El experimento de Rutherford

En 1909 el átomo tenía una forma aceptada y razonable: la que J. J. Thomson, descubridor del electrón, había propuesto en 1904. Era una esfera de carga positiva difusa, del tamaño del átomo entero, con los electrones repartidos dentro como pasas en un pudin. Explicaba bastante bien lo que se sabía y no había nada que la contradijera. Dos años después estaba muerta, y la mató un resultado que su propio autor, Ernest Rutherford, calificó como lo más increíble que le había pasado en la vida.

Rutherford dirigía en Manchester un laboratorio dedicado a las partículas alfa, los proyectiles que emiten el radio y otros elementos radiactivos y que él mismo había identificado como átomos de helio sin electrones: pesados, rápidos, con carga positiva. Los usaba como sondas: disparándolos contra láminas de metal y mirando cómo se desviaban se podía deducir algo del interior del átomo. La desviación era siempre pequeña, uno o dos grados, lo que cuadraba con el pudin de Thomson: una carga positiva repartida por todo el volumen no puede dar a una partícula tan pesada más que un empujón suave, y muchos empujones suaves en direcciones al azar se cancelan casi del todo.

La medida la hacía Hans Geiger, con un método que exigía paciencia de monje: se sentaba a oscuras durante media hora para adaptar la vista, y después contaba uno a uno los destellos que cada partícula alfa producía al chocar contra una pantalla de sulfuro de cinc, mirando por un microscopio. En 1909 Rutherford sugirió a Geiger que diera algo que hacer a Ernest Marsden, un estudiante de veinte años, y propuso, según contó después, casi por descarte, que mirara si alguna partícula alfa salía rebotada hacia atrás. No esperaba ninguna: era, en sus palabras, como disparar un obús de quince pulgadas contra una hoja de papel de seda. Marsden encontró que sí: una de cada 8.000, aproximadamente, salía de la lámina de oro por el mismo lado por el que había entrado. Y la hoja de papel de seda devolvía el obús.

Rutherford tardó casi dos años en publicar la explicación, que es el artículo de 1911 en el Philosophical Magazine. Para que una partícula alfa dé la vuelta en una sola colisión hace falta que toda la carga positiva del átomo, y casi toda su masa, estén concentradas en un punto diminuto: un núcleo cuyo diámetro es unas diez mil veces menor que el del átomo, rodeado de un espacio prácticamente vacío donde están los electrones. La mayoría de las partículas atraviesan la lámina sin acercarse a ningún núcleo; las poquísimas que pasan muy cerca de uno sufren una repulsión eléctrica enorme y se desvían en un ángulo grande. Rutherford calculó con esa hipótesis cuántas partículas debían aparecer a cada ángulo, y Geiger y Marsden pasaron los dos años siguientes contando destellos en una serie de láminas y ángulos distintos. El artículo de 1913 confirmó la fórmula punto por punto: la proporción de partículas desviadas variaba con el ángulo, con el espesor de la lámina y con el cuadrado de la carga del núcleo exactamente como Rutherford había predicho.

Es útil fijarse en lo que no era este experimento. No era un hallazgo casual: el aparato se construyó para medir algo concreto, y lo raro se buscó a propósito, aunque sin esperanza. Tampoco fue un vuelco instantáneo: el resultado de 1909 se publicó como una curiosidad, y hasta que no hubo una teoría que lo convirtiera en una predicción contrastable, y una segunda serie de medidas que la confirmara, el núcleo no existió para la física. Esa secuencia, anomalía, modelo, predicción, medida, es el método científico con sus plazos reales: cuatro años.

El átomo de Rutherford tenía un defecto que él sabía: según la física de su tiempo, un electrón que gira alrededor del núcleo radia energía y debería caer en espiral en una fracción de segundo. Un visitante danés de Manchester, Niels Bohr, se llevó ese problema a casa en 1912 y lo resolvió al año siguiente a su manera, inventando las órbitas cuantizadas. Y el núcleo que Rutherford había deducido de unos rebotes acabó siendo la clave del orden de la tabla periódica: la carga que Geiger y Marsden medían a través de la dispersión era el número atómico. Marsden, por cierto, se fue a Nueva Zelanda, el país de Rutherford, y vivió hasta 1970: el estudiante al que le dieron algo que hacer vio nacer la bomba atómica.