UD 1 Documentación: El experimento de Rutherford y el modelo nuclear del átomo

El experimento de Rutherford, también llamado experimento de la lámina de oro, fue realizado por Hans Geiger y Ernest Marsden en 1909, y publicado en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford en los Laboratorios de Física de la Universidad de Manchester. Los resultados obtenidos y el posterior análisis tuvieron como consecuencia la rectificación del modelo atómico de Thomson (modelo atómico del pudin con pasas) y la propuesta de un modelo nuclear para el átomo.

Accede al VÍDEO explicativo de dicho experimento

El experimento consistió en bombardear con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro y observar cómo las láminas de diferentes metales afectaban a la trayectoria de dichos rayos.

Las partículas alfa se obtenían de la desintegración de una sustancia radiactiva, el polonio. Para obtener un fino haz se colocó el polonio en una caja de plomo, el plomo detiene todas las partículas, menos las que salen por un pequeño orificio practicado en la caja. Perpendicular a la trayectoria del haz se interponía la lámina de metal. Y, para la detección de trayectoria de las partículas, se empleó una pantalla con sulfuro de zinc que produce pequeños destellos cada vez que una partícula alfa choca con él. Según el modelo de Thomson, las partículas alfa atravesarían la lámina metálica sin desviarse demasiado de su trayectoria:

Pero se observó que un pequeño porcentaje de partículas se desviaban hacia la fuente de polonio, aproximadamente una de cada 8.000 partícula al utilizar una finísima lámina de oro con unos 200 átomos de espesor. En palabras de Rutherford ese resultado era "tan sorprendente como si le disparases balas de cañón a una hoja de papel y rebotasen hacia ti".

Rutherford concluyó que el hecho de que la mayoría de las partículas atravesaran la hoja metálica, indica que gran parte del átomo está vacío, que la desviación de las partículas alfa indica que el deflector y las partículas poseen carga positiva, pues la desviación siempre es dispersa. Y el rebote de las partículas alfa indica un encuentro directo con una zona fuertemente positiva del átomo y a la vez muy densa.

El modelo atómico de Rutherford mantenía el planteamiento de Thomson, de que los átomos poseen electrones, pero su explicación sostenía que todo átomo 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 átomo. 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, dándole un tamaño y forma indefinida. También calculó que el radio del átomo, según los resultados del experimento, era diez mil veces mayor que el núcleo mismo, lo que implicaba un gran espacio vacío en el átomo.

UD 1 Tarea 1 El modelo atómico de Thomson

Accede a los siguientes recursos para estudiar el modelo atómico de Thomson

Video de los RAYOS CATÓDICOS

DESCUBRIMIENTO DEL ELECTRON

En el año 1897, el físico inglés Joseph J.Thompson estudió el comportamiento y los efectos de los rayos catódicos. En sus experimentaciones observó que cuando en un tubo de vidrio que tiene dos electrodos metálicos conectados a una fuente de alto voltaje (de 2000 a 10000 V) y donde se ha hecho el vacioo (aproximadamente 0,001 mm Hg), al producirse una descarga se aprecia una luminosidad o fluorescencia verdosa en la pared localizada frente al cátodo, que los investigadores supusieron que era debida a la existencia de unos rayos procedentes del electrodo negativo, que llamaron rayos catódicos.

Según las observaciones de Thomson, los rayos catódicos:

• Son invisibles y se propagan en línea recta.
  

• Se pueden observar por su efecto sobre pantallas fluorescentes.

• Son desviados por campos eléctricos hacia la zona positiva.

• Producen efectos mecánicos, térmicos, químicos y luminosos.

De esta manera, Thomson propuso su modelo del átomo. A este modelo se le llamó del "pudin de ciruelas", en el que las pasas representaban a los electrones "incrustados" en una masa de bizcocho positiva (aún se desconocía de la existencia del protón, pero sí se sabía que debía haber una carga positiva)

La teoría atómica de Dalton y las leyes ponderales

Puedes estudiar la Teoría atómica de Dalton gracias a la animación del IES Aguilar y Cano, de Sevilla.

Acceso a pantalla completa: TEORÍA ATÓMICA DE DALTON

UD 1 El átomo y el Sistema Periódico de los elementos. Tarea 1 Modelos atómicos

TAREA 1.- DE LOS PRIMEROS MODELOS ATÓMICOS AL MODELO CUÁNTICO DEL ÁTOMO

LO QUE DEBES SABER
1.- La Teoría Cinética de la materia: la materia está formada por partículas.

2.- Las partículas a las que hace referencia la TCM son o átomos o moléculas.

3.- Para describir el comportamiento de la materia es necesario explicar la estructura y propiedades de los átomos. ¿Recuerdas los modelos atómicos de Thomson y Rutherford?

4.- Los átomos están formados por tres tipos de partículas: protones, neutrones y electrones.

5.- Los elementos químicos se ordenan en 18 grupos y 7 períodos, que constituyen el Sistema Periódico de los elementos. 

 

CONCEPTOS BÁSICOS QUE DEBES REPASAR:

R1.- Los postulados de la teoría atómica de Dalton.

R2.- Las características de las partículas subatómicas.

R3.- El concepto de isótopo, número atómico y número másico.

R4.- El concepto de ión.

UD 0 Tarea de Recapitulación

1.- La ley de conservación de la energía establece que en un sistema aislado la energía se conserva. Busca información sobre esta ley, y explica por qué se habla de “ley” y no de “teoría”.

2.- Dos personas empujan un objeto con sendas fuerzas del mismo módulo, F= 90 N. Representa la fuerza resultante (la suma vectorial), , y calcula su módulo, si las fuerzas se ejercen a) en la misma dirección y sentido, b) la misma dirección y sentidos opuestos, y c) direcciones perpendiculares.

3.- La aceleración de la gravedad terrestre, como estudiaremos, la podemos expresar en m/s2 y en N/kg (Newton/kilogramo). Si las dimensiones de la F (Newton) son , comprueba que en ambos casos tiene la misma ecuación de dimensiones.

4.- En este curso estudiarás la ecuación general de la hidrostática, p= d·g·h (p, presión, d, densidad, g, aceleración de la gravedad, h, profundidad). Comprueba su homogeneidad dimensional si .

5.- Con una balanza antigua se mide la mas de una pesa que marca 50 g, obteniendo un valor de 53,3 g. ¿Qué error relativo he cometido?

6.- Se realizan tres medidas de la masa de un objeto (εr= 0,1 g): m1= 45.8 g; m2= 45,6 g; m3= 46,1 g. ¿Cuál es el resultado final de la medida?

ANÁLISIS DE DATOS EXPERIMENTALES

Para analizar los datos obtenidos en un experimento, se acude a representaciones gráficas, a partir de las cuales se extraen las leyes físicas.

De la gráfica obtenida se establece la relación entre las variables, que en nuestro caso, son magnitudes físicas.

7.- En una práctica de laboratorio se realizan, para tres voltajes distintos, tres medidas de la intensidad que circula por una lámpara incandescente. A partir de ella, extrae la ley física que relaciona estas magnitudes, y exprésala en lenguaje verbal, matemático y gráfico.

UD 0 Tarea 2.- El conocimiento científico se basa en el estudio de las magnitudes físicas

Actividad de estudio A1.- Con la ayuda del libro y el blog debes estudiar:

a) ¿Qué es magnitud y unidad física?

b) ¿A qué definimos magnitudes escalares y magnitudes vectoriales?
c) Una magnitud vectorial se representa por un vector, para lo que necesitamos conocer punto de aplicación, dirección, sentido y módulo. 

d) Las magnitudes vectoriales no se puede sumar como una magnitud escalar.
e) Recuerda qué son magnitudes fundamentales y derivadas, para lo que introducimos el Sistema Internacional de Unidades.
f) Repasa los múltiplos y submúltiplos.
g) ¿Qué son las “dimensiones” de una magnitud? Trata de explicar por qué la ecuación de dimensiones de la densidad . ¿Para qué sirven las ecuaciones de dimensiones?
h) Al realizar medidas cometemos errores. Estudia lo que son errores sistemáticos y aleatorios.
i) Al realizar una medida, podemos conocer su error absoluto y su error relativo.
j) Al realizar una medida, siempre hay un error que lo da el propio instrumento de medida. Es el error absoluto debido a la sensibilidad del instrumento.
k) Estudia cómo podemos minimizar los errores de medida.
l) Estudia cómo hay que expresar correctamente una medida utilizando las cifras significativas.

Actividades prácticas:
A2.- Decide cuáles son magnitudes escalares y cuáles vectoriales: masa, tiempo, longitud, fuerza, velocidad, aceleración, presión, energía, trabajo y calor.

A3.- Dibuja el vector velocidad de un punto material que se desplaza hacia el norte a 30 m/s. Describe los elementos del vector.

A4.- En un examen tienes que calcular la energía potencial de un objeto y no recuerdas si la expresión correcta es Ep= m·g·h, o Ep= m·g·h2. Dedúcelo mediante análisis dimensional.

A5.- Deduce la dimensión de las magnitudes derivadas, superficie, volumen, velocidad, aceleración
 

A6.- Con una cinta métrica se mide la longitud de una cuerda, obteniendo 79,98 cm. Si la cuerda mide 80 cm, determina los errores absoluto y relativo de la medida.

A7.- a) Indica la sensibilidad de los siguientes instrumentos de medida: l= 71 cm; m= 24,5 g; t= 2,35 s; l= 35,7 cm; m= 1235 g; t= 23,7 s. b) Expresa las medidas anteriores, indicando el error absoluto.

A8.- Con un cronómetro que aprecia hasta la centésima de segundo (cs) se realizan cuatro medidas del tiempo que tarda un objeto en caer al suelo de una determinada altura, obteniendo los siguientes valores: t1= 3,47 s; t2= 3,89 s; t3= 3,53 s; t4= 3,65 s. Expresa estas medidas y el error de la medida final, indicando los errores.

A9.- Redondea a la centésima; a) 3,124; b) 15,357; c) 9,5850; d) 0,2350

A10.- Indica qué medidas están mal expresadas, y exprésalas correctamente: a) t= 1,236 g; b) m= 15,4 g; c) l= 3,98 cm

A11.- Con una balanza digital de sensibilidad 1 cg se realizan las siguientes medidas de la masa de un objeto: m1= 12,00 g; m2= 11,89 g; m3= 11,94 g; m4= 12,07 g. Expresa el resultado de la medida.

Análisis dimensional

El análisis dimensional tiene gran importancia en Física, ya que mediante las ecuaciones de dimensiones, se relacionan las magnitudes derivadas con las fundamentales. Además, el análisis dimensional permite comprobar la homogeneidad de una ecuación física.

UD 0 Magnitudes y unidades: Recursos

A la hora de expresar el resultado de una medida, ya sea directa o indirectamente, debes dominar:

• La utilización de múltiplos y submúltiplos
• El uso de la notación científica.
• La utilización correcta de las cifras signitficativas. Uso y redondeo de cifras significativas.
• Realizar cambio de unidades mediante factores de conversión.
• Las magnitudes escalares y vectoriales.
•  Operaciones con vectores

Accede a los enlaces para estudiar:

• MÚLTIPLOS Y SUBMÚLTIPLOS 

• NOTACIÓN CIENTÍFICA 

• CIFRAS SIGNIFICATIVAS 

• FACTORES DE CONVERSIÓN

• MAGNITUDES ESCALARES Y VECTORIALES 

• OPERACIONES CON VECTORES

•  ERRORES DE MEDIDA: ERROR ABSOLUTO Y ERROR RELATIVO
  

Puedes acceder, en pantalla completa, a la animación ERRORES EN LA MEDIDA

• Puedes acceder a una documentación más amplia sobre ERRORES DE MEDIDA

Simulación: Variables que influyen en el período de oscilación de un péndulo

En la siguiente animación podrás recrear la investigación de la variables que influyen en el período de un péndulo: masa, ángulo de lanzamiento y longitud.

Texto científico: Lavoisier y la teoría del flogisto

El descubrimiento del fuego marco un hito en el desarrollo de la humanidad. Al observar la combustión de diversas sustancias, los antiguos griegos supusieron que todo lo que era capaz de arder contenía dentro de si al elemento fuego y este se liberaba bajo las condiciones apropiadas. Por su parte, los alquimistas atribuyeron la combustibilidad ( la propiedad de arder) de una sustancia al “principio del azufre”. Así pues, las sustancias que contenían tal principio ardían, mientras que las que carecían de el no podían hacerlo.

El químico alemán Georg Ernst Sthal (1660-1734) dio a conocer en 1702 la teoría del flogisto para explicar el fenómeno de la combustión. El flogisto, sustancia misteriosa, invisible e imponderable, estaba contenida en las sustancias combustibles. Cuanto mas flogisto contenía una sustancia, era capaz de arder con mayor facilidad. Al término de la combustión, habiéndose desprendido el flogisto, la sustancia ya no podía arder puesto que se había “desflogisticado”.

Para la mayoría de los científicos de la época, la teoría del flogisto era totalmente acertada puesto que explicaba los cambios que se observan al desarrollarse la combustión, principalmente en lo que se refería a la disminución de la masa original, ya que era menor al que poseía la masa original, ya que era menor al que poseía la muestra original.

¿Cómo se demostró la falsedad de esta teoría?

La respuesta se encuentra en la aplicación incipiente del método científico por uno de los químicos mas importantes de la historia, Antoine Laurent de Lavoisier(1743-1794).

Por aquella época Lavoisier trabajaba trabajaba buscando una mejora de las técnicas del alumbrado publico en Paris. En sus experimentos calentaba algunas muestras de metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados herméticamente, y con una pequeña cantidad de aire; al final se formaba en la superficie una fina capa de metal “calcinado”.

Midió cuidadosamente la masa antes y después del experimento y pudo determinar que no hubo variación alguna considerando el sistema completo (metal, calcinado y aire). Sin embargo, cuando pesó las muestras de metal calcinado notó que su masa se había incrementado. Repitió la experiencia en numerosas ocasiones y obtuvo el mismo resultado. Así concluyó que al contrario de lo que afirmaba la teoría de Sthal, no se había desprendido flogisto de la muestra al arder, sino que había ganado algo de aire. La sustancia en cuestión era el oxígeno.

A raíz de sus observaciones, demostró la falsedad de la teoría del flogisto y enunció la ley de la conservación de la masa, por la cual es conocido ampliamente.

Responde al cuestionario:

1. Para los griegos, ¿qué era el fuego? 
2. ¿Cómo explicaban los alquimistas el fuego?
3. ¿Quién creó la teoría del flogisto? ¿Qué explicaba?
4. Lavosier demostró la falsedad de la teoría del flogisto.
• ¿Por qué crees que aplicó el método científico?
• ¿Cómo demostró la falsedad de la teoría?
• ¿Qué ley científica enunció Laavosiier? 

Ampliación: El péndulo de Foucault

El péndulo de Foucault, ideado por el físico francés Jean Bernard-Leon Foucault en 1851, constituye un elegante experimento que demuestra la rotación de la Tierra. Foucault suspendió en el Panteón de París un cuerpo de 28 kg de peso y 67 m de longitud.

Observa estos videos sobre dicho experimento. En el segundo video, unos alumnos diseñaron un experimento que explica cómo dos observadores distintos ven de diferente manera el movimiento del péndulo.

Además, podrás entender cómo construir uno casero, accediendo al siguiente enlace:

CONSTRUYE UN PÉNDULO DE FOUCAULT CASERO 

UD 0 Vídeo: El Método científico y el Péndulo simple

Vídeo educativo realizado por los alumnos de 4º de ESO del IES "Antonio Mª Calero" de Pozoblanco (Córdoba) en el curso 2004-2005 y reeditado en Agosto de 2008. Se muestran las etapas de una investigación científica a nivel se secundaria elaborando las "Leyes que permiten obtener el periodo de un péndulo simple"

La grabación que se muestra, en el siguiente enlace, recoge de forma sintética el proceso seguido para investigar de qué factores depende el periodo de oscilación de un péndulo simple (T) y cuál es la relación matemática que los liga. En esta primera unidad del curso (4º de E.S.O.) y con ella se trata de ilustrar la forma de trabajar de los científicos.

ACCEDE AQUÍ AL ENLACE: INVESTIGACIÓN DEL PERÍODO DE UN PÉNDULO