O experimento da lâmina de ouro de Rutherford

RKA6GM - Nós temos aqui uma citação de um grande físico chamado Ernest Rutherford. Ele disse: "o evento mais incrível que aconteceu comigo em toda a minha vida foi quase tão incrível quanto se você atirasse um projétil de 15 polegadas num lenço de papel e ele ricocheteasse de volta e o atingisse". Esta citação diz respeito a um experimento que ele realizou. Então, neste vídeo de hoje, vamos falar sobre esse experimento que ele estava falando. Nesse período, Rutherford estava realizando diversas experiências sobre a radioatividade. Rutherford era um grande amigo de Marie Curie e de seu marido, Pierre Curie. E se tratando da radioatividade, o seu grande interesse de estudo era sobre a partícula α. Apesar de, na época deles, eles não utilizarem a ideia da partícula α que nós utilizamos hoje, a partícula α é formada por um núcleo de hélio (He), ou seja, essa partícula é formada por 2 prótons e 2 nêutrons. No caso, ela não possui elétrons, por isso que nós temos aqui este He²⁺, ou seja, a partícula α é apenas o núcleo do He. E pelo fato deste núcleo não possuir elétrons, por esse motivo que este núcleo é carregado positivamente, tendo aqui 2⁺, certo? E tendo um grande interesse em estudar esta partícula α, Rutherford pegou um pedaço de rádio (Ra), já que o rádio emitia essa partícula α e colocou dentro de uma caixa de chumbo (Pb). Este orifício possibilitava que partículas α fossem emitidas aqui neste caso. E tendo interesse em estudar a estrutura atômica, ele fez com que essas partículas de α fossem emitidas contra uma folha de ouro. Associando esse experimento com a citação de Rutherford, vamos imaginar então que, aqui, as nossas partículas α sejam os nossos projéteis, e aqui, esta folha de ouro, como se fosse o nosso lenço de papel, ok? Mas o que o Rutherford estava tentando encontrar com esse experimento? Bem, a resposta não é relativamente fácil. Mas para a gente entender isso, a gente precisa voltar um pouquinho antes de Rutherford e estudar o modelo desenvolvido por um outro físico chamado J. J. Thomson O modelo de Thomson, muito conhecido como "o modelo do pudim de ameixas", dizia que o átomo é formado por pequenas partículas carregadas negativamente. Na época, Thomson não usava necessariamente a ideia do elétron. Mas hoje, a gente já diz que essas partículas carregadas negativamente são os elétrons. Então vou chamar estas partículas aqui de “elétrons”, ok? Como na época já tinha ideia de que um átomo tem que ser eletricamente neutro, como a gente tem estas cargas negativas aqui, deveria ter algo aqui com carga positiva. Então, Thomson desenvolveu a ideia de que esses elétrons ou essas partículas carregadas negativamente estariam imersas em uma espécie de sopa de carga positiva, ou seja, uma sopa carregada positivamente. Então a gente pode dizer que aqui tem uma "sopa" carregada positivamente. E assim, se você não sabe o que é um pudim de ameixas, provavelmente, é porque você não é britânico, tudo bem? E aí, neste caso, a gente pode imaginar aqui como se fosse um cookie de chocolate, em que as gotinhas de chocolate seriam estes elétrons, e toda aquela massa em volta destas gotinhas de chocolate seria esta sopa carregada positivamente. Mas afinal, o que Rutherford estava querendo concluir a partir desse experimento? Realizando formulações e previsões matemáticas, ele chegou à conclusão que se emitisse partículas α contra um átomo aqui neste caso, grande parte das partículas α ia atravessar diretamente este átomo. Como estas cargas elétricas iam gerar um pequeno campo elétrico aqui no interior, poderia ocorrer que algumas destas partículas α sofressem uma pequena deflexão, nada muito grande. Claro, eu exagerei um pouco aqui, mas, na verdade, não seria nada muito grande não. Então praticamente todas estas partículas α iriam atravessar direto aqui este átomo. Então quando ele veio aqui e realizou este experimento, ele esperava observar exatamente isso, ou seja, que estas partículas α atravessassem este lenço de papel dele aqui, né? Lenço de papel. E realmente foi isso que aconteceu, grande parte das partículas α atravessaram aqui direto. E uma pequena parte, muito pequena mesmo, sofreu uma pequena deflexão, nada muito grande. Algo mais ou menos igual a 1° de deflexão, ou seja, algo muito pequenininho mesmo. Engraçado é que se Rutherford tivesse parado por aqui, ele teria chegado à conclusão de que este daqui seria o modelo ideal para explicar o que era o átomo. Mas ainda bem que Rutherford era um químico muito competente e ele não parou por aí. Quando ele fez o detector dele, não colocou apenas aqui na frente. Na verdade, ele cobriu toda esta região aqui. Ele fez isso apenas para tomar cuidado mesmo nesta detecção aqui. E aí, claro, ele detectou os esperados aqui na frente, estes aqui com uma pequena deflexão, mas em 1 a cada 20.000 partículas α acontecia algo curioso quando colidia com a folha de ouro. Ao invés de atravessar ou sofrer essa deflexão, ela vinha até aqui e voltava aqui, batia nessa parte aqui do detector. E como eu disse, isso acontecia com 1 a cada 20.000 partículas α. Então era um número extremamente pequeno mesmo, algo que você precisava ter muito cuidado aqui para observar, se não poderia passar despercebido. Claro, você deve imaginar que a primeira coisa que Rutherford fez a partir disso foi falar: "caramba, acabei de ganhar o Prêmio Nobel", não é? Mas não, ele repetiu esse experimento diversas vezes para ver se não tinha acontecido nenhum erro. E não, não tinha. Todas as vezes que ele realizava esse experimento, chegava à mesma conclusão: de que 1 a cada 20.000 partículas de α colidia com a folha de ouro e retornava aqui neste caso. E agora, o que fazer? Afinal de contas, este modelo atômico do pudim de ameixas não serve mais para explicar esta colisão aqui desta partícula α retornando deste jeito aqui para o detector. Então, foi necessário construir um novo modelo atômico que desse conta de explicar este fenômeno aqui. Então foi isso que ele fez, ele começou a desenvolver o novo modelo atômico. No caso, então, para ter um modelo que explicasse esse novo fenômeno, tinha que ter algo que fosse pequeno, maciço e que tivesse carga positiva. Afinal de contas, era isto aqui que interagia com essas partículas α, fazendo com que elas fossem rebatidas aqui neste caso. Então, recapitulando: temos que ter algo pequeno, extremamente pesado e com carga positiva. E sabemos também que esse modelo tem que dar conta de ter os elétrons para fazer com que o átomo tenha um saldo final de carga nulo. Sabemos também que esses elétrons têm que ser extremamente pequenos, porque eles quase não interagem com estas partículas α. Por isso que elas passam direto aqui por esta folha de ouro. Ok, então, a partir desses pré-requisitos aqui, ele desenvolveu um novo modelo, e esse novo modelo dizia que nós tínhamos aqui um átomo, e que esse átomo aqui teria um núcleo, esse núcleo extremamente pequeno, e que esse núcleo tinha uma carga positiva. E como falei, esse núcleo aqui é extremamente pequeno, a partir desse experimento, Rutherford conseguiu até estimar o tamanho desse núcleo em relação ao tamanho do átomo e chegou à conclusão de que o núcleo deveria ter um tamanho igual a 1/10.000 do volume aqui deste átomo. Então, assim, o núcleo era extremamente pequeno neste modelo dele. E claro, como o núcleo tinha carga positiva, deveria também ter os elétrons aqui em certas regiões. Mas e o restante do átomo aqui, o que teria? Na verdade, Rutherford chegou à conclusão de que todo este espaço aqui seria um espaço vazio, ou seja, não teria nada ocupando este espaço, então grande parte do átomo aqui seria realmente um espaço vazio. E a partir desse modelo, Rutherford conseguiu explicar o experimento dele, ou seja, quando as partículas α eram emitidas aqui contra a folha de ouro, grande parte dessas partículas atravessavam diretamente este espaço vazio, não sofrendo nenhum tipo de deflexão. No entanto, uma pequena parte destas partículas se aproximava aqui do núcleo deste átomo e sofria aquela pequena deflexão. Tanto de um lado quanto do outro. Mas uma pequena parte ainda menor de partículas α conseguia colidir com este núcleo atômico aqui. E quando isso acontecia, pelo fato deste núcleo ter uma carga positiva, esta partícula α também tendo uma carga positiva, seria repelida por este núcleo, fazendo com que ela retornasse aqui neste caso, conforme ocorreu aqui no experimento. E esse modelo atômico de Rutherford foi chamado de “modelo nuclear”. Então já temos o nosso modelo atômico aqui de Rutherford, em que o átomo é formado por um núcleo com carga positiva, e os elétrons estão aqui em alguma região deste átomo, certo? E o restante do átomo é feito de espaço vazio, ou seja, não tem nada ali. Mas aí, chegamos a uma nova pergunta: onde esses elétrons estão aqui realmente? Será que eles ocupam certas posições? Para responder a essa pergunta, diversos outros cientistas na época de Rutherford realizaram experimentos testando esse modelo. E veremos isso inclusive nos próximos vídeos.