O MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD: HISTÓRIA, EXPERIMENTOS, POSTULADOS - FISICA - 2025

O modelo atômico de Rutherford é a descrição do átomo criado pelo físico britânico Ernest Rutherford (1871-1937) quando descobriu em 1911 o núcleo atômico pelos famosos experimentos de espalhamento que levam seu nome.

A ideia do átomo ("indivisível" em grego) como o menor componente da matéria, foi uma criação intelectual nascida na Grécia Antiga, por volta de 300 aC Como tantos outros conceitos gregos, o conceito de átomo é desenvolvido com base em lógica e argumentação, mas não experimentação.

Modelo atômico de Rutherford

Os filósofos atomistas mais notáveis ​​foram Demócrito de Abdera (460 - 360 AC), Epicuro de Samos (341 - 270 AC) e Tito Lucrécio (98 - 54 AC). Os gregos conceberam quatro tipos diferentes de átomos que correspondiam aos quatro elementos que segundo eles constituíam a matéria: ar, água, terra e fogo.

Mais tarde, Aristóteles acrescentaria um quinto elemento: o éter que formava as estrelas, já que os outros quatro elementos eram puramente terrestres.

As conquistas de Alexandre o Grande, de quem Aristóteles foi mestre, expandiram suas crenças por todo o mundo antigo, da Espanha à Índia e, assim, durante séculos, a ideia do átomo foi criando seu próprio lugar no mundo da ciência.

O átomo não é mais indivisível

As ideias dos filósofos gregos sobre a estrutura da matéria se mantiveram verdadeiras por centenas de anos, até que um químico e professor inglês chamado John Dalton (1776-1844) publicou os resultados de seus experimentos em 1808.

Dalton concordou que os elementos são feitos de partículas extremamente pequenas, chamadas átomos. Mas ele foi além ao afirmar que todos os átomos de um mesmo elemento são iguais, têm o mesmo tamanho, a mesma massa e as mesmas propriedades químicas, o que os faz permanecer inalterados durante uma reação química.

Este é o primeiro modelo atômico com base científica. Como os gregos, Dalton ainda considerava o átomo indivisível, portanto sem estrutura. No entanto, a genialidade de Dalton o levou a observar um dos grandes princípios de conservação da Física:

• Nas reações químicas, os átomos não são criados nem destruídos, eles apenas mudam sua distribuição.

E ele estabeleceu a maneira pela qual os compostos químicos são formados por "átomos compostos" (moléculas):

• Quando dois ou mais átomos de elementos diferentes se combinam para formar o mesmo composto, eles sempre o fazem em proporções de massa definidas e constantes.

O século 19 foi o grande século da eletricidade e do magnetismo. Alguns anos após as publicações de Dalton, os resultados de alguns experimentos lançaram dúvidas sobre os cientistas sobre a indivisibilidade do átomo.

Tubo de crookes

O tubo de Crookes foi um dispositivo projetado pelo químico e meteorologista britânico William Crookes (1832-1919). A experiência que Crookes realizou em 1875, consistia em colocar, dentro de um tubo cheio de gás a baixa pressão, dois eletrodos, um denominado cátodo e outro denominado ânodo.

Ao estabelecer uma diferença de potencial entre os dois eletrodos, o gás brilhava com uma cor que era característica do gás usado. Esse fato sugeria que havia uma certa organização particular dentro do átomo e que, portanto, ele não era indivisível.

Além disso, essa radiação produziu uma fluorescência fraca na parede do tubo de vidro na frente do cátodo, cortando a sombra de uma marca em forma de cruz localizada dentro do tubo.

Era uma radiação misteriosa conhecida como “raios catódicos”, que viajava em linha reta até o ânodo e era altamente energética, capaz de produzir efeitos mecânicos, e que era desviada para uma placa carregada positivamente ou também por meio de ímãs.

A descoberta do elétron

A radiação dentro do tubo de Crookes não poderia ser ondas, pois carregava uma carga negativa. Joseph John Thomson (1856 - 1940) deu a resposta em 1887 quando encontrou a relação entre carga e massa desta radiação, e descobriu que era sempre a mesma: 1,76 x 10 ¹¹ C / Kg., Independentemente do gás encerrado no tubo ou o material usado para fazer o cátodo.

Thomson chamou essas partículas de corpúsculos. Medindo sua massa em relação à carga elétrica, ele concluiu que cada corpúsculo era muito menor que um átomo. Portanto, ele sugeriu que eles deveriam fazer parte destes, descobrindo assim o elétron.

O cientista britânico foi o primeiro a esboçar um modelo gráfico do átomo, ao desenhar uma esfera com pontas inseridas, que, devido ao seu formato, ganhou o apelido de "pudim de ameixa". Mas esta descoberta levantou outras questões:

• Se a matéria é neutra e o elétron tem carga negativa: onde no átomo está a carga positiva que neutraliza os elétrons?
• Se a massa do elétron é menor que a do átomo, então em que consiste o resto do átomo?
• Por que as partículas assim obtidas eram sempre elétrons e nunca de outro tipo?

Experimentos de espalhamento de Rutherford: o núcleo atômico e o próton

Em 1898, Rutherford identificou dois tipos de radiação do urânio, que chamou de alfa e beta.

A radioatividade natural já havia sido descoberta por Marie Curie em 1896. As partículas alfa têm carga positiva e são simplesmente núcleos de hélio, mas naquela época o conceito de núcleo ainda não era conhecido. Rutherford estava prestes a descobrir.

Uma das experiências que Rutherford realizou em 1911 na Universidade de Manchester, com a ajuda de Hans Geiger, consistiu em bombardear uma fina folha de ouro com partículas alfa, cuja carga é positiva. Em volta da folha de ouro, ele colocou uma tela fluorescente que lhes permitiu visualizar os efeitos do bombardeio.

Observações

Estudando os impactos na tela fluorescente, Rutherford e seus assistentes observaram que:

1. Uma porcentagem muito alta de partículas alfa passou pela folha sem desvio perceptível.
2. Alguns desviaram em ângulos bastante íngremes
3. E muito poucos voltaram atrás

Experimentos de espalhamento de Rutherford. Fonte:.

As observações 2 e 3 surpreenderam os pesquisadores e os levaram a supor que o responsável pelo espalhamento dos raios deve ter carga positiva e que, em virtude da observação número 1, esse responsável era muito menor que o das partículas alfa..

O próprio Rutherford disse que foi "… como se você disparasse um projétil naval de 15 polegadas contra uma folha de papel e o projétil ricocheteasse e o atingisse". Isso definitivamente não poderia ser explicado pelo modelo de Thompson.

Analisando seus resultados do ponto de vista clássico, Rutherford descobriu a existência do núcleo atômico, onde se concentrava a carga positiva do átomo, o que lhe conferia sua neutralidade.

Rutherford continuou seus experimentos de espalhamento. Em 1918, o novo alvo para as partículas alfa eram os átomos do gás nitrogênio.

Desse modo, ele detectou núcleos de hidrogênio e soube imediatamente que o único lugar de onde esses núcleos poderiam vir era do próprio nitrogênio. Como era possível que os núcleos de hidrogênio fossem parte do nitrogênio?

Rutherford então sugeriu que o núcleo do hidrogênio, um elemento ao qual já havia sido atribuído o número atômico 1, deve ser uma partícula fundamental. Ele o chamou de próton, uma palavra grega para primeiro. Assim, as descobertas do núcleo atômico e do próton devem-se a este brilhante neozelandês.

Postulados do modelo atômico de Rutherford

O novo modelo era muito diferente do Thompson. Estes eram seus postulados:

• O átomo contém um núcleo carregado positivamente, que apesar de ser muito pequeno, contém quase toda a massa do átomo.
• Os elétrons orbitam o núcleo atômico a grandes distâncias e em órbitas circulares ou elípticas.
• A carga líquida do átomo é zero, já que as cargas dos elétrons compensam a carga positiva presente no núcleo.

Os cálculos de Rutherford apontavam para um núcleo com forma esférica e raio tão pequeno quanto 10 ^-15 m, sendo o valor do raio atômico cerca de 100.000 vezes maior, uma vez que os núcleos estão relativamente distantes: da ordem de 10 ^-10 m.

Jovem Ernest Rutherford. Fonte: Desconhecido, publicado em 1939 em Rutherford: sendo a vida e as letras do Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M

Isso explica por que a maioria das partículas alfa passou pela folha suavemente ou teve muito pouca deflexão.

Visto na escala dos objetos do cotidiano, o átomo de Rutherford seria composto por um núcleo do tamanho de uma bola de beisebol, enquanto o raio atômico seria de cerca de 8 km. Portanto, o átomo pode ser considerado quase tudo como espaço vazio.

Graças à sua semelhança com um sistema solar em miniatura, ficou conhecido como o "modelo planetário do átomo". A força de atração eletrostática entre o núcleo e os elétrons seria análoga à atração gravitacional entre o sol e os planetas.

Limitações

No entanto, houve certas discordâncias sobre alguns fatos observados:

• Se a ideia de que o elétron orbita em torno do núcleo for aceita, acontece que o elétron deve emitir radiação continuamente até que colida com o núcleo, com a conseqüente destruição do átomo em muito menos de um segundo. Isso, felizmente, não é o que realmente acontece.
• Além disso, em certas ocasiões o átomo emite certas frequências de radiação eletromagnética quando há transições entre um estado de energia superior para outro com energia inferior, e apenas essas frequências, não outras. Como explicar o fato de a energia ser quantizada?

Apesar dessas limitações, como hoje existem modelos muito mais sofisticados em linha com os fatos observados, o modelo atômico de Rutherford ainda é útil para o aluno ter uma primeira abordagem bem-sucedida do átomo e de suas partículas constituintes.

Nesse modelo de átomo, não aparece o nêutron, outro constituinte do núcleo, que só foi descoberto em 1932.

Pouco depois de Rutherford propor seu modelo planetário, em 1913 o físico dinamarquês Niels Bohr iria modificá-lo para explicar por que o átomo não foi destruído e ainda estamos aqui para contar essa história.

Artigos de interesse

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Referências

1. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson. 618-621.
2. Zapata, F. 2007. Notas de aula para a cadeira de Radiobiologia e Proteção Radiológica. Escola de Saúde Pública da Universidade Central da Venezuela.