Modelo atômico de Rutherford: história, experimentos, postulados

O modelo atômico de Rutherford é a descrição do átomo criada pelo físico britânico Ernest Rutherford (1871-1937) descobriu em 1911 quando o núcleo atômico pelas famosas experiências de dispersão que levam seu nome.

A idéia do átomo (” indivisível ” em grego) como o menor componente da matéria, era 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.

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Modelo atômico de Rutherford. Fonte: PIxabay

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 eles alegavam constituir matéria: ar, água, terra e fogo.

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

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

O átomo deixa de ser indivisível

As idéias dos filósofos gregos sobre a estrutura da matéria permaneceram verdadeiras por centenas de anos, até que um químico e professor da escola de inglês chamado John Dalton (1776-1844) publicou os resultados de suas experiências em 1808.

Dalton concordou que os elementos são compostos de partículas extremamente pequenas, chamadas átomos. Mas foi mais longe ao afirmar que todos os átomos do mesmo elemento são iguais, têm o mesmo tamanho, a mesma massa e as mesmas propriedades químicas, o que os mantém inalterados durante uma reação química.

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

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

E ele estabeleceu a maneira pela qual os compostos químicos eram 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 XIX foi o grande século da eletricidade e do magnetismo. Alguns anos após as publicações de Dalton, os resultados de algumas experiências levantaram dúvidas entre os cientistas sobre a indivisibilidade do átomo.

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Crookes tube

O tubo de Crookes era um dispositivo projetado pelo químico e meteorologista britânico William Crookes (1832-1919). O experimento que Crookes realizou em 1875 consistiu em colocar, dentro de um tubo cheio de gás de baixa pressão, dois eletrodos, um chamado cátodo e outro chamado ânodo .

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

Além disso, essa radiação produzia uma fraca fluorescência na parede do tubo de vidro em frente ao 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 se desviava para uma placa carregada positivamente ou também por ímãs.

A descoberta do elétron

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

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

O cientista britânico foi o primeiro a esboçar um modelo gráfico do átomo, desenhando uma esfera com alguns pontos inseridos, que por sua forma recebeu o nome de “pudim de ameixa”. Mas essa descoberta trouxe outras questões:

  • Se a matéria é neutra e o elétron tem uma carga negativa: em qual parte do átomo está a carga positiva que neutraliza os elétrons?
  • Se a massa do elétron é menor que a do átomo, então qual é o restante do átomo?
  • Por que as partículas assim obtidas sempre foram elétrons e nunca de outro tipo?

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

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

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

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Uma das experiências que Rutherford conduziu em 1911 na Universidade de Manchester, com a assistência de Hans Geiger, foi bombardear uma fina folha de ouro com partículas alfa , cuja carga é positiva. Ao redor da folha de ouro, ele colocou uma tela fluorescente que lhes permitia visualizar os efeitos do bombardeio.

Observações

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

  1. Uma porcentagem muito alta das partículas alfa atravessou a folha sem desvio perceptível.
  2. Alguns se desviaram em ângulos bastante pronunciados
  3. E muito poucos saltaram completamente para trás

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Experimentos de dispersão de Rutherford. Fonte: [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)].

As observações 2 e 3 surpreenderam os pesquisadores e os levaram a supor que a pessoa responsável pela dispersão dos raios deveria ter uma carga positiva e que, em virtude da observação número 1, essa pessoa responsável era muito menor que a partícula alfa. .

O próprio Rutherford disse que era “… como se você estivesse disparando um projétil naval de 15 polegadas contra uma folha de papel e o projétil se recuperasse e atingisse você”. Definitivamente, isso não poderia ser explicado pelo modelo de Thompson.

Analisando seus resultados do ponto de vista clássico, Rutherford havia descoberto a existência do núcleo atômico, onde estavam concentradas as cargas positivas do átomo que lhe deram sua neutralidade.

Rutherford continuou com seus experimentos de dispersão. Em 1918, o novo alvo das partículas alfa eram os átomos de nitrogênio gasoso.

Dessa maneira, ele detectou núcleos de hidrogênio e soube imediatamente que o único lugar de onde esses núcleos podiam vir era o próprio nitrogênio. Como era possível que os núcleos de hidrogênio fizessem parte do nitrogênio?

Rutherford sugeriu então que o núcleo de hidrogênio, um elemento que já havia sido atribuído ao número atômico 1, fosse uma partícula fundamental. Ele a chamou de próton , palavra grega para designar primeiro . Assim, as descobertas do núcleo atômico e do próton são devidas a essa brilhante Nova Zelândia.

O modelo atômico de Rutherford postula

O novo modelo era muito diferente do de Thompson. Estes foram os seus postulados:

  • O átomo contém um núcleo carregado positivamente, que apesar de 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, uma vez que as cargas dos elétrons compensam a carga positiva presente no núcleo.

Os cálculos de Rutherford apontaram para um núcleo esférico e um raio tão pequeno quanto 10 -15 m, o valor do raio atômico sendo 100.000 vezes maior, uma vez que os núcleos são comparativamente muito distantes um do outro: da ordem de 10 -10 m.

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O jovem Ernest Rutherford. Fonte: Desconhecido, publicado em 1939 em Rutherford: sendo a vida e as cartas do Rt. Hon. Lord Rutherford, O. M [CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]

Isso explica por que a maioria das partículas alfa atravessou a folha sem inconvenientes ou mal sofreu uma deflexão muito pequena.

Visto na escala de 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 um espaço vazio.

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

Limitações

No entanto, houve algumas divergências em relação a alguns fatos observados:

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

Apesar dessas limitações, porque hoje existem modelos muito mais sofisticados e consistentes 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.

Neste modelo do átomo não aparece o nêutron, outro constituinte do núcleo, que não foi descoberto até 1932.

Pouco depois que Rutherford propôs seu modelo planetário, em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr o modificou para explicar por que o átomo não é destruído e ainda estamos aqui para contar essa história.

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Referências

  1. Rex, A. 2011. Fundamentos de Física . Pearson 618-621.
  2. Zapata, F. 2007. Notas de aula para a Cadeira de Radiobiologia e Proteção Radiológica . Faculdade de Saúde Pública da Universidade Central da Venezuela.

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