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quinta-feira, 7 de agosto de 2014

O ÁTOMO DE ERNEST RUTHERFORD (ENEM)

Thomson propôs seu modelo da estrutura de um átomo, segundo o qual os elétrons, carregados negativamente, estavam localizados no interior de uma distribuição uniforme de cargas positivas. Num átomo que estivesse no estado de energia mais baixa possível, os elétrons estariam fixos em suas posições de equilíbrio. Em átomos excitados, eles vibrariam em torno de suas posições de equilíbrio. Como a teoria eletromagnética prevê que um corpo carregado acelerado, tal como um elétron vibrando, emite radiação eletromagnética, foi possível entender qualitativamente a emissão de tal radiação por átomos excitados com base no modelo de Thomson. Entretanto, o cálculo do espectro da radiação que seria emitida mostrou que o modelo não parecia ser capaz de conduzir a um acordo quantitativo com o espectro observado experimentalmente.
       Uma prova realmente conclusiva da inadequação do modelo de Thomson foi obtida em 1911 por Rutherford, a partir da análise de experiências envolvendo o espalhamento de partículas alfa por átomos.

       Em 1895, após Röntgen ter feito sua espantosa descoberta, todos procuravam avidamente trabalhar com os raios X. Rutherford, junto com Thomson, começou a medir a ionização produzida pelos raios X e, em 1897, após a descoberta da radioatividade, imediatamente aplicou sua experiência na medida da ionização produzida pelo urânio.
O cientista Ernest Rutherford, nascido na Nova Zelândia, propôs um modelo atômico baseando-se em experimentos com radioatividade. Através de seus estudos concluiu que elementos são radioativos e emitem radiação de alta energia em forma de partículas alfa, partículas beta e raios gama. 
       Em longo trabalho realizado no Laboratório Cavendish, em 1898, Rutherford percebeu que havia dois tipos de radiações emitidas do urânio: chamou-os de alfa e beta. Essas radiações distinguem-se por sua capacidade de absorção na matéria. Ao mesmo tempo, os Curie, Becquerel e Rutherford estavam estudando as propriedades das radiações emitidas por substâncias radioativas. E em alguns anos, tinham chegado à conclusão de que os raios beta eram iguais aos raios catódicos, isto é, elétrons. Além disso, P. V. Villard, na França, descobriu uma radiação mais penetrante, chamada gama. Mas os raios alfa continuavam um mistério. Do ponto de vista fenomenológico, caracterizavam-se por sua capacidade de absorção e pelo pequeno desvio em um campo magnético.


       Rutherford e seus colaboradores realizaram muitas experiências no decorrer de um programa cujo objetivo era determinar as propriedades das partículas alfa e sua interação com a matéria. Nas experiências relativas ao espalhamento de partículas alfa, faziam-nas passar através de folhas finas de várias substâncias.
  A Fig.1 mostra o aparelho utilizado por Rutherford para provar que as partículas alfa seriam simplesmente átomos de hélio duplamente ionizados. Um tubo de vidro de paredes muito finas contendo uma substância radioativa era colocado no interior de um compartimento de vidro, inicialmente evacuado. Algumas das partículas alfa emitidas pela substância radioativa eram capazes de penetrar no tubo de vidro de paredes finas e entrar no compartimento de fora. Depois de algum tempo, um teste sensível do conteúdo do compartimento externo mostrou que o mesmo continha uma quantidade detectável do gás hélio comum. Essa descoberta confirmou o argumento de que partículas alfa são átomos de hélio duplamente ionizados, que podem capturar dois elétrons e se tornar átomos neutros de hélio durante ou após a passagem através de um tubo de vidro de paredes finas.



     A fonte radioativa emite partículas alfa, que são colimadas pelos dois diafragmas, formando um feixe estreito paralelo. Este feixe incide sobre uma folha de alguma substância, geralmente um metal. A folha é tão fina que as partículas alfa podem atravessá-la completamente, sofrendo apenas uma diminuição de velocidade. Contudo, no processo de atravessar a folha, cada partícula sofre várias pequenas deflexões, mas algumas delas sofrem grandes deflexões. As partículas são detectadas com a ajuda de um detector de partículas alfa consistindo de uma camada do composto cristalino ZnS e de um microscópio. ZnS tem a propriedade útil de produzir uma pequena cintilação quando atingido por uma partícula alfa. Se observada por um microscópio, a cintilação devida à incidência de uma única partícula alfa pode ser distinguida.

Experiência de espalhamento de partículas alfa. A região atravessada pelas partículas alfa é evacuada.
       A natureza das partículas alfa foi estabelecida numa série de medidas realizadas por Geyger e Marsden, colaboradores de Rutherford. Após muitos experimentos, alguns inclusive com resultados errôneos, Rutherford chegou à conclusão de que a carga específica para os raios alfa era semelhante à do hélio ionizado. Descobriu também que, quando se aquecem substâncias radioativas, elas emitem hélio e que o mesmo ocorre com minerais radioativos.
       Todo esse trabalho levou tempo, mas, entre 1903 e 1904, Rutherford se convenceu de que as partículas alfa eram íons de hélio. 
       A existência de uma pequena, porém não nula, probabilidade de espalhamento em ângulos grandes era totalmente inexplicável em termos do modelo de Thomson para o átomo, modelo este que podia dar lugar somente ao processo de espalhamento múltiplo em pequenos ângulos. O argumento crucial a favor do modelo de Rutherford não era o fato de ocorrerem deflexões em grandes ângulos, mas sim o fato de que apenas 1 em cada 20000 partículas era defletida em grandes ângulos.
       Experiências utilizando folhas de espessuras variadas mostraram que o número de espalhamentos em ângulos grandes era proporcional a N, o número de átomos atravessados pela partícula alfa. Esta é exatamente a dependência em N que existiria se houvesse a pequena probabilidade de que uma partícula alfa pudesse ser espalhada em um ângulo grande ao interagir com um único átomo. Como isto não poderia acontecer no modelo de Thomson do átomo, Rutherford propôs um novo modelo (1911). 


       No modelo de Rutherford da estrutura do átomo, todas as cargas positivas do átomo e, portanto, essencialmente toda a sua massa, são tidas como concentradas em uma pequena região denominada núcleo. Por considerações de simetria, supôs-se que o núcleo estivesse localizado no centro do átomo, mas sua localização exata não desempenhava nenhum papel no trabalho de Rutherford.

       Rutherford efetuou um cálculo detalhado da distribuição angular esperada para o espalhamento de partículas alfa por átomos do tipo proposto em seu modelo. O cálculo limitava-se somente a espalhamento em ângulos maiores do que vários graus. Conseqüentemente, o espalhamento devido aos elétrons atômicos pode ser ignorado, sendo então devido à força repulsiva de Coulomb agindo entre a partícula alfa e o núcleo, ambos carregados positivamente.


       Ademais, o cálculo foi considerado apenas para o caso de espalhamento por átomos pesados, tendo sido, portanto, possível supor que a massa do núcleo fosse tão grande, comparada à massa da partícula alfa, que o núcleo não recuasse (permanecia fixo no espaço) durante o processo de espalhamento. Admitiu-se também que a partícula alfa realmente não penetra no interior do núcleo, de modo que ambos se comportam como cargas puntiformes no que concerne à força coulombiana. 
       À primeira vista, parece que podemos simplesmente admitir que os elétrons circulem em torno do núcleo em órbitas semelhantes às órbitas dos planetas girando em torno do sol. Tal sistema pode ser estável mecanicamente, pois a força centrífuga contrabalança a atração gravitacional no sistema planetário. Mas surge uma dificuldade ao tentarmos transferir essa idéia do sistema planetário para o sistema atômico.
 O problema é que os elétrons carregados seriam constantemente acelerados no seu movimento em torno do núcleo e, de acordo com a teoria clássica do eletromagnetismo, todos os corpos carregados acelerados irradiam energia na forma de radiação eletromagnética. A energia seria emitida à custa da energia mecânica do elétron, seguindo este uma trajetória espiral em direção ao núcleo. Novamente, temos um átomo que rapidamente se contrairia para dimensões nucleares. Além disso, o espectro contínuo da radiação que seria emitida não está de acordo com o espectro discreto que se sabe ser emitido pelos átomos.
Através dessas observações, Rutherford criou seu próprio modelo atômico que acabou substituindo o modelo de Thompson.

Conceito do modelo atômico de Rutherford:
Um átomo é composto por um pequeno núcleo carregado positivamente e rodeado por uma grande eletrosfera, que é uma região envolta do núcleo que contém elétrons. No núcleo está concentrada a carga positiva e a maior parte da massa do átomo.
O átomo proposto por Rutherford é o que mais se aproxima do modelo atômico utilizado atualmente.
Rutherford Experiment 
Famoso experimento da folha de ouro de Ernest Rutherford envolve a dispersão de partículas alfa à medida que passam através de uma folha de ouro fino.
http://www.brasilescola.com/quimica/o-atomo-rutherford.htm
http://www.iq.ufrgs.br/ead/fisicoquimica/modelosatomicos/modelo_rutherford.html

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