Uno de los experimentos que más señalamos en 3º de la ESO es el experimento de Ernest Rutherford (1871-1937) que permitió descubrir la estructura interna del átomo. Los profesores solemos pararnos y explicarlo con detenimiento debido a su importancia histórica y para entender los siguientes temas. Pero rara vez hablamos de la belleza cuando nos referimos ha dicho experimento. Además, este experimento nos puede ayudar a dilucidar cómo, en ocasiones, los científicos descubren algo sin la intención de hacerlo, algo bastante común en la ciencia.

Hay muchas referencias y libros sobre la belleza de la ciencia, sobre qué es un experimento bello en ciencia o si realmente la ciencia y el descubrimiento científico están relacionados con la belleza o es algo propio de las artes y las letras. En primer lugar, por tanto, habría que definir qué entendemos por un experimento bello.

Según Robert P. Crease, en su libro “El prisma y el péndulo. Los diez experimentos más bellos de la ciencia”, dice que un experimento bello “nos muestra algo fundamental y lo hace con eficacia y de un modo que nos satisface y nos deja con preguntas, no sobre el experimento sino sobre el mundo.” Por otro lado, la revista Physics World define experimento bello como aquel que para su demostración se exige el menor número de elementos posibles y produzca a su vez resultados sorprendentes. En esta lista estarían experimentos como el de la medición del tamaño de la Tierra de Eratóstenes, el del plano inclinado de Galileo, la descomposición de los rayos de Sol con prismas de Newton, el experimento de Cavendish para pesar el mundo, el experimento de la doble rendija de Young, el péndulo de Foucault (ver: «Rosa polar: una ecuación bella para un experimento bello«), la interferencia cuántica de electrones individuales, el de la gota de aceite de Millikan…y, cómo no, el experimento de Rutherford.

¿Satisface el experimento de Rutherford las condiciones de belleza? Sí. Pero veamos  primero qué quería averiguar Rutherford y cómo lo hizo.

¿Qué quería averiguar Rutherford?

Hasta el momento (en la primera década del siglo XX), la estructura última de la materia era un misterio. El problema era si los únicos instrumentos disponibles están hechos de átomos ¿cómo se puede estudiar la estructura interna de los mismos? Es como intentar averiguar qué hay en el interior de una pelota de goma…con otra pelota de goma.

De este experimento, como he mencionado al principio, también podemos deducir que en muchas ocasiones la intención del científico no era descubrir lo que descubrió y el camino que siguió no fue ni mucho menos recto. Lo que Rutherford quería averiguar era la naturaleza de las partículas alfa. Quería comprobar si, al tener una masa parecida a los átomos de helio, eran en realidad átomos de helio. Antes, había descubierto que ni las partículas alfa ni las betas eran realmente rayos en el sentido en que lo eran, por ejemplo, los rayos X. Eran fragmentos diminutos de materia con carga eléctrica que los átomos de uranio emitían por razones desconocidas. Los beta tenían carga negativa, y pronto se descubrió que eran electrones, pero de los alfa, con carga positiva,  se desconocía su naturaleza.

¿Cómo supo que las partículas alfa eran átomos de helio?

Fue entonces cuando Rutherford le pidió a un soplador de vidrio que le hiciera un tubo con las paredes lo bastante finas como para permitir que la atravesaran los rayos alfa, pero lo bastante fuertes como para no deformarse bajo la presión atmosférica. Llenó ese tubo de radón, un elemento gaseoso que sabía que emitía partículas alfa, y lo insertó en otro tubo de vidrio cerrado herméticamente, dejando entre ambos un espacio del que bombeó el aire para hacer el vacío. Rutherford descubrió que en ese espacio se acumulaba lentamente un gas a una velocidad proporcional a la tasa con que las partículas alfa atravesaban la pared interior. Analizó el gas y descubrió que era helio.

Pero aún quedaban preguntas sin responder. ¿De qué modo se convertían en helio, que normalmente tiene carga neutra, unas partículas alfa de carga positiva? Y ¿qué hacían unas partículas de helio en el interior de unos átomos de uranio? ¿Eran fragmentos desprendidos de un bloque atómico o qué eran?

La dispersión de las partículas alfa.

Tras unas disputas con Becquerel sobre la naturaleza de las partículas alfa, Rutherford, que conocía que las partículas alfa rebotaban en las moléculas de aire, disparó un haz de partículas alfa contra una placa fotográfica en el vacío, produciendo una mancha brillante y bien definida en el lugar del impacto. Luego disparó el mismo haz contra la misma placa, pero esta vez a través del aire. En esta ocasión la mancha creada era dispersa y borrosa. Dos años más tarde, Rutherford fue galardonado con el premio Nobel de Química por sus “investigaciones sobre la desintegración de los elementos y la química de las sustancias radiactivas”.

La dispersión afectaba a los intentos de medir la carga de las partículas alfa por el método de dispararlas una a una contra un detector.

Exasperado, Rutherford pidió que midiera la dispersión a su ayudante, Hans Geiger, el que más tarde inventaría el famoso contador Geiger (detector de radiactividad). Tanto Rutherford como Geiger querían entender y cuantificar una perturbación que introducía ruido en sus mediciones de la carga y masa de las partículas alfa.

Geiger realizó un experiemento cuyas observaciones, entre las que se encontraba la dispersión de las partículas alfa, explicó en una ponencia presentada en la Real Sociedad en junio de 1908.

Para Rutherford y sus colaboradores resultaba difícil imaginar qué era lo que ocurría durante la dispersión. Las pertículas alfa salían disparadas del radio con una gran velocidad, del orden de 16000 Km/s. Era difícil imaginar de qué modo los átomos de una fina hoja de metal podía desviar unas entidades tan energéticas.

Empeñado en comprender la dispersión, Geiger siguió trabajando con la ayuda de Ernest Marsden, un estudiante procedente de Nueva Zelanda. Ambos mejoraron el aparato pero no consiguieron obtener buenas mediciones.

Un buen día de la primavera de 1909, Rutherford, que había seguido el trabajo de Geiger y Marsden, entró en el laboratorio y, según recuerda Marsden, dijo, “A ver si podéis ver algún efecto de partículas alfa reflejadas directamente de una superficie de metal”. Geiger y Marsden dieron con un nuevo diseño experiemental. Movieron la pantalla a un lado y la protegieron con una pantalla de plomo para bloquear todas las pertículas alfa en dirección a la pantalla salvo aquellas que hubieran rebotado en la hoja de metal. Aumentaron la intensidad de la fuente y usaron distintos metales y hojas de distinto grosor. Encontraron que aproximadamente una de cada ocho mil partículas era reflejada con un ángulo más de 90º.

Rutherford comenzaba a darse cuenta de que la dispersión de las partículas alfa podía decirle algo sobre la estructura del propio átomo.

¿Por qué es bello el experimento de Rutherford?

El experimento de Rutherford es bello ya que nos muestra algo fundamental (la estructura atómica) y lo hace con eficacia y con unos elementos relativamente simples (una fuente emisora, una lámina de oro y un detector). Al proporcionar una imagen de la estructura del átomo, el modelo de Rutherford abrió el camino a la resolución de muchos problemas de la física atómica pero a la vez descubrió un mundo totalmente nuevo en la física marcando el nacimiento de la moderna física de partículas, llena de nuevas preguntas sobre la naturaleza y la composición de la materia así como del comportamiento de nuestro mundo. Dicho experimento y las conclusiones del mismo revolucionaron la física y el mundo.