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Proyecto de fisica moderna - dispersion de particulas alfa en laminas metalicas empleando rcls, dispersion de rutherford rcls



PROYECTO DE FISICA MODERNA

TITULO PROYECTO: DISPERSION DE PARTICULAS ALFA EN LAMINAS METALICAS EMPLEANDO RCLs

TEMA: DISPERSION DE RUTHERFORD RCLs

INTEGRANTES:

KATHERIN ALVAREZ
MILENA AGUAS
JOSE PEÑA
LUIS CARLOS MENDOZA
DIEGO RIOS


OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:
Realizar un proyecto experimental de la dispersión de Rutherford mediante la
herramienta de RCLs(Remotely Controlled Laboratories), es decir, Laboratorios
Controlados a Distancia, analizando los resultados que se obtendran, y exponer estos
analisis a las personas interesadas y así alcanzar el logro propuesto en la asignatura.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:
•Estudiar e investigar el experimento de la lamina de oro de Rutherford y todos los
postulados que Este hizo, a partir de los resultados de dicho experimento.


• Identificar los fenómenos físicos que se aplican en Este experimento.
• Establecer la importancia que tiene este experimento para la Física Moderna.
• Aprovechar las herramientas pedagógicas y tecnológicas que se ofrecen
actualmente para realizar una demostración experimental de la dispersión de
Rutherford.
• Analizar los resultados obtenidos por medio del experimento que se realizara a
través del RCLs
• Socializar con los compañeros de clase y personas interesadas los analisis
obtenidos de la investigación y experiencia realizada.


METODOLOGIA.

Se investigara la teoría relacionada con el tema del experimento, la dispersión de Rutherford, conel fin de comprender los fenómenos físicos implicados y ser capaces de analizar los resultados
obtenidos.
Luego de comprender los conceptos físicos, se hara enfoque en la herramienta que permitira
realizar el experimento, el RCLs o Laboratorios Controlados a Distancias, para el uso de este
laboratorio es necesario primero aprender a usar esta herramienta para que l manipularla se
pueda lograr un buen resultado en los experimentos que se realizaran.
Realizado varias veces el experimento, y teniendo resultados, se proceder a realizar el analisis de


dichos resultados y se comparara con los obtenidos por Rutherford.
De esta forma se podra
mostrar y explicar a los compañeros y al público interesado en que consiste el experimento, que
resultados se obtienen, y que implicaciones tienen dichos resultados en la física moderna.

Laboratorios RCLs: Para comprobar todo utilizaremos unos laboratorios online controlados a
distancia, por medio de experimentos reales en donde se presenta una visión general de la
evolución técnica y pedagógica, describiendo la diversidad y el potencial de los experimentos y
observaciones sobre su aceptación por profesores de física. El objetivo de estos laboratorios a
distancia es permitir a los usuarios por medio de la computadora puedan controlar de forma
remota un experimento en este caso el de Rutherford.
https://rcl.physik.uni-kl.de/


PUBLICO
Este tipo de experimento puede ser socializado con cualquierpersona que tenga un conocimiento
basico de la física y la estructura de los atomos. Puesto que los fenómenos físicos implicados
creemos son muy sencillos de entender y se cuenta con graficos e imagenes que facilitan la
comprensión del experimento. Pero para la utilización del RCLs, se debe tener conocimientos del
internet y del uso de la herramienta, y ya que esta se encuentra en inglés, es necesario que quien
desee manipularla tenga conocimientos de esta lengua.


MARCO TEORICO

Desde principios de 1900 ya se conocían dos características de los atomos: contienen electrones y
son eléctricamente neutros. Para que un atomo sea neutro debe contener el mismo número de
cargas positivas y negativas. Thomson propuso que un atomo podía visualizarse como una esfera
uniforme cargada positivamente, dentro de la cual se encontraban los electrones como si fueran
las pasas en un pastel. Este modelo, llamado 'modelo del budín de pasas', se aceptó como una
teoría durante algunos años

Modelo atómico de Thomson (izq.), algunas veces llamado el
modelo 'del budín de pasas' por su semejanza con el tradicional
postre inglés que contiene pasas (der.), los electrones estan
insertos en una esfera uniforme cargada positivamente.

En 1909 se realiza un experimento por parte de
Hans Geiger y Ernest Marsden, y dirigido por
Ernest Rutherford, que luego fue publicado en
el año 1911. Este experimento consistía en
bombardear un haz partículas alfa(estas tienen
carga positiva y se generan habitualmente en
reacciones
nucleares
o
desintegración
radioactiva), en finas laminas de oro y de otro
tipo de metales y observar como dicha lamina
afectaba la trayectoria de estos rayos.

¿Qué debería ocurrir?
Dado que se lanzaba partículas con carga positiva y con una masa mucho mayor a los electrones,
deberían ser atraídas por dichos electrones, a la vez que serían repelidas por la carga positiva del
atomo y debido a que dicha carga estaba difusa por todo el volumen de la esfera, esta carga no
debería interferir demasiado. Y por la gran diferencia de las masas, la fuerza que ejercían los
electrones debería de desviar un angulo pequeño a las partículas, obteniendo que éstas se
dispersaran ligeramente respecto de su dirección inicial.

¿Qué se observó?
Lo que realmente se observó fue que un gran número de las partículas lanzadas se desviaba un
pequeño angulo, lo que cumplía las previsiones.
Sin embargo, también se observó que varias partículas eran repelidas unos angulos enormes
llegando algunas incluso a “dar marcha atras” y salir en dirección contraria a donde se estaban


lanzando.
Esto, para la idea que se tenía acerca del atomo, era tan impresionante e imprevisible que, en
palabras del propio Rutherford, era igual a “si se disparaba una bala contra una hoja de papel y
ésta rebotase”.

Observación esperada.

Observación Obtenida.

Nuevo Modelo.
Tiempo después, Rutherfordpudo explicar los resultados del experimento de la dispersión de
partículas alfa utilizando un nuevo modelo de atomo. De acuerdo con Rutherford, la mayor parte
de los atomos debe ser espacio vacío. Esto explica por qué la mayoría de las partículas a
atravesaron la lamina de oro sufriendo poca o ninguna desviación. Rutherford propuso que las
cargas positivas de los atomos estaban concentradas en un denso conglomerado central dentro
del atomo, que llamó núcleo. Cuando una partícula alfa pasaba cerca del núcleo en el
experimento, actuaba sobre ella una gran fuerza de repulsión, lo que originaba una gran
desviación. Mas aún, cuando una partícula a incidía directamente sobre el núcleo, experimentaba
una repulsión tan grande que su trayectoria se invertía por completo
El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson,
de que los atomos poseen electrones, pero se diferenció en que todo atomo
estaba formado por un núcleo y una corteza. El núcleo debía tener carga
positiva, un radio muy pequeño y en él se concentraba casi toda la masa del
atomo. La corteza estaría formada por una nube de electrones que orbitan
alrededor del núcleo.


Según Rutherford, las órbitas de los electrones no estaban muy bien definidas y formaban una
estructura compleja alrededor del núcleo, dandole un tamaño y forma indefinida. También calculó
que el radio del atomo, según los resultados del experimento, era diez mil veces mayor que elnúcleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vacío en el atomo.
También concluyo que La trayectoria resultante de las partículas dispersas es una hipérbola. A
partir de la distribución espacial de las partículas dispersas se puede concluir de qué forma esta
estructurado el centro de dispersión.
Con la denominada fórmula de dispersión de Rutherford se calcula la sección eficaz diferencial, la
cual da la porción de partículas que llegan a .

En donde se describe la probabilidad de que las partículas dispersas incidan en un angulo espacial
después de ser desviadas en un angulo .

En la fórmula se utiliza las siguientes constantes:
Permitividad del vacío
Carga de la partícula dispersa
Carga del núcleo del atomo
Carga eléctrica elemental
Energía inicial de la partícula dispersa


EXPERIMENTO


Montaje experimental y los resultados:

Rutherford y sus colaboradores estudian mediante un aparato, construido por Geiger, el
comportamiento de las partículas alfa después de pasar una hoja metalica delgada. Los empleados
de las partículas α fueron, de hecho, doble carga positiva los atomos de helio o de núcleos cortos
He (He2 +).

Fig. 1: Foto y sección transversal del aparato original de Rutherford,Geiger y Marsden: colimador (1), fuente
partícula-α (2), de hoja de metal (3), pantalla de centelleo (4), microscopio (5), el montaje (6), camara de
vacío (7), orificio (8) y tubo (9).

La fuente emitira partículas alfa y el colimadorseleccionara un estrecho y casi paralelo haz de
partículas alfa. Este haz de partículas golpea perpendicularmente la lamina de metal y sera
dispersado por los núcleos de Au (oro). Después las partículas α dispersadas llegan a la pantalla de
centelleo produciendo destellos de luz en ese región. Estos destellos de luz, causadas por las αpartículas absorbidas, pueden ser observados por un microscopio y su número puede ser contados
en un intervalo de tiempo determinado.
La parte superior del aparato es giratorio en un cono de ajuste, mientras que la fuente de partícula
α y la lamina de metal son fijos, es decir, el microscopio puede girar alrededor de un eje a través
del punto donde las partículas α golpean la lamina metalica. Sólo las partículas alfas dispersadas se
registrara en el microscopio en un angulo de dispersión seleccionado, entre microscopio y
direcciones entrantes (fuente hacia la lamina de metal). Este angulo de dispersión se puede leer en
una escala. Para evitar que las partículas α pierdan parte de su energía cinética en el aire, toda la
camara puede ser bombeada a través de una abertura y un tubo. Por lo tanto, este aparato
permitira conocer el número de partículas α dispersas como una función del angulo de dispersión,
de la energía cinética de las partículas alfa, y del tipo y espesor de la lamina metalica.


Figura 1.

Una vez ingresados los datos, se debe dar click en la opción “Start Experiment” y posterior aeso, se
encontrara en ese mismo area el tiempo restante para hacer el experimento seguido de los parametros
ajustables como lo muestra la figura 2. Los parametros ajustables seran
1-Objeto de desviación: hoja delgada de oro, de aluminio ó Diagrama de filtración.
2- Angulo del objeto: (-50° - +50°
3- intervalo: (0 -300 sg)
o

La figura dos muestra que para un angulo de 0 con intervalo de 10 segundos el número de partículas alfa
o
o
o
o
desviadas es aproximadamente de 69. El experimento se repitió con angulos de -5 , 10 y 45 apreciable
en las figuras 3, 4,5 y 6 respectivamente.


Figura 3

Figura 4


Figura 5


Las siguientes observaciones son posibles con este sistema
El número de registrados partículas alfa en un intervalo de tiempo fijo tiene un maximo en angulo de
dispersión = 0 ° y los números se reducen rapidamente con angulo de dispersión creciente.
Casi todas las partículas α las estan pasando la lamina de metal sin cambiar su dirección de avance,
es decir 90% de todas las partículas dispersas se encuentran entre 0 ° y ± 10 °.
En los angulos de dispersión mas grandes y los intervalos de tiempo suficientemente largos de
medición de algunas partículas α son registradas detras de la lamina de metal, y sólo muy pocas se
dispersan en dirección contraria.
El mismo número de partículas alfa se registrara en medio de grandes angulos de dispersión con
respecto a la dirección incidente, es decir, la distribucióndel número N () es simétrica.
Estos resultados cualitativos son independientes de la energía cinética de partículas alfa, de tipo y
espesor de lamina metalica.


Estos resultados llevaron a Rutherford a plantear su modelo atómico por las siguientes
observaciones:
-

La carga positiva y casi toda la masa del atomo todo se concentran en un núcleo.

-

El diametro del núcleo es un pocos 10-15 m, y, por tanto, un factor de aproximadamente
105 mas pequeño que el atomo mismo.

-

Todos los electrones se distribuyen en la capa atómica.

-

Dado que la carga positiva, que se repeliendo a los cargados positivamente alfa-partículas
es en este modelo mucho mas localizada (radio atómico del Au r ≈ 144 h, el radio de Au
núcleo r ≈ 7,56 fm) este hecho aumentara la fuerza de Coulomb por un factor de 3,6 · 108.
Esto explica los grandes angulos de dispersión y la pequeña probabilidad de tal proceso de
dispersión.
Volver dispersión de partículas alfa sólo puede explicarse por la acción de un núcleo
cargado positivamente.

-

-

La pequeña disminución de la energía cinética de las partículas α dispersas puede ser
explicado por los procesos de dispersión inelastica a través de ionización.


-

El efecto de los electrones de los atomos de oro sobre el movimiento de partículas alfa se
puede despreciar (pérdida maxima de la velocidad de partículas alfa por colisión de
electrones ≈ 10-4 · v, influencia en angulo de dispersión





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