A principios del siglo XX, en 1911, el físico Ernest Rutherford propuso una explicación sobre la disposición interna del átomo. Rutherford sugirió un modelo o teoría en el que el átomo tenía dos partes: un núcleo o centro en el cual se concentra la masa y la carga positiva, y una zona exterior en la que se encuentran los electrones de carga negativa.
Rutherford siguió estudiando la estructura del átomo, pero no fue hasta 1920 cuando demostró por primera vez la existencia de una partícula positiva, que denominó protón, nombre que viene del griego "protos", que significa primero. En esta lección de unPROFESOR veremos cómo se produjo el descubrimiento del protón: un resumen de cómo Rutherford, a partir de los conocimientos previos, demostró la existencia de los protones.
Antecedentes: El experimento de rayos canales
Para conocer cómo fue el descubrimiento del protón, es importante hablar sobre los antecedentes de dicho hallazgo. Los antecedentes se remontan a los experimentos de JJ. Thomson sobre el fenómeno de los "rayos catódicos", que habían sido descubiertos en 1858. En sus estudios, Thomson observó que la corriente aplicada a dos placas de metal producía un haz de partículas con cargas eléctricas negativas: había descubierto los electrones. Los protones no se identificaron en esos ensayos; los rayos catódicos aportaron el antecedente al mostrar que el átomo contenía partículas negativas.
Años más tarde, en 1886, Goldstein hizo una modificación del experimento de Thomson: montó un tubo de rayos catódicos con una placa (cátodo) perforada. Al hacer pasar la corriente a través de este, observó que algunos rayos atravesaban dicho orificio en sentido contrario a los rayos catódicos. A estos rayos los denominó rayos canales.
Este descubrimiento pasó inadvertido hasta 1895, cuando J. Perrin demostró que los rayos canales estaban compuestos por partículas cargadas positivamente; los rayos canales se producían porque estas partículas positivas sufrían desviaciones hacia la placa negativa cuando se les aplicaba un campo eléctrico. Por esto, a los rayos canales también se les empezó a denominar rayos positivos. La carga de las partículas de esos rayos dependía del gas presente en el tubo; cuando este era hidrógeno, se observaba el ion positivo más ligero, relacionado posteriormente con el protón.
A pesar de no haber descrito el protón ni haber estudiado su posición en el átomo, algunos investigadores consideran que el verdadero descubridor del protón fue Goldstein, con su experimento de los rayos canales en 1886. En cambio, otros investigadores apuestan por Rutherford como verdadero descubridor de los protones, ya que fue él quien bautizó por primera vez a la partícula y describió su posición y función en el núcleo atómico.
El experimento de Rutherford
En 1918, Rutherford se inspiró en el experimento de los rayos catódicos de Thomson, pero lo modificó para bombardear distintos gases con partículas alfa. El haz de partículas alfa está compuesto por núcleos completamente ionizados, es decir, carecen de los electrones correspondientes. Estos núcleos de helio están formados por dos protones y dos neutrones, pero no tienen electrones. Hay que recordar que en ese momento no se conocía la existencia de los neutrones, por lo que Rutherford creía que las partículas alfa solo contenían protones.
El experimento de Rutherford estaba formado por una pequeña caja de latón provista de llaves que permitían la circulación de los gases estudiados. En uno de los extremos de la caja había un orificio recubierto de plata, capaz de absorber por sí sola partículas alfa; en el otro extremo se disponía una placa de vidrio. En el exterior de la caja se encontraba el sistema de detección, formado por una pantalla centelleadora de sulfuro de zinc, situada a una distancia de 5 mm, espacio en el que se introdujeron pantallas absorbentes de mica. Finalmente, también se necesitaba un microscopio para observar los destellos producidos en la placa. Por último, dentro de la cámara se encontraba la fuente emisora radiactiva, sobre un soporte que le permitía acercarse o alejarse de la pantalla reveladora. Todo este sistema se colocó sobre un campo magnético intenso, que desviaba lateralmente a los electrones beta, evitando que incidieran en la pantalla reveladora y produjeran destellos no deseados. La intensidad de los destellos permitía detectar las partículas que llegaban hasta la pantalla tras atravesar el gas y las capas absorbentes.
El alcance de una determinada partícula depende de su tipo, de su energía inicial y del medio material atravesado. Conociendo el alcance de la partícula en cuestión (en este caso, de la partícula alfa), se puede saber de qué partícula se trata y con qué energía se ha producido. Esta información permite caracterizar a las partículas originadas. Rutherford utilizó esta propiedad para estudiar cómo se comportaban las partículas alfa cuando se disparaban dentro de un ambiente con nitrógeno e hidrógeno. Al comparar los resultados obtenidos con cada gas, pudo identificar las partículas que aparecían tras las colisiones.
Conclusiones: el descubrimiento del protón
Gracias a sus experimentos con nitrógeno e hidrógeno, Rutherford llegó a la conclusión de que el núcleo de nitrógeno se transformaba debido a la colisión con partículas alfa, y que los núcleos de hidrógeno liberados en este proceso formaban parte del núcleo de nitrógeno.
Con ello, Rutherford concluyó que todos los núcleos atómicos debían estar formados por protones y electrones, una idea que J. Chadwick demostró incompleta en 1932, cuando descubrió el neutrón. Hoy se sabe que el protón es una partícula con carga positiva y que forma parte del núcleo de los átomos.
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