Modelo atómico de Rutherford

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Modelo de um átomo de Rutherford.

O modelo atómico de Rutherford é um modelo atómico ou teoria sobre a estrutura interna do átomo proposto pelo químico e físico britânico-neozelandés Ernest Rutherford para explicar os resultados de seu "experimento da lâmina de ouro", realizado em 1911.

Introdução

Dantes da proposta de Rutherford,os físicos aceitavam que o ónus eléctricos no átomo tinham uma distribuição mais ou menos uniforme. Rutherford tratou de ver como era a dispersión de partículas alfa por parte dos átomos de uma lâmina de ouro muito delgada. Os ângulos deflactados pelas partículas supostamente contribuiriam informação sobre como era a distribuição de ónus nos átomos. Em concreto, era de esperar que se os ónus estavam distribuídos conformemente ao modelo de Thomson a maioria das partículas atravessariam a delgada lâmina sofrendo só ligerísimas deflacciones em sua trajectória aproximadamente recta. Ainda que isto era verdadeiro para a maioria de partículas alfa, um número importante destas sofriam deflexões de cerca de 180º, isto é, praticamente saíam rebotadas em direcção oposta ao incidente.

Rutherford apreciou que esta fracção de partículas rebotadas em direcção oposta podia ser explicada se se assumia que existiam fortes concentrações de ónus positivas no átomo. A mecânica newtoniana em conjunción com a lei de Coulomb prediz que o ângulo de deflexão de uma partícula alfa relativamente ligeira, por parte de um átomo de ouro mais pesado depende do parámetro de impacto ou distância à que a partícula alfa passava do núcleo:^[1]

(1) $\chi = 2\pi - 2\cos^{-1} \left( \frac{2K/(E_0b)}{\sqrt{1+2K/(E_0b)^2}} \right)$

Onde:

$K = (q_N/4\pi\varepsilon_0)\,$ , sendo $\varepsilon_0$ a constante dieléctrica do vazio e $q_N\,$ , é o ónus eléctrico do centro dispersor.

$E_0\,$ , é a energia cinética inicial da partícula alfa incidente.

$b\,$ é o parámetro de impacto.

Dado que Rutherford observou uma fracção apreciable de partículas "rebotadas" para as quais o ângulo de deflexão é próximo a χ ≈ π, da relação inversa a (1) que é:

(2) $b = \frac{2K}{E_0}\cot \frac{\chi}{2}$

Deduze-se que o parámetro de impacto deve ser bastante menor que a rádio atómico. Aliás o parámetro de impacto necessário para obter uma fracção apreciable de partículas "rebotadas" serviu para fazer uma estimativa do tamanho do núcleo atómico, que resulta ser umas cem mil vezes mais pequeno que o diâmetro atómico.

Importância do modelo

A importância do modelo de Rutherford não residiu em propor a existência de um núcleo no átomo. Termo que, paradoxalmente, não aparece em seus escritos. O que Rutherford considerou essencial, para explicar os resultados experimentales, foi "uma concentração de ónus" no centro do átomo, já que se não, não podia se explicar que algumas partículas fossem rebotadas em direcção quase oposta ao incidente. Leste foi um passo crucial no entendimento da matéria, já implicava a existência de um núcleo atómico onde se concentrava todo o ónus positivo e mais de 99,9% da massa. As estimativas do núcleo revelavam que o átomo em sua maior parte estava vazio.

Rutherford propôs que os elétrons orbitariam nesse espaço vazio ao redor de um minúsculo núcleo atómico, situado no centro do átomo. Ademais abriam-se vários problemas novos que levariam à descoberta de novos factos e teorias ao tratar dos explicar:

Por um lado propôs-se o problema de como um conjunto de ónus positivas podiam se manter unidas em um volume tão pequeno, facto que levou posteriormente à postulación e descoberta da força nuclear forte, que é uma das quatro interacções fundamentais.
Por outro lado existia outra dificuldade proveniente da electrodinámica clássica que prediz que uma partícula carregada e acelerada, como seria necessário para se manter em órbita, produziria radiación electromagnética, perdendo energia. As leis de Newton, junto com as equações de Maxwell do electromagnetismo aplicadas ao átomo de Rutherford levam a que em um tempo da ordem de s, toda a energia do átomo ter-se-ia radiado, com a consiguiente queda dos elétrons sobre o núcleo.^[2] Trata-se, por tanto de um modelo fisicamente instável, desde o ponto de vista da física clássica.

Segundo Rutherford, as órbitas dos elétrons não estão muito bem definidas e formam uma estrutura complexa ao redor do núcleo, lhe dando um tamanho e forma algo indefinidas. Não obstante, os resultados de seu experimento, permitiram calcular que a rádio do átomo era dez mil vezes maior que o núcleo mesmo, o que faz que tenha um grande espaço vazio no interior dos átomos.

Modelos posteriores

O modelo atómico de Rutherford foi substituído muito cedo pelo de Bohr . Bohr tentou explicar fenomenológicamente que só algumas órbitas dos elétrons são possíveis. O qual daria conta dos espectros de emissão e absorción dos átomos em forma de bandas discretas

O modelo de Bohr "resolvia" o problema proveniente da electrodinámica postulando que singelamente os elétrons não radiaban, facto que foi explicado pela mecânica cuántica segundo a qual a aceleração média do elétron deslocalizado era nula.

Referências

↑ Landau & Lifshitz, pp. 63-65
↑ B.H. Bransden and C.J. Joachain (1992), Physics of Atomos and Molecules. Harlow-Essex-England, Longman Group Limited. 0-582-44401-2