O experimento de Rutherford e seus protótipos

O experimento Rutherford permitido um grupo de cientistas descobriu que cada átomo tem um núcleo positivamente carregado.

Ernest Rutherford , era físico e químico da Nova Zelândia. Ele se concentrou no estudo de partículas radioativas e conduziu várias investigações que lhe permitiram ganhar o Prêmio Nobel de Química em 1908.

O experimento de Rutherford e seus protótipos 1

Sob a direção de Rutherford, Hans Geiger e Ernest Marsden, ajudaram a criar o modelo atômico, nos laboratórios da Universidade de Manchester.

Uma das primeiras teorias atômicas existentes é a formulada por Thomson , o descobridor do elétron. Ele acreditava que os átomos eram esferas com uma carga positiva e que elétrons estavam distribuídos nela.

A teoria de Thomson dizia que, se uma partícula alfa colidisse com um átomo, ela passaria através do átomo. Isso seria afetado pelo campo elétrico do átomo de acordo com este modelo.

Nesse momento, prótons e nêutrons não haviam sido descobertos. Thomson não pôde provar sua existência e seu modelo não foi aceito pela comunidade científica.

Para demonstrar a existência da teoria de Thomson, Rutherford, Geiger e Marsdendise conduziram um experimento no qual bombardearam partículas alfa, feitas com núcleos de gás hélio, contra uma folha de metal.

Se o modelo Thomson funcionar, as partículas devem passar através da folha de metal praticamente sem qualquer desvio.

Desenvolvimento de experimentos em Rutherford

Primeiro protótipo

O primeiro protótipo do experimento, realizado em 1908, foi explicado por Geiger em um artigo intitulado On the Dispersion of Particles by Matter .

Eles construíram um tubo de vidro com quase dois metros de comprimento, em uma extremidade havia uma fonte de rádio e na extremidade oposta uma tela fosforescente foi colocada. No meio do tubo, um tipo de funil foi colocado para que as partículas alfa passassem por ele.

O processo que se seguiu foi passar as partículas alfa pela fenda para projetar o feixe de luz na tela fosforescente.

Ao bombear todo o ar no tubo, a imagem obtida era nítida e correspondia à abertura no meio do tubo. Quando a quantidade de ar no tubo foi reduzida, a imagem ficou mais difusa.

Então, para ver que caminho as partículas seguiam se colidissem com alguma coisa ou passassem por ela, como sustentava a teoria de Thomson, uma folha de ouro foi inserida no sulco.

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Isso mostrou que o ar e os materiais sólidos causaram uma dispersão das partículas que foram refletidas na tela fosforescente com imagens mais difusas.

O problema com este primeiro protótipo é que ele apenas mostrou o resultado da dispersão, mas não o caminho que as partículas alfa seguiram.

Segundo protótipo

Geiger e Marsden publicam um artigo em 1909 no qual eles explicaram um experimento para demonstrar o movimento de partículas alfa.

Em uma reflexão difusa das partículas alfa, é explicado que o experimento visa descobrir que as partículas se movem em ângulos superiores a 90 graus.

Eles criaram um segundo protótipo para o experimento, onde um vaso de vidro em forma cônica foi criado. Eles montaram uma placa de chumbo, de modo que as partículas alfa colidissem com ela e, para ver sua dispersão, uma placa fluorescente foi colocada atrás.

O problema com a configuração deste dispositivo é que as partículas evitavam a placa de chumbo, quicando nas moléculas de ar.

Eles testaram a colocação de uma folha de metal e viram na tela fluorescente que havia mais acertos das partículas.

Foi demonstrado que metais com maior massa atômica refletiam mais partículas, mas Geiger e Masden queriam saber o número exato de partículas. Mas o experimento com rádio e materiais radioativos não pôde ser exato.

Terceiro protótipo

O artigo A dispersão de partículas α por matéria de 1910 explica o terceiro experimento que Geiger projetou. Aqui ele já se concentrou em medir o ângulo de dispersão das partículas, dependendo do material em que elas entraram em contato.

Dessa vez, o tubo estava estanque e o mercúrio bombeava o radônio 222 para a tela fluorescente. Com a ajuda do microscópio , os flashes que apareceram na tela fluorescente foram contados.

Os ângulos que se seguiram às partículas foram calculados e chegou-se à conclusão de que os ângulos de deflexão aumentam com a maior massa atômica do material e também é proporcional à massa atômica da substância.

No entanto, o ângulo de deflexão mais provável diminui com a velocidade e a probabilidade de desviar mais de 90º é insignificante.

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Com os resultados obtidos neste protótipo, Rutherford calculou matematicamente o padrão de dispersão.

Através de uma equação matemática, foi calculado como a folha deve dispersar as partículas, assumindo que o átomo tenha a carga elétrica positiva em seu centro. Embora este último tenha sido considerado apenas uma hipótese.

A equação desenvolvida ficou assim:

O experimento de Rutherford e seus protótipos 2

Onde, s = o número de partículas alfa que caem na área da unidade com um ângulo de deflexão Φ

  • r = distância do ponto de incidência dos raios alfa no material de dispersão
  • X = número total de partículas que caem no material de dispersão
  • n = número de átomos em um volume unitário do material
  • t = espessura da folha
  • Qn = carga positiva do núcleo atômico
  • Qα = carga positiva de partículas alfa
  • m = massa de uma partícula alfa
  • v = a velocidade da partícula alfa

Protótipo final

Com o modelo da equação de Rutherford, foi feita uma tentativa de demonstrar o que estava sendo postulado e que os átomos tinham um núcleo com carga positiva.

A equação projetada previu que o número de cintilações por minuto (s) a serem observadas em um determinado ângulo (Φ) deve ser proporcional a:

  • csc 4 Φ / 2
  • espessura da folha t
  • magnitude da carga central Qn
  • 1 / (mv 2 ) 2

Para demonstrar essas quatro hipóteses, são criados quatro experimentos, explicados pelo artigo As leis da deflexão de partículas α por grandes ângulos de 1913.

Para testar o efeito proporcional ao csc 4 Φ / 2, eles construíram um cilindro em cima de uma plataforma giratória, em uma coluna.

A coluna bombeando o ar e o microscópio coberto com uma tela fluorescente permitiram observar as partículas que se desviavam até 150º, com as quais foi demonstrada a hipótese de Rutherford.

Para testar a hipótese da espessura da folha, eles montaram um disco com 6 furos cobertos com folhas de espessura variada. Observou-se que o número de flashes era proporcional à espessura.

Eles reutilizaram o disco do experimento anterior para medir o padrão de dispersão, assumindo que a carga do núcleo era proporcional ao peso atômico, e mediram se a dispersão era proporcional ao peso atômico ao quadrado.

Com os flashes obtidos, divididos pelo equivalente ao ar e depois divididos pela raiz quadrada do peso atômico, eles descobriram que as proporções eram semelhantes

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E, finalmente, com o mesmo disco do experimento, eles estavam colocando mais discos de mica para retardar as partículas e, com um intervalo de erro aceitável, mostraram que o número de cintilações era proporcional a 1 / v 4 , como Rutherford previra. modelo.

Através dos experimentos, eles provaram que todas as hipóteses de Rutherford foram cumpridas para que o Modelo Atômico de Rutherford fosse determinado. Neste modelo, finalmente publicado em 1917, postula-se que os átomos tenham um núcleo central com carga positiva.

Se o núcleo central do átomo é aquele com carga positiva, o restante do átomo ficará vazio com os elétrons orbitando em torno dele.

Com esse modelo, foi mostrado que os átomos têm uma carga neutra e que a carga positiva encontrada no núcleo é compensada pelo mesmo número de elétrons que orbitam em torno dele.

Se removermos elétrons do átomo, eles ficarão com uma carga positiva. Os átomos são estáveis, já que a força centrífuga é igual à força elétrica, mantendo os elétrons no lugar

Referências

  1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulus; PÉREZ MIRANDA, Royman. O modelo atômico de E. Rutherford. Ensino de Ciências , 2008, vol. 26)
  2. BOHR, Niels. The Rutherford Memorial Lecture 1958 Reminiscências do Fundador da Ciência Nuclear e de alguns desenvolvimentos baseados em seu trabalho. Anais da Sociedade Física , 1961.
  3. JUSTI, Rosaria; Gilbert, John. História e filosofia da ciência através de modelos: alguns desafios no caso do “átomo”. International Journal of Science Education , 2000, vol. 22
  4. COHEN-TANNOUDJI, Claude, et al. Interações átomo-fóton: processos e aplicações básicas . Nova York: Wiley, 1992.
  5. AGUILERA, Damarys, et al. Modelos conceituais de estudantes universitários sobre estrutura atômica com base nos experimentos de Thomson, Rutherford e Bohr / Modelos conceituais de estudantes universitários sobre estrutura atômica com base em experimentos de Thomson, Rutherford e Bohr. Journal of Science Education , 2000, vol. 1, não 2.
  6. DE LA LLATA LOYOLA, Maria Dolores. química inorgânica . Editorial Progreso, 2001.
  7. TORRES, Amalia Williart. Experiência histórica: descoberta do núcleo atômico: a experiência de Rutherford. 100cias UNED , 2003, no 6, p. 107-111.

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