la partícula subatómica cargada positivamente dentro del núcleo). Rutherford había aprendido anteriormente a producir núcleos de hidrógeno como un tipo de radiación producida como producto del impacto de las partículas alfa en el gas nitrógeno, y las reconoce por su firma de penetración única en el aire y su aparición en detectores de centelleo.
En 1920, Rutherford sugirió que el núcleo consistía en protones positivos y partículas con carga neutra, sugirieron ser un protón y un electrón unidos de alguna manera. Se asumió que los electrones residían dentro del núcleo porque se sabía que la radiación beta consistía en electrones emitidos desde el núcleo. Rutherford llamó a estas partículas neutrones sin carga.
La historia de la radiactividad no está completa sin mencionar a Marie Curie.
Marie Skłodowska-Curie (7 de noviembre de 1867 – 4 de julio de 1934) fue una física y química polaca y naturalizada francesa que realizó una investigación pionera en radioactividad. Ella fue la primera mujer en ganar un Premio Nobel, la primera persona y la única mujer en ganar dos veces, la única persona en ganar dos veces en múltiples ciencias, y fue parte del legado de la familia Curie de cinco premios Nobel.
Ella compartió el Premio Nobel de Física de 1903 con su esposo Pierre Curie y con el físico Henri Becquerel. Ganó el Premio Nobel de Química de 1911.
Sus logros incluyeron una teoría de la radiactividad ( un término que ella acuñó ), técnicas para aislar isótopos radiactivos y el descubrimiento de dos elementos, polonio y radio. Bajo su dirección, los primeros estudios del mundo se llevaron a cabo en el tratamiento de neoplasmas, utilizando isótopos radiactivos.
Esta fue la teoría de la radiactividad hasta hace 100 años.
En 1931, Walther Bothe y Herbert Becker encontraron que si la radiación de partículas alfa del polonio caía sobre berilio, boro o litio, se producía una radiación inusualmente penetrante. La radiación no fue influenciada por un campo eléctrico, por lo que Bothe y Becker asumieron que era radiación gamma. Ni Rutherford ni James Chadwick en el Laboratorio Cavendish de Cambridge se convencieron con la interpretación de los rayos gamma. Chadwick realizó rápidamente una serie de experimentos que demostraron que la nueva radiación consistía en partículas sin carga con aproximadamente la misma masa que el protón. Estas partículas eran neutrones. Chadwick ganó el Premio Nobel de Física por este descubrimiento en 1935.
Resultó que los átomos más pequeños tienen aproximadamente la misma cantidad de neutrones y protones en sus núcleos, pero los elementos más pesados tienen más neutrones que protones.
Resultó que cuanto más grande era el átomo y más la proporción de neutrones a protones (más de 1.5) , más inestable era ese átomo. Y sufrió un deterioro radioactivo y se convirtió en elementos más ligeros (que eran más estables).
No es tan difícil ver por qué los elementos más pesados son menos estables. Imagina que estás haciendo núcleos de átomos usando legos. Si es muy pequeño (por ejemplo, de dos piezas) si lo dejas caer al suelo desde 1 metro de altura, no se romperá. Pero si es grande (digamos 100 piezas), se romperá en piezas más pequeñas (y más estables).
Como lo sabemos ahora, la naturaleza aún no estaba lista para revelar todos sus secretos. Pronto se descubrió que los electrones (y todas las demás partículas subatómicas) no eran simplemente partículas, podían comportarse como ondas y podían estar en múltiples lugares al mismo tiempo (el famoso experimento de la doble rendija). Pero esa es otra historia y nos alejaremos mucho de nuestra pregunta original, así que la terminaré aquí.
[Todas las demás imágenes son de Wikipedia, a menos que se mencione en ellas].
Todo lo mejor.