O experimento de Rutherford e seus protótipos

O Experimento Rutherford Permitiu que um grupo de cientistas descobrisse que cada átomo tem um núcleo carregado positivamente.

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

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

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

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

Naquela época, 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 Marsdend, um experimento no qual eles bombardearam partículas alfa, feitas com núcleos de gás hélio, contra uma folha de metal.

Se o modelo de Thomson funcionasse, as partículas teriam que passar pela folha de metal sem qualquer desvio.

Desenvolvimento do experimento de Rutherford

Primeiro protótipo

O primeiro protótipo de design do experimento, realizado em 1908, foi explicado por Geiger em um artigo intituladoSobre a dispersão de partículas por matéria.

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

O processo seguido era passar as partículas alfa através da fenda para que projetasse o feixe de luz na tela fosforescente.

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

Depois, para ver qual trajetória as partículas seguiriam se atingissem alguma coisa ou a atravessassem, como sustentava a teoria de Thomson, uma folha de ouro foi inserida na fenda.

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

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

Segundo protótipo

Geiger e Marsden publicam um artigo em 1909 no qual explicam um experimento para demonstrar o movimento das partículas alfa.

Em um reflexo difuso de partículas alfa É explicado que o experimento visa descobrir que as partículas se movem em ângulos de mais de 90 graus.

Eles criaram um segundo protótipo para o experimento, onde foi criado um recipiente de vidro com formato cônico. Eles montaram uma placa de chumbo, de modo que as partículas alfa colidiram com ela e, para ver sua dispersão, uma placa fluorescente foi colocada atrás dela.

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

Eles testaram colocando uma folha de metal e viram na tela fluorescente que havia mais impactos das partículas.

Foi demonstrado que os metais que tinham uma massa atômica maior refletiam mais partículas, mas Geiger e Masden queriam saber o número exato de partículas. Mas a experiência de ter rádio e materiais radioativos não poderia ser exata.

Terceiro protótipo

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

Desta vez, o tubo era à prova d'água e o mercúrio bombeava o radônio-222 para a tela fluorescente. Com o auxílio do microscópio, os flashes que apareceram na tela fluorescente foram contados.

Os ângulos seguidos pelas partículas foram calculados e as conclusões foram alcançadas de que os ângulos de deflexão aumentam com a maior massa atômica do material, e que também é proporcional à massa atômica da substância.

No entanto, o ângulo de deflexão mais provável diminui com a velocidade e a probabilidade de que ela desvia em mais de 90 graus é insignificante.

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

Através de uma equação matemática, calculou-se como a folha deveria dispersar as partículas, assumindo que o átomo tem a carga elétrica positiva em seu centro. Embora este último tenha sido considerado apenas uma hipótese.

A equação desenvolvida foi assim:

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

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

Protótipo final

Com o modelo das equações de Rutherford, um experimento foi tentado para demonstrar o que estava sendo postulado, e que os átomos tinham um núcleo com uma carga positiva.

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

• csc⁴Φ/2
• Espessura da folha
• magnitude da carga central Qn
• 1 / (mv²)²

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

Para testar o efeito proporcional ao csc⁴Φ / 2, construiu 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 desviaram até 150º, com o que a hipótese de Rutherford foi demonstrada.

Para testar a hipótese da espessura da folha, montou um disco com 6 orifícios cobertos com folhas de espessura variável. Observou-se que o número de flashes foi 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, eles mediram se a dispersão era proporcional ao peso atômico ao quadrado.

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

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, eles mostraram que o número de cintilações era proporcional a 1 / v⁴, como Rutherford havia previsto em seu modelo.

Através dos experimentos, eles provaram que todas as hipóteses de Rutherford foram atendidas de uma maneira que determinou o Modelo Atômico de Rutherford. Neste modelo, finalmente publicado em 1917, postula-se que os átomos têm um núcleo central com uma carga positiva.

Se o núcleo central do átomo é aquele com a carga positiva, o resto do átomo estará vazio com os elétrons que orbitam em torno dele.

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

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

Referências

1. CUÉLLAR FERNÁNDEZ, Luigi; GALLEGO BADILLO, Romulo; PÉREZ MIRANDA, Royman. O modelo atômico de E. Rutherford.Ensino de Ciências2008, vol. 26
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5. AGUILERA, Damarys, et al. Modelos conceituais de estudantes universitários sobre a estrutura atômica com base nos experimentos de Thomson, Rutherford e Bohr / Modelos conceituais de universitários sobre estrutura atômica baseada em experimentos de Thomson, Rutherford e Bohr.Revista de Educação Científica2000, vol. 1, não 2.
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