En 1896, Antoine Henri Becquerel exploraba la posibilidad de que la luz solar determinara que ciertos cristales emitiesen rayos penetrantes de tipo similar a los rayos X descubiertos por Röntgen unos meses antes. Imaginaba que esa propiedad podía estar relacionada con la fosforescencia y, por ello, utilizó, entre otras sustancias, sales de uranio que poseían esta propiedad.
El azar intervendría en su trabajo en una forma que el relata así: (El 26 y 27 de febrero) el Sol apareció solo intermitentemente por lo que suspendí todos los experimentos y los dejé preparados colocando las placas (fotográficas) sin envolver en el cajón de un mueble, con las sales de uranio. El Sol no salió durante los días siguientes, y revelé las placas el 3 de marzo esperando encontrar solamente débiles imágenes. Las siluetas aparecieron, por el contrario, con gran intensidad.
Dos meses más tarde, después de un trabajo programado, concluiría: (...) He llegado por tanto a la conclusión de que el efecto (la emisión de radiación activa) se debe a la presencia del elemento uranio en estas sales.
La radiactividad –bautizada así por los Curie– había sido descubierta; le esperaba una larga carrera.
Una de las consecuencias de este descubrimiento sería la prueba de que el sueño de los alquimistas, la trasmutación de las sustancias, no era, a fin de cuentas, una quimera. En la propia naturaleza unos elementos acababan convirtiéndose en otros finalmente estables, a través de una cadena de emisiones radiactivas, y en los laboratorios, haciendo uso de subpartículas de diverso tipo, podían inducirse reacciones nucleares generadoras de núcleos nuevos y, lo que resultaría más significativo, de ingentes cantidades de energía.
Resulta paradójico que la aceptación general de la naturaleza atómica de la materia sólo se produciría cuando comenzaron a descubrirse los constituyentes de esos átomos – los electrones y el núcleo –; es decir, cuando la misma idea de átomo (como entidad indivisible) iba a ser definitivamente cuestionada.
Marie Curie escribiría en 1900: Los átomos (de los elementos radiactivos), indivisibles desde el punto de vista químico, son de hecho divisibles, y, más adelante añadiría, refiriéndose a la explicación de la radiactividad en términos de la expulsión desde el átomo de partículas subatómicas: esto socava de forma grave los principios de la química. En cualquier caso parecía claro que el átomo químico no era el estadio último de la física de partículas. Einstein, por otra parte, suministraría en su artículo sobre el movimiento browniano publicado en 1905 pruebas complementarias de la atomicidad.
La construcción del átomo con estructura –o expresado de otro modo, el descubrimiento de los constituyentes esenciales del átomo– tendría lugar en Inglaterra, y más en concreto en el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. En 1897 Joseph J. Thomson realiza los experimentos de rayos catódicos que permitieron concluir que existe una partícula –el electrón– que es portadora de carga eléctrica y que, además, es un constituyente básico de todos los átomos.
Thomson midió la razón e/m para esa partícula y lanzó, en 1903, la sugerencia de que los electrones se hallan sumergidos en una matriz cargada positivamente, como las pasas en una tarta. Nace así el primer modelo atómico complejo.
Entre 1896 y 1898 Ernest Rutherford trabaja, en el Cavendish, sobre radiactividad y en el curso de sus experimentos consigue aislar dos emisiones radiactivas de distinta naturaleza: Los experimentos muestran que la radiación que emite el uranio es de naturaleza compleja, y en ella están presentes al menos dos tipos diferentes de radiación –una que es rápidamente absorbida y a la que por conveniencia denominaremos radiación α, y otra, mucho más penetrante, que designaremos radiación β–.
Un tercer tipo de radiación sería descubierta posteriormente por P. Villard en 1900 y bautizada en 1903, por Rutherford, como rayos γ.
En 1906 Rutherford se desplaza a Manchester y en su Universidad pasa a ocuparse de la estructura del átomo, es decir, de la distribución de la materia y la carga dentro del átomo. El equipo humano de Rutherford, que incluía entre otros a Hans Geiger y Ernest Marsden, diseñó una experiencia que se presenta esquemáticamente en la figura:
En esa experiencia se bombardeaba una fina película de oro con partículas α y se estudiaban las desviaciones que estas sufrían después de interaccionar con los átomos de la lámina. La existencia de desviaciones inesperadas con ángulos muy grandes fue calificada en estos términos por el mismo Rutherford: Era como si una bala rebotara al colisionar con una hoja de papel. Este comportamiento no era explicable admitiendo como modelo atómico el diseño de Thomson.
Rutherford sometería a análisis el proceso de colisión de las partículas α con un átomo nucleado de dimensiones muy pequeñas en el que residiría la masa y cargado positivamente. La concordancia entre los resultados teóricos obtenidos con su modelo y los datos experimentales de las desviaciones de las partículas α dotarían de carta de naturaleza al núcleo y certificarían el nacimiento del modelo planetario.
El modelo que Rutherford construyó a partir del análisis teórico de la experiencia anterior –el modelo planetario– generaría, no obstante, una enorme cantidad de interrogantes: ¿por qué los electrones que orbitan alrededor del núcleo y que, por tanto, poseen aceleración no radian como cualquier partícula cargada acelerada?, ¿no es esta estructura de cargas esencialmente inestable? ¿cómo es posible por otra parte que el núcleo, formado por carga positiva, presente estabilidad? ¿qué determina los tamaños y energías de las órbitas de los electrones?
En estas cuestiones encontramos gérmenes de lo que acabará convirtiéndose en la nueva teoría de la materia: la Mecánica Cuántica.
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