CONTEXTO HISTÓRICO
Menos de quinze anos separam o modelo atômico de Rutherford de seu antecessor, o modelo de Thomson. Mesmo em período de tempo tão curto, muitas descobertas permitiram mais um “pequeno” avanço na compreensão humana sobre o átomo. Foram muitas, algumas delas colocaram em xeque o modelo Thomson e outras construíram os pilares para Rutherford estabelecer um novo modelo.
A descoberta da radioatividade foi um desses pilares. Em 1895, Wilhelm Röntgen testava versões modificadas dos tubos de raios catódicos e descobriu os raios X.
Wilhelm Röntgen (1845 a 1923) em 1900.
Em 1896, coube a Henri Becquerel estudar uma possível relação entre os raios X e materiais fosforescentes, materiais que brilham no escuro após exposição à luz. Becquerel suspeitava que os raios-X estariam associados à fosforescência.
Henri Becquerel (1852 a 1908)
Ele enrolou uma placa fotográfica em papel preto e colocou diferentes sais fosforescentes nele, um sal para cada experimento. Todos os resultados foram negativos até ele usar um sal de urânio, o sulfato de potássio e uranila, K₂(UO₂)(SO₄)₂. Esta substância causou o escurecimento da placa, apesar de a placa estar embrulhada em papel preto. Essas radiações receberam o nome "Becquerel Rays".
Pierre Curie (1859 a 1906) e Marie Curie (1867 a 1934) em 1895.
Logo ficou claro que não se tratava de fosforescência, mas de uma nova forma de radiação. Muitos outros elementos químicos com propriedades semelhantes ao urânio foram reconhecidos ou descobertos, sendo chamados de radioativos. Uma busca sistemática pela radioatividade total dos minérios de urânio também levou Pierre e Marie Curie a isolar dois novos elementos: polônio e rádio, descobertos, respectivamente, em julho e dezembro de 1898. Ambos muito mais radioativos que o urânio.
Em 1899, Rutherford identificou dois tipos distintos de radiação e os batizou de “raios alfa” e raios beta. Entre 1900 e 1903, ele trabalhou com Frederick Soddy na identificação de “emanações” de tório, encontrando vestígios de hélio.
Caracterização dos raios alfa e beta em termos de suas cargas elétricas.
Frederick Soddy (1877 a 1956) em 1921.
Em 1903, eles publicaram sua "Lei da Mudança Radioativa", para explicar todas as suas experiências. Até então, os átomos eram considerados a base indestrutível de toda a matéria e, embora Curie sugerisse que a radioatividade era um fenômeno atômico, a ideia de átomos radioativos se romperem era radicalmente nova. Rutherford e Soddy demonstraram que a radioatividade envolvia a desintegração espontânea de átomos em outras matérias ainda não identificadas.
Em 1907, Rutherford teve dois avanços sem os quais seu modelo não sairia do chão. Ao lado de Hans Geiger desenvolveu “telas de cintilação” de sulfeto de zinco. Para brilhar no escuro (cintilar) quando atingidas por raios alfa. Um tipo de partícula emitida por algumas espécies radioativas. Ao lado de Thomas Royds ele identificou que os raios alfa correspondem a um tipo específico de partícula: átomos de hélio desprovidos de seus dois elétrons, ou seja, com duas cargas positivas.
Thomas Royds (1884 a 1955)
Emissão de raios alfa.
A ilustração acima nos apresenta como os contemporâneos de Rutherford imaginavam a emissão de raios alfa por um átomo radioativo qualquer. Eles se assemelham ao modelo de Dalton pela ausência de elétrons.
OS EXPERIMENTOS GEIGER-MARSDEN.
Em 1908, Hans Geiger e Ernest Marsden conduziram o "experimento de folha de ouro" ou experimento Geiger-Marsden. Apesar da expressão no singular, trata-se de uma série de experimentos com folhas de diferentes materiais, para cada um deles, diversas espessuras.
Sabia-se que a natureza imaginada para o átomo, com sua massa homogênea e positiva, permitiria que ela fosse atravessada por raios alfa se tivesse uma espessura suficientemente pequena. Esperava-se, ao fim dos experimentos, que poucos desvios ocorressem, também pela velocidade dos raios alfa, entre 5% e 10% da velocidade da luz.
Descrição do experimento de 1908.
Em uma extremidade do tubo havia uma quantidade de "emanação de rádio" (R) que serviu como fonte de partículas alfa. A extremidade oposta do tubo foi coberta com uma tela fosforescente (Z). No meio do tubo havia uma fenda de 0,9 mm de largura. As partículas alfa de R passaram pela fenda e criaram um pedaço brilhante de luz na tela. Um microscópio (M) foi usado para contar as cintilações na tela e medir sua propagação. Geiger então bombeou o ar e colocou um pouco de folha de ouro sobre a fenda em AA. É importante insistir no quanto a folha de ouro é fina, muito fina, cerca de 0,00004 centímetros. Isto é trezentas vezes mais fina que um fio de cabelo humano mais espesso, com 0,012 centímetros.
O aparelho, no entanto, só podia observar pequenos ângulos de deflexão. Rutherford queria saber se as partículas alfa estavam sendo espalhadas por ângulos ainda maiores — talvez maiores que 90 °.
Descrição do experimento de 1909.
Nessas experiências, partículas alfa emitidas por uma fonte radioativa (A) foram observadas saltando de um refletor de metal (R) e em uma tela fluorescente (S) no outro lado de uma placa de chumbo (P).
Eles apontaram o tubo para a folha para ver se as partículas alfa ricocheteariam e golpeariam a tela do outro lado da placa, e observou um aumento no número de cintilações na tela. Contando as cintilações, eles observaram que metais com maior massa atômica, como o ouro, refletiam mais partículas alfa do que as mais leves, como o alumínio. Calcularam, inclusive, a quantidade de partículas refletidas desta maneira: uma para cada oito mil.
Com mais modificações, eles chegaram a observar desvios de até 150 °. Nas ilustrações atuais, esta riqueza de detalhes se perde.
Ilustração nos livros didáticos atuais.
Os resultados desta série de experimentos deixaram Rutherford espantado. Em suas próprias palavras: “Foi o evento mais incrível que já aconteceu na minha vida. Foi quase tão incrível como se você disparasse um projétil de 15 polegadas em um pedaço de papel de seda e ele voltasse e o atingisse.”
Ernest Marsden (1889 a 1970) à esquerda e Johannes Wilhelm “Hans” Geiger (1882 a 1945) à direita.
Reunindo todos os resultados em uma única imagem, ficou como na figura na página a seguir. E aquela seta retornando é o resultado que causou espanto em Rutherford.
Resultados dos experimentos de Geiger e Marsden.
Um pequeno detalhe, mas uma diferença gigantesca para o modelo atômico anterior.
Comparação entre o esperado (Thomson) e o resultado obtido.
O MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD
Sobre os resultados dos experimentos citados, Rutherford publicou um artigo histórico em 1911 intitulado "O espalhamento de partículas alfa e beta pela matéria e a estrutura do átomo", no qual ele propôs que o átomo contém em seu centro um volume de carga elétrica que é muito pequena e intensa (na verdade, Rutherford a trata como uma carga pontual em seus cálculos).
Primeira página do artigo de Rutherford.
Continuando as palavras do próprio Rutherford: “Pensando bem, percebi que esse espalhamento para trás deve ser o resultado de uma única colisão e, quando fiz os cálculos, vi que era impossível obter algo dessa ordem de grandeza a menos que você tomasse um sistema no qual a maior parte da massa do átomo estava concentrada em um núcleo diminuto. Foi então que tive a ideia de um átomo com um minúsculo centro massivo, carregando uma carga.”
As conclusões de Rutherford foram as seguintes:
¬ Espaços Vazios
Sim, muitos, quase a totalidade. Com o raio do núcleo entre 10 mil e 100 mil vezes menor que o do átomo. Assumindo uma comparação com o planeta terra, o núcleo seria uma esfera com raio entre 640 e 64 metros, aproximadamente. O elétron não seria maior que uma laranja. E todo o resto seria espaço vazio.
¬ Espaços Não Vazios
Para sorte nossa, as partículas alfa têm algo em que acertar e desviar-se. Mesmo que este algo tenha volume ínfimo se comparado ao volume do átomo. De posse da informação crucial de que as partículas alfa são eletricamente positivas, Rutherford concluiu corretamente que a parte do átomo responsável por desvios é também positiva.
Por uma questão de simetria, esta parte positiva, que também deve ser a portadora de quase a totalidade da massa do átomo, deve localizar-se no centro de uma esfera, pois nenhuma evidência de que não é esférico foi apresentada. Sendo assim, tal parte foi denominada núcleo.
O átomo segundo Rutherford.
O PRÓTON
Wilhelm Wien (1864 a 1928)
Em 1886, Eugen Goldstein (autor da expressão raios catódicos) descobriu os raios canais (também conhecidos como raios anódicos) e mostrou que eram partículas carregadas positivamente (íons) produzidas a partir de gases. Wilhelm Wien, em 1898, identificou o íon de hidrogênio como a partícula com a maior razão carga/massa em gases ionizados.
Em 1919, Rutherford descobriu que a partícula alfa se combinava com um núcleo de nitrogênio, transformando-o em um núcleo de oxigênio pesado. Esta foi a primeira reação nuclear relatada:
¹⁴N + α → ¹⁷O + p
Rutherford inicialmente pensou em nosso "p" moderno nesta equação como um íon de hidrogênio, H+. A descoberta de que o núcleo de hidrogênio está presente em outros núcleos como partícula elementar levou Rutherford a dar ao núcleo de hidrogênio H⁺ um nome especial como partícula, pois suspeitava que o hidrogênio, o elemento mais leve, continha apenas uma dessas partículas. Ele chamou esse novo bloco de construção fundamental do núcleo de próton, em homenagem ao singular neutro da palavra grega para "primeiro".
O NÊUTRON
James Chadwick (1891 a 1974)
Em 1932, uma equipe grande e coordenada por Rutherford e James Chadwick desenvolveu métodos mais precisos e eficientes para detectar, contar e registrar os prótons ejetados em reações nucleares envolvendo elementos leves. Chadwick repetiu a criação da radiação usando berílio para absorver as partículas alfa:
⁹Be + α → ¹²C + ¹n
Após o experimento, ele direcionou a radiação resultante para a cera de parafina, um hidrocarboneto com alto teor de hidrogênio, oferecendo assim um alvo denso de prótons. Como em experimentos anteriores, a radiação dispersou energeticamente alguns dos prótons. Chadwick mediu o alcance desses prótons e também mediu como a nova radiação impactava os átomos de vários gases. Ele descobriu que a nova radiação consistia não em algo conhecido, mas em partículas não carregadas com aproximadamente a mesma massa do próton. Essas partículas eram nêutrons.
Agora aquela imagem de átomo A se transformando em átomo B e partícula alfa pode ser substituída pela imagem a seguir. Pois descortinou-se também a composição dela, sendo de dois prótons e dois nêutrons.
QUEM FOI ERNEST RUTHERFORD?
Rutherford contribuiu tanto com a ciência e alguns detalhes foram apresentados neste tópico. Ele recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1908 por suas “investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas".
Suas proposições, experimentações e métodos sobre radioatividade trouxeram inúmeras ferramentas e esse advento da radioatividade auxiliou muito áreas como geologia, arqueologia e paleontologia por meio da possibilidade de estimar a idade de rochas, espécimes ou fósseis. Foi o primeiro cientista a propor que era possível usar a radioatividade para datação de rochas e em 1905 suas contribuições deram origem às técnicas de datação de materiais.
Foi homenageado com prêmios em seu nome, ruas e edifícios. O elemento químico de número atômico 104, Rutherfórdio (Rf), é também em homenagem a ele. Até um selo foi criado em lembrança a ele no centenário de seu nascimento.
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Selo russo de 1971 em homenagem ao centenário de Rutherford.
Ernest Rutherford (1871 a 1937)
CRÍTICAS AO MODELO DE RUTHERFORD
A falha do modelo de Rutherford é mostrada pela teoria do eletromagnetismo, de que toda partícula com carga elétrica submetida a uma aceleração origina a emissão de uma onda eletromagnética.
“Aceleração? Mas ninguém falou em aceleração até agora”, você deve estar se perguntando. É que ela está implícita no formato do modelo. Se os elétrons descrevem órbitas circulares, então estarão sujeitos a forças (e acelerações) os obrigando a “fazer curvas”.
“Então é só escolher algo mais simples”, talvez você pense. O problema é que a circunferência é a mais simples, qualquer outra forma escolhida exigiria mais justificativas ainda.
O elétron em seu movimento orbital está submetido a uma aceleração centrípeta e, portanto, emitirá energia na forma de onda eletromagnética (luz). Essa emissão, pelo Princípio da conservação da energia, faria com que o elétron perdesse energia, aqui dividida em duas categorias, chamadas cinética e potencial, aproximando progressivamente do núcleo, até cair nele, fato que não ocorre na prática.
Quem resolveu este problema? A seguir...
MAPA MENTAL
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