Introdução

Em relação à estrutura atômica da matéria, o cepticismo que havia durado muitas décadas durante o século XIX foi cedendo espaço para várias observações experimentais que colocaram em evidência radiações de natureza e origem desconhecidas. É famosa a expressão de William Thomson a respeito das duas nuvens no horizonte da Física na década de noventa do século XIX. Os físicos em 1890 acreditavam que os fundamentos da Física já estavam praticamente estabelecidos e assumiam que a maioria dos fenômenos já era conhecida. A grande maioria dos físicos era de físicos experimentais e esses investigavam, por exemplo, métodos de medidas elétricas, fenômenos térmicos, espectroscopia e descargas elétricas em gases. Embora, as descargas possam ser encontradas nas primeiras décadas do século com Faraday (1833), foi somente na década de cinqüenta que começou a chamar a atenção. Isso se deveu ao experimento de Julius Plücker em 1858 e mais diretamente aos avanços tecnológicos na produção de vácuo, como já vimos. Quanto ao fenômeno do espectro da luz, este já era conhecido desde a Antigüidade. Sêneca, Kepler e Descartes já o tinham mencionado. Na América, David Alter, em 1855, investigou o espectro de numerosos metais e muitos gases. Na descrição do espectro do hidrogênio e outros gases, ele estabeleceu que cada elemento tem um espectro característico e que “o prisma também pode detectar os elementos em estrelas cadentes”. Heidelberg reuniu, em 1859-1860, Bunsen, o químico, e Kirchhoff, o físico, ambos alemães, envolvidos em uma mesma pesquisa. Em parceria, eles desvendaram o significado dos espectros. Esta parceria representava diferentes treinamentos e objetivos e possibilitou avanços na Química, na Física e na Astronomia. A análise espectral possibilitou o estudo da composição química dos corpos celestes e, em 1868, o hélio foi descoberto no Sol, 27 anos antes de ser encontrado na Terra. Havia, porém, algo a esclarecer: qual o significado dos valores de comprimento de onda ou energias associadas às emissões ou absorções dos elementos? Por que esses fenômenos só ocorriam naqueles valores determinados de energia? Por que cada tipo de espectro estava associado a um determinado tipo de matéria? Entretanto, quatro grandes descobertas no final do século XIX, mais propriamente entre 1895 e 1897, levaram ao entendimento da estrutura atômica. São elas: os raios X, o elétron, o efeito Zeeman e a radioatividade. Essas descobertas contribuíram para a proposta de dois modelos atômicos bastante conhecidos que foram: o modelo de J.J.Thomson, estudado no módulo 3 e o modelo de Rutherford que trataremos a seguir. Foi no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge que as partículas subatômicas saíram do anonimato. O elétron com J J Thomson em 1897, como já foi mencionado, e as partículas alfa e beta com Rutherford em seu trabalho sobre a radioatividade entre 1895/1898 que culminaram na descoberta do núcleo atômico.

Comentário: Em 1869, Johann Hittorf, aluno de Plücker empregou uma bomba de vácuo que usava uma coluna de mercúrio como pistão, dispensando o uso de juntas de vedação que sempre permitiam alguma entrada de ar e dessa forma produziu alto vácuo.

Comentário: Curiosamente, em 1835, Augusto Comte havia afirmado no seu Cours de philosophie positive que jamais seria possível determinar a composição de uma estrela ao se referir a algo, que segundo ele, seria para sempre desconhecido.

A descoberta dos Raios X

Wilhelm Röntgen, retirado de http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.html

Em 1895, Wilhelm Röntgen, seguindo a inclinação da época, realizava experiências com raios catódicos. Ele descobriu que quando raios catódicos colidem com as paredes de vidro do tubo, outros raios (raios X) altamente penetrantes eram emitidos, e que raios X velam chapas fotográficas e provocam fluorescência em vários materiais. Posteriormente, Röntgen conseguiu fixar imagens em chapas fotográficas, particularmente a fotografia dos ossos da mão causou grande impacto. Ele descobriu que os raios apresentavam algumas propriedades em comum com a luz como: se propagavam em linha reta e não eram influenciados por campos magnéticos. Entretanto, ele não conseguiu verificar as propriedades de refração ou reflexão. Röntgen sugeriu que os raios X pudessem ser vibrações longitudinais no éter, uma idéia que, naquele tempo, foi bem recebida por vários físicos. As fotografias serviram para corroborar a idéia de que os raios X era um novo tipo de radiação luminosa, embora mais de uma década ainda fosse necessária para estabelecer sua real natureza. Isso, porém não impediu que os raios X fossem amplamente utilizados, inclusive como ferramenta nos experimentos físicos. A discussão sobre a sua natureza continuou até que se acumulassem evidências de que eles eram ondas eletromagnéticas (ondas transversais) de curtíssimo comprimento de onda. Somente em 1912, Max von Laue conseguiu uma grade com os espaços adequados para realizar a difração. Ele percebeu que espaços tão curtos correspondiam a distâncias interatômicas disponíveis entre os íons de um cristal. Ficou então confirmado que o raio X era uma onda eletromagnética. A descoberta dos raios X alertou os físicos para a possibilidade de existirem outros tipos de radiação ainda não conhecidos.

Aula 8: A descoberta da radioatividade 8.1 A radioatividade foi mesmo descoberta por Becquerel?

Marie Curie, Pierre Curie (imagem menor) e Becquerel (a direita). Fonte: http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/CC/historical_background.html Mais uma vez nos encontramos diante de um dilema quanto à “paternidade” da descoberta. Assim como a descoberta do oxigênio foi atribuída a Priestley e a teoria da combustão a Lavoisier, em relação à descoberta do fenômeno da radioatividade também há um impasse. Vejamos qual é esse impasse. Após a descoberta do raio X, Becquerel, que já havia publicado estudos sobre substâncias fosforescentes e fluorescentes, resolveu investigar se substâncias fosforescentes também emitiam raios X. Ele havia colocado o sal sobre uma chapa fotográfica envolta em um papel negro e grosso e exposto à luz do sol por várias horas, observando então a silhueta da substância fosforescente escurecendo a chapa. Em 24 de fevereiro de 1896, ele comunicou a Academia Francesa que um sal duplo de potássio e urânio fosforescente emitia o que ele pensava ser raio x. Vários trabalhos sobre fosforescência chegavam a Academia nessa época. Uma semana mais tarde, Becquerel já tinha observado que o sal de urânio emitia raios capazes de penetrar no papel negro independente de ter sido exposto previamente ao sol ou não. Becquerel fez outras investigações e sugeriu que o fenômeno pudesse ser atribuído a radiação invisível emitida pela fosforescência, visto que a radiação luminosa emitida por fosforescência com o passar do tempo vai enfraquecendo até se tornar imperceptível. Portanto, a novidade é que a fosforescência invisível parece permanecer mais tempo que a fosforescência visível, talvez segundo Becquerel por uma “conservação indefinida, em certos corpos, da energia que absorvem”. Becquerel investiga também o urânio metálico, que não é luminescente e este também produz os mesmos efeitos fotográficos que os sais de urânio luminescentes ou não. Mais uma vez, Becquerel atribui a causa do fenômeno a fosforescência invisível, sendo o urânio o primeiro metal a mostrar esse tipo de comportamento. . Helge Kragh em Quantum Generations sugere que Becquerel tinha um interesse particular em compostos de urânio uma vez que já havia chamado atenção para a

Comentário: Leia o texto em pdf de Roberto Martins.

regularidade mostrada pelas bandas espectrais de sais de urânio. É possível que essa regularidade especial em sais de urânio fosforescentes tenha levado Becquerel a supor que a luz visível do sol pudesse ser transformada em radiação de menor comprimento de onda, como supostamente característico dos raios X e, portanto na possibilidade desse tipo de emissão. Embora esse tipo de transformação fosse proibido pela Lei de Stokes, formulada em 1852, no final do século XIX, havia muitos relatos de fluorescências anômalas, isto é, exceções a Lei de Stokes. Essas anomalias, segundo o físico germânico Eugen Lommmel, eram observadas em substâncias que exibiam o tipo de espectro regular que Becquerel observou para os sais de urânio. Os raios emitidos pelo urânio não causaram de imediato a mesma sensação que os raios de Röntgen e poucos físicos se dedicaram a sua investigação, porém, em março do mesmo ano, Becquerel já detectara o poder dos novos raios de ionizar gases e transformá-los em condutores. Becquerel restringiu-se ao urânio, talvez pelo tipo especial de espectro e em 1898 foi anunciado que o tório também emitia os raios Becquerel por Gerhard Schmidt e Madame Curie. Os termos radioatividade e substâncias radioativas foram introduzidos por Marie Curie no mesmo ano. Ela pesquisou se outros elementos emitiam o mesmo tipo de radiação observada com o tório e o urânio. Pelas próprias palavras de Madame Curie: “Os raios urânicos forsam frequentemente chamados raios de Becquerel. Pode-se generalizar esse nome, aplicando-o não apenas aos raios urânicos, mas também aos raios tóricos e todas as radiações semelhantes. Chamarei de radioativas as substâncias que emitem raios de Becquerel. O nome de hiperfosforescência que foi proposto para o fenômeno, parece me dar uma falsa idéia da sua natureza” (Curie, 1899). Esses fatos demonstram que ela considerava o fenômeno como um fenômeno mais geral e não restrito ao urânio como Becquerel havia tratado. Ainda em 1898, os Curie ao investigarem minério de urânio descobriram primeiramente o polônio e depois o rádio, substâncias muito mais ativas que o urânio. Os trabalhos iniciais em radioatividade consistiam em trabalhos experimentais e as questões que surgiram na virada do século podem ser resumidas por “Quais substâncias são radioativas? Como elas serão encaixadas no sistema periódico dos elementos? Qual a natureza dos raios emitidos?”. Essas questões eram dirigidas não só aos Físicos, mas também aos Químicos. Quer para os químicos ou físicos, a abordagem foi inicialmente fenomenológica e exploratória concentrando-se em recolher e classificar dados. 8.2 Como Rutherford entrou nessa história? Rutherford, junto com J. J. Thomson, começou a medir a ionização produzida pelos raios X, e, em 1897, logo após a descoberta da radioatividade, aplicou sua experiência para medir a ionização produzida pelo urânio. A partir do trabalho realizado por Rutherford no laboratório Cavendish entre 1895 e 1898 já se sabia que os raios consistiam de dois diferentes tipos de radiação que ele denominou Alfa e Beta. Os raios Alfa eram menos penetrantes que os raios Beta e esses últimos eram tão penetrantes quanto os raios X. Becquerel observou em 1899 que parte da radiação emitida pelo urânio (Beta) podia ser defletida por um campo magnético, na mesma direção dos raios catódicos. Usando o método de J J Thomson, Becquerel determinou a relação carga/massa dos raios Beta e descobriu que seu valor era próximo ao valor medido para o elétron por J J Thomson (1897).

Comentário: Em 1903, os Curie receberam o prêmio Nobel juntamente com Becquerel. Na ocasião de apresentação do premio Nobel, Pierre Curie encerrou seu discurso com as seguintes palavras: “Pode-se ainda conceber que em mãos criminosas, o rádio venha se tornar bastante perigoso, e aqui podemos nos indagar se é vantajoso para a humanidade conhecer os segredos da natureza, se está madura para usufruir desses segredos ou se esse conhecimento lhe será nocivo. O exemplo das descobertas de Nobel é característico, os poderosos explosivos têm permitido aos homens executar tarefas admiráveis,. São também um meio terrível de destruição nas mãos dos grandes criminosos que arrastam os povos para a guerra. Estou entre aqueles que pensam, como Nobel, que a humanidade extrairá mais bem do que mal das grandes descobertas.” Citado no livro Dos raios X aos quarks, de Emílio Segrè.

Comentário: Relação carga/massa para os raios Beta medida com maior precisão foi obtida em 1907 por Kaufmann. Estava claro, então, que os raios beta eram elétrons, porém com velocidades muito maiores que aquelas dos raios catódicos.

Ainda em 1898, Rutherford se candidatou para um cargo na Universidade de McGill, e mudou-se de Cambridge para Montreal. Os raios Alfa eram mais difíceis de defletir em campos elétricos ou magnéticos. Inicialmente, Rutherford discordou de Becquerel, que a princípio julgou que os raios alfa não eram desviados por um campo magnético. Posteriormente, ambos concordaram que eram desviados. Em 1903, após examinar várias hipóteses e chegar a alguns resultados experimentais errôneos, publicados nos Collected Papers, Rutherford teve sucesso em medir a deflexão e usá-la para determinar a relação carga/massa das partículas Alfa como aproximadamente igual aquela do íon hidrogênio na eletrólise. Entre 1903 e 1904, Rutherford se convenceu que as partículas alfa eram íons de Hélio, mas era necessário prová-lo. A idéia de que o Helio era produzido nos fenômenos radioativos tornou-se inevitável quando Soddy e Ramsey, em McGill, no ano de 1903, observaram Helio formado por sais de rádio. Mais tarde, entre 1905 e 1906, quando os experimentos foram repetidos com mais precisão, Rutherford descobriu que a relação carga/massa das partículas Alfa era cerca de duas vezes aquela do íon hidrogênio. A hipótese, sugerida por Rutherford, de que as partículas Alfa eram íons de Helio, foi brilhantemente confirmada no experimento que Rutherford fez em 1908, em Manchester, junto com seu assistente Thomas Royds. Essa sugestão se deve em parte ao fato de que o Hélio se tornou conhecido por estar associado com material radioativo. Rutherford e Royd provaram espectroscopicamente que o hélio era produzido a partir das partículas Alfa emitidas pelo radônio. O terceiro tipo de radioatividade observado correspondia a raios altamente penetrantes, porém não facilmente defletidos por um campo magnético. P. Villard foi o primeiro a percebê-los em 1900 e Rutherford em 1903 os chamou de raios gama. Rutherford sugeriu que os raios gama eram semelhantes aos raios X, o que foi comprovado pelo próprio juntamente com E. N da Costa Andrade. Em 1914, eles conseguiram medir o comprimento de onda dos raios gama observando a sua dispersão a partir de cristais. Uma vez identificados os tipos de radiação, restava ainda uma questão: qual seria a causa de tal fenômeno?

Comentário: O Hélio foi descoberto na Terra em 1895 por William Ramsey no mineral de urânio, dez anos após ter sido descoberto por J. Norman Lockyer no espectro da radiação das protuberâncias solares (jatos de gás que se projetam milhares de quilômetros acima da atmosfera solar).

8.3 Como falar em transmutação elementar se esse era um conceito alquímico? Um outro aspecto importante diz respeito ao fato da radioatividade não ser um fenômeno permanente, uma substância se transforma em outra, uma vez que átomos de um elemento se transmutam em átomos de outro elemento. Rutherford e Soddy descobriram em 1903 que 54% da radioatividade do tório se devia a uma substância altamente radioativa que eles chamaram de “tórioX”. O tórioX podia ser concentrado em uma solução de nitrato de tório com adição de amônia. O tório se separa da solução precipitando como hidróxido de tório, enquanto tórioX permanece em solução. O precipitado de tório era muito menos radioativo e não produzia mais a “emanação” (gás) de tório. Entretanto, uma amostra de tório, dessa maneira precipitada, foi deixada no laboratório por ocasião das férias natalinas (três semanas) e após esse período a amostra havia recuperado tanto a sua radioatividade como a sua produção de tórioX. TórioX havia retomado sua abundância. Com isso, ficou claro que tórioX não era simplesmente uma impureza presente em amostras de tório, assim como a emanação de tório era produzida pelo tórioX. A importância dessa observação foi a percepção de que essas diferentes substâncias produzidas pala radioatividade eram realmente elementos diferentes do elemento original radioativo. Em 1902, Frederic Soddy e Rutherford mostraram que a emanação do tório era um novo gás nobre: o radônio. A emanação do rádio também foi identificada como um isótopo diferente do radônio (222Rn) da emanação do TórioX (220Rn). O tórioX foi mais tarde identificado como um isótopo muito radioativo do rádio, o 224Ra. Concluiu-se que tório se transformava numa espécie de rádio que por sua vez se transformava numa espécie de radônio. Em dois artigos clássicos de 1902, denominados “A causa e Natureza da Radioatividade”, Rutherford e Soddy explicaram que a radioatividade é um fenômeno que envolve a mudança de um elemento químico em outro, causada pela emissão de partícula carregada Alfa ou Beta. Esse era um tema muito delicado, pois a imutabilidade dos elementos era algo muito bem estabelecido na Química. A transformação elementar cheirava a alquimia e Rutherford relutou antes de usar a expressão, porém estava claro que esse era o fenômeno que ocorria. No ano seguinte, eles apresentaram a “teoria da desintegração” no artigo “Mudança Radioativa” diante de uma audiência cética na Royal Society em Londres. 8.4 Como foi elaborado o conceito de meia-vida e das séries de desintegração? Rutherford percebeu que a intensidade da radioatividade produzida diminuía muito rapidamente. Essa observação fornecia um novo dado sobre a natureza do fenômeno radioativo. Após cerca de um minuto, uma dada amostra de gás tinha apenas metade da sua radioatividade original, após dois minutos, apenas um quarto, após três minutos, apenas um oitavo e assim por diante. A explicação dada por Rutherford juntamente com Soddy, era que cada átomo da emanação do tório tinha 50% de probabilidade de emitir uma partícula alfa em cada minuto (mais precisamente 54,5 segundos), independente de quanto tempo o átomo já havia subsistido ou quantos outros átomos estão presentes, quando ele emite uma partícula alfa ele deixa de ser um átomo da emanação do tório. Como a razão com que os átomos da emanação do tório emitem partículas alfa não depende da presença de outros átomos, isso deve ser um processo de um único átomo, diferente de uma reação química comum e como sua razão não depende da história anterior da emissão de partícula alfa do átomo deve ser um processo probabilístico (eventos independentes).

Comentário: Equação nuclear correspondente: Th -> α + Ra224 (tórioX) Ra224 -> α + Rn220

Comentário: Teoria da desintegração: Nessa teoria estava contida a idéia da transmutação de átomos, algo que até mesmo Rutherford hesitava em apresentar, pois lembrava a alquimia.

Comentário: Meia-vida http://pt.wikipedia.org/wiki/Meia-vida Outro sítio muito interessante inclusive com simulação para meia-vida é o da UFRGS : http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod02/m_s04.html

Foram logo descobertos outros elementos radioativos que seguiam uma lei de decaimento semelhante. Para cada elemento existe uma meia-vida característica. Essas meias-vidas forneceram uma das pistas que levou a descoberta dos isótopos. A emanação do tório e a emanação do rádio eram, por exemplo, o mesmo elemento: radônio. Elas tinham, porém, meias-vidas muito diferentes. O decaimento não tinha sido observado com o tório, urânio ou mesmo o rádio, pois os isótopos mais comuns desses elementos possuem meias-vidas longas. A radioatividade observada nas amostras desses elementos se deve muito mais a pequenas quantidades de isótopos altamente ativos como o tórioX (na verdade 224Ra) que possui uma vida curta, mas esses elementos que decaem rapidamente são reabastecidos continuamente pela radioatividade dos outros isótopos do mesmo elemento, de modo que a meia-vida observada na amostra de tório, rádio ou urânio é a meia-vida longa do outro isótopo do mesmo elemento. Rutherford e Soddy separaram o tórioX do tório e fizeram uma série de medidas que demonstraram uma exata correspondência entre o reabastecimento da radioatividade no tório e o decaimento da radioatividade no tórioX. Baseados nessas observações eles deduziram que “muito da radioatividade do tório não se deve ao próprio tório, mas a presença do tórioX em pequena quantidade que está sendo continuamente produzida”. Eles deram então a primeira descrição desse equilíbrio: “a radioatividade normal ou constante que o tório possui é um valor equilibrado, onde a razão de crescimento da radioatividade devido a produção de material recente ativo é balanceada pela razão de decaimento da radioatividade daquele que já está formado”(Rutherford e Soddy, 1902). Após isso, a quantidade de tórioX diminuía imperceptivelmente com a meia-vida de 1,41x1010 que é a meia-vida do tório. Ao mesmo tempo, o tórioX originalmente removido da amostra de tório perderia sua atividade com sua meia-vida característica de 3,64 dias. Temos, portanto duas curvas de atividades, uma para a substância separada e outra para tório. Uma sobe e a outra desce, de modo que a soma das atividades é

constante. FIGURA - A curva II ilustra a razão de recuperação da atividade do tório e a Curva I a razão de decaimento da atividade do tório X. Rutherford recebeu o título de Barão em 1931 e as curvas

exponenciais de atividade radioativa aparecem no escudo do seu brasão (à direita).

Gráfico retirado do artigo original de Ernest Rutherford (1871-1937) e Frederick Soddy (1877-1956): The Cause and Nature of Radioactivity, Philosophical Magazine 4, 370-96 (1902), in: Boorse, Henry A., Motz, Lloyd. The World of the Atom, Vol. 1, New York: Basic Books, 1966. Brasão retirado de http://www.rutherford.org.nz/msmyth.htm

Comentário: Isótopos: Primitivamente dizemos que pose haver substâncias quimicamente idênticas, mas deferentes quanto a suas propriedades radiostivas. Foi Sodddy quem cunhou o termo isotópico, para indicar que as substâncias ocupam o mesmo lugar no sistema periódico. Como o isotopismo era desconhecido, cada vez que se descobria uma nova substância radioativa, julgava-se que era um novo elemento, o que resultava em difícil separação do elemento já conhecido.

Nesse mesmo artigo de 1902, Rutherford e Soddy sugeriram que os elementos sofrem transmutações espontâneas e que a “radioatividade pode, contudo ser considerada como uma manifestação de mudança subatômica”. O reconhecimento da transmutação elementar permitia a idéia de uma série de elementos formados sequencialmente a partir do decaimento de um elemento parente e conduziu a primeira série publicada das séries do urânio. Um outro aspecto descoberto por Rutherford em 1903 foi que a energia liberada continuamente pelo rádio era enorme, cerca de 1000 calorias por grama por hora. Em um artigo de 1904, Rutherford e Soddy concluíram que “todas essas considerações apontam para a conclusão que a energia latente em um átomo deve ser enorme se comparada a energia liberada na transformação química comum”. De onde vinha essa energia? Admitindo que a radioatividade consistisse de mudanças subatômicas, qual era a causa dessas mudanças? De acordo com uma hipótese amplamente aceita, baseada no modelo atômico de J. J. Thomson, a radioatividade era provocada por mudanças na configuração interna do átomo. O próprio Rutherford defendeu um mecanismo semelhante em1900 e em 1904 sugeriu que se podia supor que os átomos de elementos radioativos eram constituídos de elétrons (partículas beta) e grupos de elétrons (partículas alfa) em rápido movimento e mantidos em equilíbrio por suas forças mútuas. Os elétrons acelerados irradiavam energia, isso devia perturbar o equilíbrio do átomo, e resultar em um rearranjo de suas partes componentes ou na sua desintegração final. Para saber mais: Outros tipos de raios surgiram nos anos que se seguiram a descoberta dos raios X, da radioatividade e a pesquisa com os raios catódicos. No quadro abaixo é possível ter uma idéia de outros tipos de raios que foram mencionados entre 1895 e 1912 e em que situação se encontravam em 1915. Retirado de Quantum Generations, p.37 Entidade Ano Cientistas Situação em 1915 Argônio 1895 Rayleigh a W. Ramsay Aceito Raios-X 1896 W. Röntgen Aceito Radioatividade 1896 H. Becquerel Aceito Elétron 1897 J.J. Thomson Aceito Luz negra 1896 G. LeBon Rejeitado Raios Canais 1898 W. Wien Aceito Etéreo 1898 C. Brush Rejeitado Raios N 1903 R. Blondlot Rejeitado Raios magnéticos 1908 A. Righi Duvidoso Raios Moser 1904 J. Blaas e P. CzermaK Reinterpretado Elétrons positivos 1908 J. Becquerel Reinterpretado Raios Cósmicos 1912 V. Hess Incerto Aula 9: Vendo por dentro do átomo com Rutherford. 9.1 Como Rutherford chegou a um modelo nuclear para o átomo?

Até 1907, Rutherford não estava particularmente interessado em modelos atômicos. Ele era geralmente a favor da teoria de J. J Thomson, que achava útil para compreender o fenômeno radioativo. Só em 1910, ele se voltou seriamente para a teoria atômica, primeiramente como resultado do seu profundo interesse no comportamento e natureza das partículas alfa. Vejamos como esse interesse surgiu. Em meados de 1907, Rutherford aceitou um cargo na universidade de Manchester, para substituir Sir Arthur Schuster um famoso espectroscopista. Lá encontrou o assistente de Schuster, o alemão Hans Geiger , físico germânico que continuou a trabalhar sob a orientação de Rutherford. Em 1908, Rutherford, usando métodos espectroscópicos, provou definitivamente que as partículas alfa eram idênticas aos íons de hélio de carga 2. Nesse mesmo ano, Rutherford recebeu o premio Nobel de Química e seu discurso na ocasião foi sobre “A natureza química das partículas alfa originárias de substâncias radioativas” no qual descreveu a contagem de partículas alfa isoladas pelo método de cintilação. O método consistia da contagem dos átomos um a um, usando um microscópio de baixa potência, para ver as cintilações produzidas na tela de sulfeto de zinco e envolvia dois observadores olhando para a mesma tela. Eles deviam contar as cintilações acionando uma chave semelhante àquela usada para enviar uma mensagem telegráfica, desse modo o instante da observação também ficava registrado. Ao final, se obtinha três tipos de sinal. O sinal do primeiro observador, o sinal do segundo observador e o sinal dos dois observadores juntos. Considerando o rendimento de cada observador era possível estimar o numero desconhecido de cintilações. Ainda em 1908, Geiger relatou os resultados preliminares de experimentos de espalhamento de partículas alfa sobre folhas de metais. 9.2 Que observação experimental foi determinante para a criação do modelo de Rutherford? No ano seguinte, 1909, Ernest Marsden, um estudante da Nova Zelândia com vinte e um anos, veio trabalhar com Rutherford. Marsden observou que os metais pesados eram mais efetivos como refletores (isto é, espalhavam ou dispersavam em ângulos maiores que 90º) que a luz e que uma folha fina de platina refletia uma em oito mil das partículas alfa que colidiam com ela enquanto as demais seguiam direta ou quase diretamente. Ainda em 1909, Geiger e Marsden descobriram que o ângulo de desvio mais provável para as partículas alfa ao passar através de uma folha fina de ouro era de 0,87º, porém cerca de uma em vinte mil partículas alfa era desviada para trás, isto é, um ângulo maior que 90º e maior que cem vezes o ângulo previsto. Os resultados experimentais devem ter induzido Rutherford a investigar o espalhamento das partículas alfa e a comparar os resultados com os resultados da teoria do espalhamento de partículas beta de Thomson. Rutherford, após identificar as partículas alfa com íons de Helio, acreditava que a partícula alfa devia ser considerada uma partícula pontual, semelhante ao elétron. Porque a partícula alfa era um átomo de Helio desprovido de dois elétrons, essa visão implicava, na prática um modelo nuclear do átomo de Helio. De acordo com Helge Kraigh, Rutherford atingiu essa conclusão, antes mesmo de desenvolver sua teoria do espalhamento das partículas alfa que contava com a sua idéia de partícula alfa semelhante a pontos e não constituída por um grupo de elétrons.

Comentário: Hans Gaiger foi o inventor do contador Geiger, importante instrumento para detectar a radioatividade.

Comentário: Os elétrons beta eram multiplamente desviados de pequenos ângulos pelos elétrons do átomo. A teoria parecia concordar plenamente com experimentos que implicavam que o número de elétrons era cerca de três vezes o peso atômico. De acordo com Thomson a partícula alfa tinha dimensões atômicas e continha dez elétrons.

A teoria que Rutherford apresentou em 1911, tinha suas bases experimentais nas observações de Geiger e Marsden dos desvios em ângulos grandes, que Rutherford descobriu ser incompatível com a teoria de Thomson. Para produzir as deflexões observadas de mais de 90º, o desvio tinha que ocorrer em um único encontro entre a partícula alfa e uma massa concentrada e altamente carregada. 9.3 Como era o seu modelo? Após anunciar suas conclusões na Sociedade filosófica e literária de Manchester em 7 de março de 1911, ele submeteu o artigo O espalhamento de partículas alfa e beta pela matéria e a estrutura do átomo a Philosophical Magazine. Rutherford sugeriu que o átomo consistia de uma carga maciça Ze rodeada por uma nuvem de eletricidade oposta. Uma vez que os resultados dos seus cálculos independiam do sinal da carga, o núcleo poderia ser uma concentração de elétrons embebidos em um fluido positivo. Nas próprias palavras de Rutherford: “Considere um átomo que contém uma carga ±Ne em seu centro rodeada por uma esfera de eletrificação contendo a carga ±Ne, suposta uniformemente distribuída (...) por conveniência, o sinal da carga central será suposto positivo”. O modelo de Rutherford apareceu na primavera de 1911, hoje reconhecido com um marco na história da Física, foi recebido com indiferença e dificilmente considerado como uma teoria da constituição atômica. Nem o próprio Rutherford parece ter considerado seu átomo nuclear de grande importância. Em seu livro sobre radioatividade de 1913, seu núcleo era pequeno, porém não mais pontual. Pelo contrário, Rutherford o descreveu como um corpo complexo mantido unido pelo que se tornou conhecido como forças nucleares. Assim Rutherford se referiu em seu livro de 1913: “Praticamente, toda a carga e massa do átomo estão concentradas no centro, e estão provavelmente confinadas em uma esfera de raio não maior que 10-12 cm. Não há dúvida que o centro positivo do átomo é um sistema complicado em movimento, consistindo em parte de Helio com carga e átomos de hidrogênio. Parece que átomos da matéria carregados positivamente atraem outros em distâncias muito pequenas, pois de outra maneira é difícil ver como as partes componentes no centro são mantidas juntas”. 9.4 Qual era o ponto fraco do modelo de Rutherford? Em primeiro lugar a teoria foi apresentada como uma teoria de espalhamento e não como uma teoria atômica. Como uma teoria atômica, ela estava incompleta. O núcleo concentrava a massa do átomo, o que ele afirmava baseado nos experimentos de espalhamento das partículas alfa, porém Rutherford não ofereceu nenhuma sugestão de como os elétrons estariam arranjados. Por razões de simplicidade, ele supôs que a eletricidade negativa formasse uma atmosfera homogênea ao redor do núcleo. Como os elétrons não tinham nenhuma importância no espalhamento das partículas, essa suposição era arbitrária. Rutherford não sugeriu um modelo planetário em 1911 e seu modelo era completamente impotente quando se tratava de questões químicas como ligação e tabela periódica e também quando se considerava questões físicas como as regularidades espectrais ou dispersão. Nem mesmo o núcleo era um dado novo, pois modelos nucleares já tinham sido propostos. O destino do modelo de Rutherford mudou em 1913, quando Geiger e Marsden publicaram novos dados sobre a dispersão das partículas alfa. Esses dados estavam de acordo com as suposições assumidas de que um átomo contém uma carga densa num centro de dimensões pequenas comparado ao diâmetro do átomo. No entanto os novos dados eram irrelevantes para a configuração dos elétrons como o modelo de Rutherford era silencioso sobre eles. Nisso reside a fraqueza do modelo de Ruthereford, para ser convincente, uma teoria atômica deveria incluir os elétrons, pois

Comentário: Desvios não esperados: Posteriormente em 1936, Rutherford se referiu aos desvios da seguinte forma: foi como se alguém lhe tivesse dito que, ao atirar em uma folha de papel, a bala tivesse ricocheteado!

eles eram os responsáveis pela maior parte dos fenômenos que poderiam ser testados experimentalmente.

Para saber mais: visite o endereço eletrônico http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/rutherford/rutherford.htm que possui uma demonstração interativa da experiência de dispersão das partículas alfa realizada por Rutherford. Tradução: Modelo do pudim de ameixas de J.J. THomson: Elétrons suspensos em um fundo de carga oposta positiva – não concentrada o suficiente para repelir as partículas alfa. - Quadro menor a direita Todas as partículas alfa não são afetadas e passam em linha reta porque a densidade de carga não é suficientemente grande para afetar sua trajetória. Modelo nuclear de Rutherford Cargas positivas concentradas em um núcleo muito denso – carga positiva suficientemente densa para repelir as partículas alfa que se aproximassem. - A maioria das partículas alfa passa em linha reta longe o suficiente do pequenino núcleo para ser afetada. - Quadro menor a direita Partículas alfa se dirigem para o centro de carga concentrada e são repelidas o suficiente para retornar. - dentro do desenho a direita Partículas alfa passam perto o suficiente para serem desviadas de um ângulo acima do previsto. - nota inferior A figura acima não está em escala. O diâmetro de um átomo é 100000 vezes o diâmetro do núcleo. Se o núcleo fosse desenhado numa escala de 1 cm de diâmetro do circulo, seria necessário um monitor com uma tela de 1 km para conter a figura do círculo do átomo! Eis o porquê de somente uma em oito mil partículas ser

repelida com força suficiente para retornar de sua trajetória. Observe que nesse experimento foi a exceção e não a regra que determinou a descoberta. Questões a se pensar… Atividade 8 8.1 A descoberta da radioatividade por Becquerel é considerada uma descoberta afortunada, porém não acidental. Qual era o verdadeiro objeto da pesquisa de Becquerel? Por que no seu artigo Roberto Martins considera que a radioatividade não foi descoberta por Becquerel? Atividade 9 9.1 Que observação era inesperada na experiência de espalhamento das partículas alfa conduzida por Rutherford? Qual era o objeto de pesquisa de Rutherford? Esse evento representava a regra ou a exceção no comportamento das partículas alfa ao interagir com a matéria? CONCLUSÃO No que diz respeito ao estudo da radioatividade, embora tenhamos seguido mais de perto a trajetória de Rutherford, deve-se destacar o trabalho do casal Curie e, sobretudo o da madame Curie que continuou suas pesquisas neste campo, após a morte de Pierre em 1906. Becquerel também continuou a pesquisar o fenômeno por muito tempo, tendo contato com o casal Curie e conhecimento do trabalho desenvolvido por eles. Becquerel, os Curie e Rutherford leram os resultados dos trabalhos de cada um e eventualmente trocavam idéias sobre esses trabalhos. É possível perceber em seus escritos que um conhecia os resultados obtidos pelos outros. Por outro lado, não pense que as experiências com as partícula alfa só proporcionaram o novo modelo proposto por Rutherford. Marsden havia notado a presença de algumas partículas com alcances excepcionalmente longos quando bombardeava o ar com partículas alfa, antes de retornar a Nova Zelândia em 1915. Rutherford relatou o efeito anômalo do nitrogênio em um trabalho intitulado “Colisões de Partículas Alfa com Átomos Leves”, no qual afirmava que “devemos concluir que o átomo de nitrogênio se desintegra sob forças intensas liberadas na estreita colisão com uma partícula alfa rápida e que o hidrogênio que é liberado era parte integrante do núcleo do nitrogênio”. Como se pode perceber, Rutherford estava anunciando a desintegração nuclear provocada pelo bombardeamento com partículas alfa. Pode-se dizer que o velho sonho alquímico da transmutação elementar tinha se tornado possível. Uma outra conseqüência do estudo da radioatividade foi a descoberta dos isótopos. Em 1912, J. J. Thomson já havia suspeitado que o fenômeno do isotopismo não se restringia aos elementos radioativos, mas pelo contrário era comum a muitos elementos. Ele usou o método parabólico para medir a relação carga/massa do neon e encontrou íons de massas 20 e 22 vezes a massa do hidrogênio. Mais ou menos por essa época, estava se estabelecendo o conceito de isotopismo em substâncias radioativas. Em 1913, Soddy criou esse termo que significa “mesmo lugar” no sistema periódico. Mais alguns anos e o conceito de isotopismo se estendeu aos átomos estáveis também.

Ainda em 1913, várias tentativas para fracionar o neônio em diferentes isótopos foram feitas. Essas pesquisas de Thomson conduziram ao desenvolvimento da espectroscopia de massa principalmente com a contribuição de Aston, que aperfeiçoou espectroscópios que forneciam massas atômicas com maior precisão. Com tantas descobertas a primeira década do século XX ainda trazia uma questão não respondida pelos físicos e químicos desde 1860. Novas questões haviam surgido, novas propostas sobre a estrutura da matéria também, porém o fenômeno espectroscópico continuava sem uma teoria que o explicasse. Qual o significado dos valores de comprimento de onda ou energias associadas às emissões ou absorções dos elementos? Por que esses fenômenos só ocorriam naqueles valores determinados de energia? Por que cada tipo de espectro estava associado a um determinado tipo de matéria? BIBLIOGRAFIA CAMEL, Tânia. Entre o Discreto e o Contínuo: Os Átomos de Éter. 2004. 200p.

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