Em 1911, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) realizou uma experiência com o objetivo de aprofundar os conhecimentos sobre o modelo atômico até então adotado, que era o de Thomson; no qual o átomo seria uma esfera de carga elétrica positiva, não maciça, incrustada de elétrons (negativos), de modo que sua carga elétrica total seria nula. Show
Para realizar tal experimento ele bombardeou uma finíssima folha-de-ouro (espessura de aproximadamente 10-4 mm), por um feixe de partículas alfa (α), vindo de uma amostra de polônio. Conforme o esquema abaixo, o polônio estava dentro de um bloco de chumbo, com um orifício, por onde apenas seria permitida a saída das emissões de partículas alfa. Além disso, foram colocadas placas de chumbos com orifícios em seus centros, que orientariam o feixe na direção da lâmina de ouro. E, por fim, colocou-se atrás da lâmina um anteparo recoberto com sulfeto de zinco, que é uma substância fluorescente, onde era possível visualizar o caminho percorrido pelas partículas alfa. Ao final deste experimento, Rutherford notou que a maioria das partículas alfa atravessava a lâmina, não desviava, nem retrocedia. Algumas partículas alfa se desviavam, e muito poucas retrocediam. Baseando-se nestes dados, Rutherford concluiu que, ao contrário do que Dalton pensava o átomo não poderia ser maciço. Mas, na verdade, grande parte do átomo seria vazio e ele conteria um núcleo muito pequeno, denso e positivo, conforme a figura abaixo mostra. Comportamento das partículas alfa na lâmina de ouro Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;) Em razão de o átomo ter sua maior parte vazia, a maioria das partículas não sofreu alteração no seu percurso. Além disso, visto que as partículas alfa são positivas – da mesma forma que os núcleos dos átomos que compõem a lâmina de ouro – ao passarem próximas a estes núcleos, elas se desviavam. Estes núcleos seriam muito pequenos, por isso a incidência deste fato era menor. E quando as partículas alfa se chocavam diretamente com os núcleos dos átomos (incidência menor ainda), eles se repeliam e por isso poucas retrocediam. Desse modo, Rutherford criou um modelo atômico que seria semelhante ao sistema planetário: o Sol seria o núcleo, e os planetas seriam os elétrons girando ao redor do núcleo.
No entanto, surge a pergunta: se carga de sinais iguais se repelem, como poderia o átomo permanecer estável se no núcleo só haviam partículas positivas, denominadas prótons? Esta pergunta obteve uma resposta satisfatória quando, em 1932, houve a descoberta da terceira partícula subatômica: o nêutron (partícula sem carga elétrica que ficaria no núcleo, isolando os prótons uns dos outros, evitando que houvesse possíveis repulsões e que o núcleo desmoronasse).
O neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) formulou um novo modelo de átomo essencial para explicar a radioatividade. No limiar do século 20, os cientistas já estavam convencidos da existência dos átomos, mas sabiam muito pouco sobre a sua constituição. Um nome foi crucial para o entendimento dessa questão: o neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937). Ele propôs a existência do núcleo atômico e forneceu ao mundo um novo modelo do átomo, essencial para explicar a radioatividade. Ao lado do francês Henri Becquerel (1852-1908) e da franco-polonesa Marie Curie (1867-1934), ele é reconhecido como um dos ícones do estudo desse fenômeno. Em 1896, Becquerel relatara a observação da emissão de radiação por sais de urânio enquanto realizava um experimento com placas fotográficas – o fenômeno logo foi interpretado como a radioatividade natural. Mas a contribuição relevante de Becquerel limitou-se ao relato do fenômeno, como mostra um exame atento dos trabalhos da época. O entendimento detalhado da questão coube a Marie Curie, sobretudo com a descoberta de novos elementos radioativos, e a Rutherford, que investigou a natureza da radiação emitida pelos materiais radioativos, tendo para isso que penetrar no átomo, qual um arqueólogo em busca de uma civilização perdida. De fato, Rutherford é um verdadeiro Indiana Jones do núcleo atômico. O que ele escavava era o próprio interior do átomo, em busca do entendimento das misteriosas emissões radioativas que vinham sendo observadas em laboratório. Por seu trabalho, ele foi reconhecido com a mais alta condecoração que um cientista pode receber. Há um século, precisamente em 10 de dezembro de 1908, a Real Academia de Ciências da Suécia concedia-lhe o Nobel de Química “por suas investigações sobre a desintegração dos elementos, e a química das substâncias radioativas”. Inauguramos com a coluna de hoje uma série de três artigos que analisarão o legado do neozelandês. O casal Curie
Pierre e Marie Curie em seu laboratório no início do século 20. O casal trouxe contribuições substanciais ao entendimento da radioatividade, pelas quais recebeu o Nobel de Física de 1903 (Marie receberia também o prêmio de Química em 1911 após a morte do marido). Em vez do método qualitativo da impressão em chapa fotográfica, utilizado até então, Marie e Pierre passaram a quantificar a radiação pelo efeito de ionização que ela produzia no ar. Foi graças à precisão dessa técnica que novos elementos químicos radioativos foram prontamente descobertos. Marie afirmava, já no primeiro trabalho para a Academia Francesa de Ciências, apresentado em 12 de abril de 1898 (o trabalho fora submetido por Gabriel Lippmann, já que o casal não era filiado à instituição): “Todos os minerais que se mostraram ativos contêm os elementos ativos. Dois minerais de urânio – a pechblenda e a calcolita – são muito mais ativos do que o próprio urânio. Esse fato é muito notável e leva a crer que esses minerais podem conter um elemento muito mais ativo do que o urânio”. Marie tinha razão. Três meses depois, exatamente em 18 de julho, a Academia tomava conhecimento da descoberta do polônio, e um novo termo entrou na literatura científica: radio-actif. Ao apagar das luzes daquele ano, em 26 de dezembro, o casal Curie, em colaboração com Gustave Bémont, anunciou a descoberta de mais um elemento radioativo: o rádio. De Montreal a Manchester Rutherford chegou ao Canadá no dia 20 de setembro de 1898 e já em janeiro do ano seguinte publicou um artigo com 54 páginas, hoje considerado um dos clássicos da literatura científica. Trata-se do trabalho no qual ele descobre que as emissões radioativas contêm, no mínimo, dois tipos de raios, alfa e beta.
O esquema representa um núcleo pesado (como o de urânio) emitindo uma partícula alfa, que equivale ao núcleo de um átomo de hélio (arte: Wikimedia Commons). O neozelandês levou mais de cinco anos de árduo trabalho para descobrir que os raios alfa resultam da dupla ionização do átomo de hélio. Assim, os raios alfa não são raios, mas partículas exatamente iguais aos núcleos de hélio. O primeiro artigo publicado por Rutherford em 1906 foi o último em que ele usou a denominação raios alfa. No trabalho seguinte ele já utilizou partícula alfa. Convencido de que aquela partícula poderia servir como sonda para mergulhar no interior do átomo, Rutherford iniciou um programa de pesquisa que ficou conhecido como espalhamento de partículas alfa. As circunstâncias lhe foram favoráveis. Em 1907, o alemão Arthur Schuster (1851-1934) aposentou-se voluntariamente para deixar sua vaga na Universidade de Manchester para Rutherford. Manchester já era naquela época um dos grandes celeiros científicos da Inglaterra. Ali Rutherford teve auxiliares de peso, como o descobridor do nêutron, James Chadwick (1891-1974), ou um dos futuros pais da mecânica quântica, o dinamarquês Niels Bohr (1885-1962). Entre os dez mais Sob o ponto de vista epistemológico, a história do projeto é magnífica. O início se deu ainda em Montreal, quando Rutherford percebeu que o feixe de raios alfa (ele ainda não sabia que se tratava de partículas) era mais disperso no ar do que no vácuo. Isso levou-o a supor que se tratava da interação dos raios alfa com as partículas do ar. A partir daí, ele começou a bombardear diferentes materiais com partículas alfa. Entre 1908 e 1909, o alemão Hans Geiger (1882-1945) e o britânico Ernest Marsden (1889-1970) realizaram a experiência definitiva, bombardeando uma fina folha de ouro com partículas alfa. Como era de se esperar, a maioria das partículas atravessava a folha apresentando pequenos desvios. Algumas, no entanto, surpreendentemente atingiam a folha e voltavam – era como se uma bala de revólver retornasse ao ser atirada contra uma folha de papel.
O esquema representa, à esquerda, o resultado esperado do experimento de Rutherford caso o modelo atômico de Thomson fosse verdadeiro: as partículas atravessariam o “pudim de ameixas”. O resultado observado, no entanto, foi o representado à direita: algumas partículas foram desviadas e outras ricochetearam. O resultado levou Rutherford a propor um novo modelo atômico, no qual a massa está concentrada no núcleo (arte: Wikimedia Commons). A explicação do espalhamento das partículas alfa baseava-se no modelo atômico de Thomson – o famoso professor do Laboratório Cavendish, o homem que descobrira o elétron em 1897. Chamava-se pudim de ameixa, o modelo. O pudim representava as cargas positivas (ainda não existia o próton, nem o núcleo), enquanto as ameixas representavam os elétrons. De acordo com esse modelo, os pequenos desvios das partículas alfa podiam ser entendidos como resultado da interação eletrostática com a carga positiva do pudim. Desvios maiores eram atribuídos a múltiplos espalhamentos. Porém, esses múltiplos espalhamentos não conseguiam explicar o retorno (ou retroespalhamento) das partículas. O novo átomo e a era nuclear Niels Bohr, que fazia então um estágio de pós-doutorado ao lado de Rutherford, foi o responsável pelo tratamento teórico desse novo átomo. Lançavam-se ali as bases daquela que hoje chamamos de “a velha teoria quântica”. Foi um passo decisivo para a elaboração, por volta de 1925, da teoria quântica como a conhecemos, cujos autores principais são o alemão Werner Heisenberg (1901-1976) e o austríaco Erwin Schrödinger (1887-1961), ambos agraciados com o Nobel de física, em 1932 e 1933, respectivamente. Rutherford seguiu sua trilha, perscrutando o núcleo atômico. Em 1919, produziu a primeira desintegração artificial, bombardeando átomos de nitrogênio com a sua ferramenta predileta – partículas alfa. Nesse experimento, ele descobriu o próton e levantou a hipótese da existência de outra partícula neutra, com massa semelhante à do próton: o nêutron, descoberto 13 anos mais tarde por seu colaborador Chadwick. Do nêutron até a fissão nuclear foi um salto, embora Rutherford, falecido às vésperas da Segunda Guerra, não tenha sobrevivido para assistir aos usos bélicos e pacíficos da energia atômica. Mas essa história é longa e interessante demais para ficar espremida neste fim de coluna: voltamos ao tema no próximo mês. Utilizamos cookies para oferecer a melhor experiência, melhorar o desempenho de nossos sites, analisar como você interage conosco e personalizar conteúdo. Ao utilizar este site, você concorda com o uso de cookies. Para maiores informações, conheça a nossa Política de Privacidade. Qual a importância das descobertas sobre radiação e radioatividade no fim do século XIX para a construção do modelo atómico de Rutherford?A descoberta da radioatividade foi muito importante para o construção do modelo atômico de Rutherford. Rutherford, estudou o fenômeno da radioatividade e descobriu as três radiações que são a partícula alfa, a partícula beta e a onda gama. Outra observação foi em relação a trajetória das partículas.
Como a radioatividade revolucionou os modelos atómicos?Em 1899, pesquisando o urânio descobriu a radiação alfa e a radiação beta. Estabeleceu as bases da teoria da radioatividade. Revolucionou a teoria atômica ao desenvolver o modelo denominado de sistema planetário, e que em linhas gerais vale até hoje.
Qual foi a importante contribuição que o modelo atómico de Rutherford trouxe para a Ciência?IV - Rutherford conceituou que no núcleo atômico se encontram partículas (prótons) que têm uma massa maior que a do elétron, mas se tratando da carga, o núcleo e o elétron possuem cargas iguais, e de sinais opostos.
Qual e a região do átomo constituída de grandes espaços vazios?A eletrosfera é a região periférica do átomo, constituída de grandes espaços vazios e que abriga as partículas de carga negativa, os elétrons.
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