História, descrição e conclusões do experimento de Rutherford

Ele Experiência de Rutherford, realizado entre 1908 e 1913, consistia em bombardear uma fina folha de ouro de 0.0004 mm de espessura, com partículas alfa e analisam o padrão de dispersão que essas partículas deixam em uma tela fluorescente.

Na verdade, Rutherford conduziu inúmeras experiências, refinando os detalhes cada vez mais. Depois de analisar cuidadosamente os resultados, foram reveladas duas conclusões muito importantes:

-A carga positiva do átomo está concentrada em uma região chamada essencial.

-Este núcleo atômico é incrivelmente pequeno em comparação com o tamanho do átomo.

figura 1. Experiência de Rutherford. Fonte: Wikimedia Commons. Kurzon [CC BY-SA 3.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/3.0)]

Ernest Rutherford (1871-1937) era um físico nascido na Nova Zelândia, cujo campo de interesse era radioatividade e natureza da matéria. A radioatividade foi um fenômeno recente quando Rutherford iniciou seus experimentos, foi descoberta por Henri Becquerel em 1896.

Em 1907, Rutherford mudou -se para a Universidade de Manchester, na Inglaterra, para estudar a estrutura do átomo, usando essas partículas alfa como sondas para examinar o interior de uma estrutura tão pequena. Os físicos Hans Geiger e Ernest Marsden o acompanharam na tarefa.

Eles abrigavam a esperança de ver como uma partícula alfa, que é um átomo de hélio ionizado duplo, interagiu com um átomo de ouro exclusivo, para garantir que qualquer desvio que ele tenha experimentado fosse devido apenas à força elétrica.

No entanto, a maioria das partículas alfa cruzou a folha de ouro que sofria apenas um pequeno desvio.

Esse fato estava de acordo com o modelo atômico de Thomson, no entanto, para a surpresa dos pesquisadores, uma pequena porcentagem de partículas alfa sofreu um desvio bastante notável.

E uma porcentagem ainda menor de partículas retornadas, saltando completamente para trás. Por que esses resultados inesperados foram?

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Descrição e conclusões do experimento

De fato, as partículas alfa que Rutherford usou como sonda são núcleos de hélio e, naquela época, sabia -se que essas partículas tinham carga positiva. Hoje sabe -se que as partículas alfa são compostas por dois prótons e dois nêutrons.

As partículas Alfa e Beta foram identificadas por Rutherford como dois tipos diferentes de radiação de Uranium. Partículas alfa, muito mais massivas que o elétron, têm carga elétrica positiva, enquanto as partículas beta podem ser elétrons ou positrons.

Figura 2. Esquema detalhado do experimento de Rutherford, Geiger e Marsden. Fonte: r. Cavaleiro. Física para cientistas e engenharia: uma abordagem de estratégia. Pearson.

A Figura 2 mostra um esquema simplificado do experimento. O feixe de partículas alfa vem de uma fonte radioativa. Geiger e Marsden usaram gás de radônio como emissor.

Os blocos de chumbo foram usados ​​para direcionar a radiação para a folha de ouro e impedir que eles parem diretamente para a tela fluorescente. O chumbo é um material que absorve a radiação.

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Em seguida, o feixe direcionado, assim, foi influenciado em uma fina de ouro e a maioria das partículas segue o caminho para a tela fluorescente de sulfato de zinco, onde deixaram uma pequena pegada leve. Geiger estava encarregado de contá -los um por um, embora eles tenham projetado um dispositivo que fez isso.

O fato de algumas partículas terem experimentado uma pequena deflexão não surpreendeu Rutherford, Geiger e Marsden. Afinal, no átomo, existem cargas positivas e negativas que exercem força nas partículas alfa, mas como o átomo é neutro, o que eles já sabiam, os desvios deveriam ser pequenos.

A surpresa do experimento é que algumas partículas positivas foram saltadas quase diretamente.

Conclusões

Cerca de 1 em 8000 partículas alfa sofreram deflexão em ângulos maiores que 90º. Poucos, mas o suficiente para questionar algumas coisas.

O modelo atômico em Boga era o de Thomson's Pudin, ex -professor de Rutherford no Laboratório Cavendish, mas ele se perguntou se a idéia de um átomo sem um núcleo e com os elétrons incorporados como passas, estava correto.

Como acontece que essa grande deflexão das partículas alfa e o fato de que alguns são capazes de retornar, isso só pode ser explicado se um átomo tiver um núcleo pequeno, pesado e positivo. Rutherford assumiu que apenas as forças de atração e repulsão elétrica, como indicado pela lei de Coulomb, eram responsáveis ​​por qualquer desvio.

Quando algumas das partículas alfa estão se aproximando diretamente do núcleo e, como a força elétrica varia com o quadrado reverso da distância, elas sentem uma repulsão que lhes causa a dispersão de grande ângulo ou o desvio para trás.

Para garantir, Geiger e Marsden experimentaram folhas de bombardeio de metais diferentes, não apenas o ouro, embora esse metal fosse o mais apropriado para sua maleabilidade, para criar folhas muito finas.

Ao obter resultados semelhantes, Rutherford convenceu que a carga positiva no átomo deveria estar localizada no núcleo e não dispersada em todo o seu volume, como Thomson postulado em seu modelo.

Por outro lado, como a grande maioria das partículas alfa, aconteceu sem se desviar, o núcleo deve ser muito, muito pequeno em comparação com o tamanho atômico. No entanto, esse núcleo teve que concentrar a maior parte da massa do átomo.

Influências no modelo Atom

Os resultados ficaram muito surpresos com Rutherford, que declarou em uma conferência em Cambridge: “... é como quando você atira em uma bala de canhão de 15 polegadas contra uma folha de papel de seda e o projétil salta diretamente para você e bate em você".

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Como esses resultados não puderam ser explicados pelo modelo atômico de Thomson, Rutherford propôs que o átomo fosse constituído por um núcleo, muito pequeno, muito maciço e carregado positivamente. Os elétrons permaneceram descrevendo órbitas ao seu redor, qual sistema de miniatura solar.

Figura 3. À esquerda, o modelo atômico de Rutherford e à direita o modelo do tipo Buddin de Thomson's. Fonte: Wikimedia Commons. Imagem esquerda: JCYMC90 [CC BY-SA 4.0 (https: // CreativeCommons.Org/licenças/BY-SA/4.0)]

Este é o modelo nuclear do átomo mostrado na Figura 3 à esquerda. Como os elétrons também são muito, muito pequenos, acontece que o átomo é quase tudo .. . vazio! Portanto, a maioria das partículas alfa atravessa a folha sem se desviar apenas.

E a analogia com um sistema solar em miniatura é muito bem -sucedido. O núcleo atômico desempenha o papel do sol, contendo quase toda a massa mais a carga positiva. Os elétrons orbitam ao seu redor como os planetas e carregam a carga negativa. O conjunto é eletricamente neutro.

Sobre a distribuição de elétrons no átomo, o experimento de Rutherford não mostrou nada. Pode -se pensar que as partículas alfa teriam alguma interação com elas, mas a massa de elétrons é muito pequena e não foi capaz de desviar significativamente as partículas.

Desvantagens no modelo Rutherford

Um problema com esse modelo atômico era precisamente o comportamento dos elétrons.

Se isso não fosse estático, mas orbitando o núcleo atômico em órbitas circulares ou elípticas, dirigidas pela atração elétrica, elas acabariam correndo para o núcleo.

Isso ocorre porque os elétrons acelerados estão perdendo energia e, se isso acontecer, seria o colapso do átomo e da matéria.

Felizmente não é isso que acontece. Existe um tipo de estabilidade dinâmica que evita o colapso. O próximo modelo atômico, depois de Rutherford's, foi o de Bohr, que deu algumas respostas para o motivo pelo qual o colapso atômico não ocorre.

O próton e o nêutron

Rutherford continuou a fazer experimentos de dispersão. Entre 1917 e 1918, ele e seu assistente William Kay escolheram bombardear.

Ficou surpreso novamente ao detectar núcleos de hidrogênio. Esta é a equação da reação, a primeira transmutação nuclear artificial nunca alcançada:

Bem, se as partículas alfa são núcleos de hélio, de onde os núcleos de hidrogênio podem vir de?

A resposta foi: do mesmo nitrogênio. Rutherford havia designado para o hidrogênio atômico número 1, por ser o elemento mais simples de todos: um núcleo positivo e um elétron negativo.

Rutherford havia encontrado uma partícula fundamental que ele chamou Proton, um nome derivado da palavra grega para primeiro. Dessa maneira, o próton é um constituinte essencial de todo núcleo atômico.

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Mais tarde, em 1920, Rutherford propôs que deveria haver uma partícula neutra e com uma massa muito semelhante à do próton. Ele chamou essa partícula nêutron e faz parte de quase todos os átomos conhecidos. O físico James Chadwick finalmente o identificou em 1932.

Como é um modelo de escala do átomo de hidrogênio?

O átomo de hidrogênio é, como dissemos, o mais simples de todos. No entanto, não foi fácil elaborar um modelo para este átomo.

Descobertas sucessivas deram origem à física quântica e uma teoria inteira que descreve os fenômenos de nível atômico. Durante esse processo, o modelo atômico também estava evoluindo. Mas vamos ver um pouco a questão dos tamanhos:

O átomo de hidrogênio possui um núcleo composto por um próton (positivo) e possui um único elétron (negativo).

O raio do átomo de hidrogênio foi estimado em 2.1 x 10^-10 m, enquanto o próton é 0.85 x 10 ^-quinze  m ou 0.85 Femtômetros. O nome desta pequena unidade é devido a Enrico Fermi e é muito usado ao trabalhar nessa escala.

Bem, o quociente entre o raio do átomo e o do núcleo é da ordem de 10⁵ M, isto é, o átomo é 100.000 vezes maior que o núcleo!.

No entanto, devemos ter em mente que, no modelo contemporâneo, baseado em mecânica quântica, o elétron envolve o núcleo em uma espécie de nuvem chamada orbital (Um orbital não é uma órbita) e o elétron, em escala atômica, não é pontual.

Se o átomo de hidrogênio for amplamente ampliado - para o tamanho de um campo de futebol, o núcleo composto por um próton positivo seria o tamanho de uma formiga no centro do campo, enquanto o elétron negativo seria como um tipo de fantasma, espalhados por todo o campo e circundando o núcleo positivo.

O modelo atômico hoje

Este modelo atômico "planetário" está muito enraizado e é a imagem que a maioria das pessoas tem do átomo, pois é muito fácil de visualizar. Porém, não é O modelo aceito hoje no campo científico.

Modelos atômicos contemporâneos são baseados em mecânica quântica. Ela ressalta que o elétron no átomo não é um pequeno ponto com carga negativa que segue órbitas precisas, como as imaginadas por Rutherford.

Pelo contrário, o elétron é espalhado Em áreas, em torno do núcleo positivo, chamado orbitais atômicos. Dele, podemos saber probabilidade para se encontrar em um estado ou outro.

Apesar disso, o modelo Rutherford significou um grande avanço no conhecimento da estrutura interna do átomo. E eles invadiram o caminho para mais pesquisadores continuarem aperfeiçoando -o.

Referências

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