Qual a grande contribuição que Rutherford deixou para explicar seu modelo atômico?

Marie Curie, Ernest Rutherford, Niels Bohr e o brasileiro Cesar Lattes também foram fundamentaris para compreender o funcionamento dos átomos

Filósofos da Grécia antiga admitiam que a matéria é formada por minúsculas partículas indivisíveis, uniformes, duras, sólidas e eternas. Demócrito, filósofo grego que viveu no século 5 a.C., chamou essas diminutas partículas de átomos – que, em grego, significa indivisível.

Essa concepção foi mudada em 1897, quando o físico inglês Joseph John Thomson anunciou a descoberta de uma partícula que habita o interior do átomo, o elétron. Com essa descoberta, Thomson mudou mais de dois mil anos de história, e mostrou que o átomo podia ser dividido. A palavra átomo, apesar de ser usada até hoje, se tornou uma contradição: o átomo era divisível! Faltava propor agora um modelo para explicar como os elétrons se distribuíam dentro do átomo. Em 1903, Thomson idealizou um modelo para a estrutura atômica que se assemelhava a um ‘pudim com ameixas’. Nele, os elétrons estariam distribuídos em uma massa uniforme de carga positiva, como ameixas dentro de um pudim.

Desde 1896, o casal Pierre e Marie Curie vinha estudando a radiação emitida pelos sais de urânio, descoberta pelo físico francês Henri Becquerel. Esse fenômeno mais tarde ganhou o nome de radioatividade.

Após vários anos de trabalho constante, através da concentração de várias classes de um mineral chamado pechblenda, que emitia mais radiação que o urânio, o casal Curie isolou dois novos elementos químicos. O primeiro foi nomeado polônio, em referência ao país natal de Marie, e o outro foi chamado rádio. Os termos radioativo e radioatividade foram inventados pelo casal para caracterizar a energia liberada espontaneamente por este novo elemento químico.

Marie, Pierre e Henri Becquerel receberam o Prêmio Nobel de Física de 1903, "em reconhecimento pelos extraordinários serviços obtidos em suas investigações conjuntas sobre os fenômenos da radiação". Marie foi a primeira mulher a receber o prêmio.

Nenhum dos cientistas envolvidos nas pesquisas de radioatividade naquela época podia imaginar a energia que um átomo contém em seu núcleo. Na verdade, eles nem sabiam que o átomo possui um núcleo. Somente em 1911, com as pesquisas do físico inglês, de origem neozelandesa, Ernest Rutherford, a humanidade veio saber da existência de um núcleo positivo e minúsculo no átomo, onde se concentrava praticamente toda a massa.

Nesse ano, Ernest Rutherford trabalhava na Universidade de Manchester, Inglaterra, e, com dois assistentes, fez uma experiência muito importante, que veio alterar e melhorar profundamente a visão do modelo atômico. Resumidamente, a experiência consistiu no seguinte: um material radioativo emitia partículas alfa (positivas) que atravessavam uma lâmina finíssima de ouro. Rutherford observou que a maioria das partículas alfa atravessava a lâmina de ouro como se fosse uma peneira; apenas algumas partículas desviavam ou até mesmo retrocediam.

Rutherford descobriu que a lâmina de ouro não era constituída por átomos maciços e justapostos, como pensava Thomson. Pelo contrário, a lâmina seria formada por núcleos pequenos, densos e eletricamente positivos, dispersos em grandes espaços vazios.

Os grandes espaços vazios explicariam por que a maioria das partículas alfa não sofre desvios. Entretanto, lembrando que as partículas alfa são positivas, é fácil entender que, no caso de uma partícula alfa passar próximo de um núcleo (também positivo), ela seria fortemente desviada; e no caso extremo de uma partícula alfa "bater" em um núcleo, ela seria repelida para trás. Isso acontece porque cargas elétricas iguais se repelem.

Mas, se o ouro apresenta núcleos positivos, como explicar o fato de a lâmina de ouro ser eletricamente neutra?

Rutherford imaginou, então, que ao redor do núcleo positivo giravam partículas muito menores (que não atrapalham a passagem das partículas alfa), com carga elétrica negativa (para contrabalançar a carga positiva do núcleo) – os elétrons. No novo modelo atômico proposto por Rutherford, o átomo seria semelhante ao sistema solar: o núcleo representaria o Sol e os elétrons seriam os planetas, girando em órbitas circulares.

Quase toda a massa do átomo (aproximadamente 99%) estava concentrada no núcleo. Se o núcleo fosse do tamanho da cabeça de um palito de fósforo, o átomo teria o tamanho do estádio do Maracanã. Rutherford chegou a se mostrar surpreso com sua descoberta e resumiu seu espanto na frase: “O átomo é um grande vazio!”

O modelo do átomo proposto por Rutherford apresentava alguns problemas. Os físicos da época sabiam que, ao girar em torno do núcleo, os elétrons emitem um tipo de luz chamado luz síncrotron. A cada emissão, haveria perda de energia e a órbita do elétron se reduziria. Isso ocorreria até os elétrons ficarem próximos do núcleo e acabarem sendo engolidos por ele, o que causaria a implosão do próprio átomo. O que estava errado então no modelo de Rutherford? Afinal de contas, os cientistas sabiam que isso, na prática, não acontecia. Como resolver esse problema?

Na primavera de 1912, o jovem físico dinamarquês Niels Bohr passou a trabalhar no Laboratório de Rutherford, em Manchester, dedicando-se ao estudo do núcleo atômico. O dois ficaram muito próximos e partilhavam uma paixão: o futebol. No entanto, acabaram se desentendendo em função das críticas de Bohr ao modelo atômico de seu chefe. No ano seguinte, ao voltar à Dinamarca, Bohr procurou resolver o problema do modelo de Rutherford usando a Teoria Quântica, relativamente nova, já que havia sido fundada em 1900. Foi quando o físico alemão Max Planck acabou tendo que postular que, na natureza, a energia é gerada e absorvida em pacotinhos e não de modo contínuo. Esses pacotinhos ganharam o nome de quantum. Bohr achava que seria possível criar um novo modelo atômico capaz de explicar a forma como os eletróns absorvem e emitem energia radiante. Em 1913, estudando o átomo de hidrogênio, ele conseguiu formular um novo modelo atômico.

Bohr concluiu que os elétrons do átomo não emitiam radiações enquanto permanecessem na mesma órbita. A emissão de luz só acontecia quando os elétrons se deslocavam de um nível de maior energia (órbita mais distante do núcleo) para outro de menor energia (órbita menos distante).

A Teoria Quântica permitiu-lhe formular essa concepção de modo mais preciso: as órbitas não se localizariam a quaisquer distâncias do núcleo, pelo contrário, apenas algumas órbitas seriam possíveis, cada uma delas correspondendo a um nível bem definido de energia do elétron. A transição de uma órbita para a outra seria feita por saltos, pois, ao absorver energia, o eletrón saltaria para uma órbita mais externa e, ao emiti-la, voltaria para sua órbita original.

A teoria de Bohr representou um passo decisivo no conhecimento do átomo. Pela primeira vez, a Teoria Quântica estava sendo aplicada ao átomo. A publicação de sua teoria sobre a constituição do átomo teve uma enorme repercussão no mundo científico. Com apenas 28 anos de idade, Bohr se tornou um físico famoso e tinha uma brilhante carreira. De 1914 a 1916 foi professor de física teórica na Universidade de Manchester. Mais tarde, voltou para Copenhague, onde foi nomeado diretor do Instituto de Física Teórica em 1920. Em 1922, a sua contribuição foi internacionalmente reconhecida quando recebeu o Prêmio Nobel de Física.

O descobrimento do nêutron, em 1932, pelo físico britânico James, assistente de Rutherford, serviu para desvendar completamente a composição dos átomos. Por um momento, o universo em sua totalidade tornou-se muito simples: todas as substâncias constituíam-se unicamente de três partículas elementares: prótons e nêutrons no núcleo e, fora dele, elétrons. Só bem mais tarde, se saberia que tanto prótons quanto nêutrons são formados por partículas ainda menores: os quarks. Ainda na década de 1930, outras partículas começaram a ser descobertas: o pósitron, a primeira partícula de antimatéria; e o múon, que, por uma década, foi confundido com outra partícula; o píon, responsável por manter “colados” prótons e nêutrons no núcleo atômico.

A confusão entre essas duas partículas foi desfeita apenas em 1947, na Inglaterra, em um experimento que teve a participação determinante do, então jovem, físico brasileiro Cesar Lattes.

Na década de 1940 e na seguinte, um sem-número de novas partículas foram descobertas. Hoje, pouco mais de um século depois de Thomson ter mostrado que o átomo era divisível, a física conhece mais de uma centena de partículas.

Em 1959, uma palestra visionária antecipava a capacidade do ser humano de mexer no próprio átomo. O físico norte-americano Richard Feynman disse em dezembro daquele ano para seus colegas descrentes da Sociedade Americana de Física: “Não tenho receio de considerar como questão final se, no futuro distante, nós pudermos arranjar os átomos da maneira que quisermos.”

Feynman falou em mexer átomos num tempo em que ninguém sequer tinha visto um deles. Trinta anos depois, o sonho do físico ganhou forma com o nascimento da nanotecnologia, assim chamada porque seus objetos de estudo costumam ser medidos em nanômetros (1 milhão de vezes menor que 1 milímetro). Considerada a semente da nanotecnologia, aquela palestra soa hoje como profecia.

“O que aconteceria se pudéssemos mover átomos?”, perguntou Feynman à plateia. Hoje, os cientistas que os manipulam são capazes de responder imaginando o futuro: podem-se construir supercomputadores que caibam no bolso, gravar bibliotecas inteiras em superfícies de centímetros quadrados, colocar microssondas para fazer testes sanguíneos dentro do corpo.

A nanotecnologia só existe hoje como prática porque, há quase 60 anos, os cientistas que estudavam a matéria derrubaram sólidos conceitos da física clássica, criaram e desenvolveram a física quântica.

A clássica imagem do átomo como um núcleo de prótons e nêutrons, e os elétrons girando em torno dele também foi por água abaixo. O aspecto mais importante da física quântica para os nanocientistas é a descoberta de que os elétrons às vezes andam por onde não deveriam. Normalmente, os elétrons param de se mover quando não têm energia para transpor uma barreira à sua frente. Para a física quântica, no entanto, há determinadas circunstâncias em que os elétrons encontram uma barreira tão fina que há probabilidade de que eles simplesmente a ignorem e sigam em frente: é o chamado efeito de tunelamento ou efeito túnel.

O efeito túnel é mais ou menos assim: o elétron tenta por diversas vezes e até conseguir atravessar uma barreira. O efeito túnel foi confirmado em 1981 graças à construção de um aparelho capaz de enxergar átomos – o microscópio de tunelamento. Ele também permitiu a manipulação dos átomos, como Feynman havia previsto.

Quais as contribuições de Rutherford para o modelo atômico?

Qual a maior contribuição do modelo atómico de Rutherford?

Qual foi a importante contribuição que o modelo atómico de Rutherford trouxe para a Ciência?

Qual a principal contribuição de Rutherford para o modelo atômico e qual foi sua limitação na época?