Por que uma pequena quantidade de partículas sofreu desvios muito grandes?

As principais emissões radioativas são a alfa (α), a beta (β) e a gama (γ). Nesse artigo, falaremos sobre a primeira dessas três radiações, como se deu sua descoberta, do que ela é constituída, como a sua radiação afeta a estrutura da matéria, qual o seu poder de penetração e quais são os danos que causa ao ser humano.

• Descoberta:

Em 1900, independentemente e quase ao mesmo tempo, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) e o químico francês Pierre Curie (1859-1906) conseguiram identificar experimentalmente as partículas alfa e beta.

Rutherford realizou um experimento que ficou famoso, no qual ele montou uma aparelhagem semelhante à mostrada na ilustração abaixo:

Ele colocou uma amostra de um elemento radioativo em um bloco de chumbo com um orifício. Visto que o chumbo bloqueia as emissões radioativas, elas não se espalhariam pelo ambiente, mas seriam orientadas a sair na direção da única abertura no chumbo. Esse aparelho foi colocado dentro de um recipiente submetido ao vácuo. A esse aparelho foram adaptadas duas placas eletrizadas com cargas opostas – isto é, aplicou-se um potencial elétrico. Na parede oposta ao bloco de chumbo foi colocada uma chapa fotográfica ou uma tela com sulfeto de zinco, material fluorescente, que registraria as emissões radioativas.

Um dos fatores observados com esse experimento foi que o percurso da radiação alfa foi desviado para o polo negativo da placa. Conforme é de conhecimento geral, cargas opostas se atraem, consequentemente, concluiu-se que as radiações alfa são, na realidade, partículas positivas.

• Constituição:

Com o tempo, descobriu-se que essas partículas positivas são, na verdade, formadas por dois prótons e dois nêutrons (42α2+), isto é, iguais a um núcleo de hélio (42He). Além disso, são partículas pesadas, de massa elevada, pois sofreram desvio pelo campo eletromagnético.

Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;)

• Consequências da emissão de partículas alfa para a estrutura do átomo:

Conforme sabemos, a emissão de radiação é um processo que acontece a partir do núcleo – daí o termo reações nucleares. Portanto, envolve uma variação da carga nuclear (positiva), causando alterações na substância.

No caso da emissão de uma partícula alfa (42α2+), o número atômico (quantidade de prótons) do átomo diminui duas unidades (porque perdeu dois prótons) e seu número de massa (quantidade de prótons e nêutrons no núcleo) diminui quatro unidades.

Veja como isso ocorre na emissão de uma partícula alfa de um átomo de um elemento genérico (ZAX):

ZAX → 42α2+ + Z-2A-4X

Exemplo:

92238U → 42α2+ + 90234Th

A radiação alfa também tem um poder de ionização alto, podendo capturar dois elétrons e se tornar um átomo de hélio:

42α2+ + 2 e- → 42He

• Poder de penetração:

A velocidade das partículas alfa é baixa, sendo inicialmente de 3 000 km/s até 30 000 km/s. A sua velocidade média é de aproximadamente 20 000 km/s, que é 5% da velocidade da luz. Por ser lenta, a radiação alfa tem um poder de penetração muito baixo, não atravessando nem mesmo uma folha de papel, roupas ou pele. 

Veja na figura abaixo a comparação do seu poder de penetração com as outras emissões beta e gama:

• Danos causados ao ser humano:

Em razão do seu baixo poder de penetração, os danos que as partículas alfa causam ao ser humano são pequenos. Quando incidem sobre o nosso corpo, elas são detidas pela camada de células mortas da pele, podendo, no máximo, causar queimaduras.

Por Jennifer Fogaça
Graduada em Química

Em 1911, o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937) realizou uma experiência com o objetivo de aprofundar os conhecimentos sobre o modelo atômico até então adotado, que era o de Thomson; no qual o átomo seria uma esfera de carga elétrica positiva, não maciça, incrustada de elétrons (negativos), de modo que sua carga elétrica total seria nula.

Para realizar tal experimento ele bombardeou uma finíssima folha-de-ouro (espessura de aproximadamente 10-4 mm), por um feixe de partículas alfa (α), vindo de uma amostra de polônio. Conforme o esquema abaixo, o polônio estava dentro de um bloco de chumbo, com um orifício, por onde apenas seria permitida a saída das emissões de partículas alfa.

Além disso, foram colocadas placas de chumbos com orifícios em seus centros, que orientariam o feixe na direção da lâmina de ouro. E, por fim, colocou-se atrás da lâmina um anteparo recoberto com sulfeto de zinco, que é uma substância fluorescente, onde era possível visualizar o caminho percorrido pelas partículas alfa.

Ao final deste experimento, Rutherford notou que a maioria das partículas alfa atravessava a lâmina, não desviava, nem retrocedia. Algumas partículas alfa se desviavam, e muito poucas retrocediam.

Baseando-se nestes dados, Rutherford concluiu que, ao contrário do que Dalton pensava o átomo não poderia ser maciço. Mas, na verdade, grande parte do átomo seria vazio e ele conteria um núcleo muito pequeno, denso e positivo, conforme a figura abaixo mostra.

Não pare agora... Tem mais depois da publicidade ;)

Em razão de o átomo ter sua maior parte vazia, a maioria das partículas não sofreu alteração no seu percurso.

Além disso, visto que as partículas alfa são positivas – da mesma forma que os núcleos dos átomos que compõem a lâmina de ouro – ao passarem próximas a estes núcleos, elas se desviavam. Estes núcleos seriam muito pequenos, por isso a incidência deste fato era menor. E quando as partículas alfa se chocavam diretamente com os núcleos dos átomos (incidência menor ainda), eles se repeliam e por isso poucas retrocediam.

Desse modo, Rutherford criou um modelo atômico que seria semelhante ao sistema planetário: o Sol seria o núcleo, e os planetas seriam os elétrons girando ao redor do núcleo.

No entanto, surge a pergunta: se carga de sinais iguais se repelem, como poderia o átomo permanecer estável se no núcleo só haviam partículas positivas, denominadas prótons?

Esta pergunta obteve uma resposta satisfatória quando, em 1932, houve a descoberta da terceira partícula subatômica: o nêutron (partícula sem carga elétrica que ficaria no núcleo, isolando os prótons uns dos outros, evitando que houvesse possíveis repulsões e que o núcleo desmoronasse).

Porque uma pequena quantidade de partículas sofreu um desvio muito grande?

O que permitiu a experiência de Rutherford?