A EXPERIÊNCIA DE RUTHERFORD COMPLETA 100 ANOS

A EXPERIÊNCIA DE RUT HERFORD COMPLET A 100 ANOS

Celso Luis Levada

Miriam Magalhães Oliveira Levada

RESUMO

Este trabalho apresenta um relato da experiência de Rutherford, que é um dos homenageados deste ano, 2011, considerado o Ano I nternacional da Química. O trabalho também fornece uma introdução a teoria do átomo nuclear de Rutherford, apresentada em 7 de março de 1911, que é um marco na área. A partir de fontes da literatura, fez-se uma breve contextualização da experiência de Rutherford explicitando as motivações do cientista para sua realização e os conceitos que permeavam os pensamentos da época.

Palavras chaves: Rutherford, ano Internacional da Química, teoria do átomo.

ABSTRACT

This paper presents an account of the experience of Rutherford, who is one of the honorees this year, 2011, considered the International Year of Chemistry. The work also provides an introduction to the theory of nuclear atom Rutherford, presented on March 7, 1911, which is a landmark in the area. From literary sources, we gave a brief contextualization of the experience of Rutherford explaining the motivations of the scientist for its realization and the concepts that influenced the thoughts of the time.

Keywords : Rutherford, International Year of Chemistry, theory of the atom.

INTRODUÇÃO

De acordo com BASSALO (2010), houve um tempo em que os filósofos gregos acreditavam que o universo era formado por um único elemento e a partir deste elemento todas as substâncias conhecidas eram produzidas.

Assim, propuseram que a matéria seria formada por quatro elementos: água, ar, fogo e terra, derrubando então a idéia do elemento único formador de todas as coisas. Afirmavam que todos os materiais eram compostos por diferentes combinações desses quatro elementos. Leucipo e Demócrito imaginaram que a matéria sendo dividida muitas vezes, chegaria a uma partícula muito pequena: uma esfera indivisível, impenetrável e invisível.

DALTON, em 1802, propôs a teoria do modelo atômico, onde a minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível e indivisível foi chamada de átomo. Esse modelo atômico proposto por Dalton foi chamado de modelo atômico da bola de bilhar. Dessa forma, todas as transformações químicas podiam ser explicadas pelo rearranjo de átomos, sendo a matéria é constituída por um conjunto desses átomos.

Entretanto, o modelo atômico de Dalton tornou-se superado devido a existência de partículas com carga elétrica, descobertas a partir do efeito termiônico e do efeito fotoelétrico. Desse modo, os elétrons foram considerados como constituintes básicos dos átomos.

Em substituição a proposta de Dalton surgiu, então, o modelo atômico de THOMSON, segundo o qual o átomo era divisível em partículas ainda menores (CASTELLAN, 1973). THOMSON trata o átomo como eletricamente neutro e o representa como uma esfera uniforme, de carga positiva, preenchida por pontos com partículas negativas, os elétrons, conhecido como pudim de ameixas, conforme ilustra a figura 1.

Figura 1 – Ilustração do modelo atômico de THOMSON

Então, a experiência de Rutherford teve como objetivo estudar o espalhamento de partículas α obtido

a partir do modelo de Thompson. Se o modelo atômico de Thompson fosse correto as partículas alfa

praticamente não sofreriam alterações na sua trajetória. As cargas positivas estariam tão espalhadas que a

probabilidade de haver um choque seria muito pequena. Os resultados foram apresentados ao público pela primeira vez, em 7 de março de 1911, na reunião a da Sociedade Filosófica de Manchester.

A EXPERIÊNCIA DE RUTHERFORD

Neste experimento, uma fonte radioativa, proveniente de uma amostra de polônio, emite partículas alfa que são colimadas, formando um feixe paralelo e estreito, que incide sobre uma fina placa de ouro. A lâmina de ouro foi cercada por uma folha circular de sulfeto de zinco que desempenhou o papel de um detector, pois, as moléculas do ZnS tornam-se luminescentes quando atingidas por partículas alfa. A figura 2 representa uma concepção artística da experiência de Rutherford, indicando todos os equipamentos usados, bem como sua disposição espacial, reproduzida do texto de LIMA PORTO et al (2011).

Figura 2 – Ilustração da experiência de Rutherford

Pela teoria de Thompson esperava-se que a dispersão devida a uma colisão atômica fosse pequena e que a a suposta estrutura atômica não admitiria um desvio muito grande de uma partícula alfa incidindo sobre o átomo. Assim sendo, sob o modelo vigente do pudim de ameixa, todas as partículas alfa deveriam ser desviadas por, no máximo, alguns graus. O esperado padrão de medição das partículas dispersas deveria prestar informações sobre a distribuição da carga dentro do átomo.

RESULTADOS DA EXPERIÊNCIA

A maior parte das partículas alfa atravessou a lâmina de ouro, fazendo brilhar uma camada de sulfeto de zinco atrás dela. Algumas partículas foram desviadas ou rebatidas. Concluiu-se, então, que os átomos de ouro apresentam muito espaço vazio.

Rutherford calculou que 99,99% do átomo é vazio, pelo número de partículas que passaram direto.

As que foram rebatidas sugerem que há um ponto no átomo onde concentra praticamente toda a sua massa,

local posteriormente chamado de núcleo. As que foram desviadas sugerem haver uma repulsão por núcleos positivos. A região vazia em torno do núcleo, onde os elétrons estão localizados, foi denominada eletrosfera.

Conforme relata KAPLAN (1962), os dados e as conclusões de Rutherford eram consistentes com um modelo atômico em que a carga positiva do átomo se concentrava em uma pequena região que, além disso, continha praticamente toda a massa do átomo. Os elétrons, por esse modelo nuclear, deveriam girar ao redor dessa pequena região, núcleo, como os planetas ao redor do Sol, conforme indica a figura 3. Eles são regidos pelas leis de Newton, mas, movidos pela ação da força eletrostática e ao invés da gravitacional.

Figura 3 – Concepção artística do modelo de Rutherford

O que fez o modelo de Rutherford prevalecer em relação aos outros modelos propostos por Thomson (1903) e Nagaoka (1904) foi devido ao fato de ser capaz prever matematicamente os resultados e interpretá- los de acordo com os princípios da Física.

Como referência básica sobre o tema, SOUZA et al (2009) apresenta uma sinopse a respeito da

experiência de Rutherford, apontando os principais problemas relacionados com a comparação feita em

relação ao modelo anterior. Apresenta, também, uma breve introdução às idéias que levaram à determinação

da estrutura atômica da matéria. Dessa forma, o leitor poderá dar credibilidade aos resultados de Rutherford,

que se baseiam em princípios físicos conhecidos e aplicam métodos indiretos para determinar

experimentalmente pela primeira vez o tamanho do núcleo atômico. Conforme AMALDI (1997), as

observações feitas durante o experimento levaram a concluir que o raio do átomo é 10000 vezes maior que o

raio do núcleo.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Além do papel desempenhado no contexto do desenvolvimento científico do início do século, o experimento de Rutherford desempenha papel importante no ensino da física moderna. Físico experimental reconhecidamente habilidoso, Rutherford exerceu forte influência no desenvolvimento da ciência na Inglaterra, sendo considerado por muitos como o fundador da física nuclear moderna. Com base na experiência de bombardeamento de lâminas de ouro muito finas com partículas alfa para observar os seus desvios, Rutherford, elaborou um modelo atômico , que obrigou a abandonar as teorias atômicas clássicas e constituiu o primeiro modelo de átomo (FRANCISCO, 2002). Em relação aos modelos anteriores, este explicava melhor a constituição e distribuição das partículas no átomo. No entanto, de acordo com as observações de GUIMARÃES (2008), falha fatal no modelo de Rutherford é que segundo a teoria eletromagnética clássica de Maxwell, uma partícula carregada em movimento acelerado deve emitir radiação eletromagnética e, através dela, perder energia. Por isso, um elétron em órbita ao redor de um núcleo deveria perder gradativamente sua energia e sua órbita não poderia ser estável. O elétron deveria seguir uma órbita em espiral, terminando por colidir com o núcleo. Além disso, durante seu movimento espiralado, que duraria, no máximo, um microssegundo, o módulo da velocidade angular do elétron cresceria continuamente e, com ele, cresceria, também, a freqüência da radiação emitida. Dois anos depois de Rutherford ter criado o seu modelo, o cientista dinamarquês Niels Bohr o completou, criando o que hoje é chamado modelo atômico de Rutherford - Bohr , onde se definiu as órbitas estacionárias, nas quais o elétron orbitaria o núcleo, sem que perdesse energia. Entre duas órbitas, temos as zonas proibidas de energia, pois só é permitido que o elétron esteja em uma das órbitas. A revista Physics World na edição de setembro de 2002 apresenta o resultado de uma enquete realizada entre seus leitores sobre o mais belo experimento da física. Neste trabalho apresentaremos um experimento que permitirá ao professor discutir modelos atômicos que permitem uma introdução de física moderna no Ensino Médio.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

AMALDI, U., Imagens da Física,Editora Scipione, São Paulo 1997.

BASSALO, J.M.F.; Curiosidades da Física, artigo disponív el no site em http://www.bassalo.com.br/cf9_curiosidade165.pdf, acessado em 04/012/2010 CASTELLAN, G.W., Físico química, v olume 2, tradução de Luis Carlos Guimarães, AO LIVRO TÉCNICO S.A. 1973, 929p.

FRANCISCO, R. H. P. O átomo. Rev ista Eletrônica de Ciências, n. 3, janeiro, São Carlos, 2002.

GUIMARÃES, T.M. Experimento de Rutherford, physicsact janeiro 2008, disponível no site physicsact.wordpress.com, acesso em 20/02/2011

HALLIDAY, D.; RESNICK, R; WALKER, J. Fundamentos da Física, v ol. 3 e 4, da 6

ed., Rio de Janeiro, LTC, 2002.

LIMA PORTO, A.V., FIGUEIREDO, D.B. E MAGNAGO, P.R.; Grupo de Ensino de Física da Universidade Federal de Santa Maria, disponível em http://www.ufsm.br/gef/HistoriaGef.htm, acesso em 20/02/2011

MOSQUETTI S.G.; Resumo dos modelos atômicos, disponível em enciclopediavirtual.vilabol. uol.com.br, acesso em 12/11/2010.

SOUZA, J J F. et al. , Experimento para a medida indireta do raio de uma esfera e a compreensão da

construção do modelo atômico de Rutherford, XVIII Simpósio Nacional de Ensino de Física – SNEF 2009 –

Vitória, ES, disponível em http://www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/snef/xviii , acesso em 12/07/2010 VELEZ,L, et al ;

Blindagem Eletrônica do Núcleo Atômico, SCIENTIA PLENA, v .6, n.6 2010, disponív el em www.scientiaplena.org.br ,

acessado em 10/02/2011.