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Rutherford, o desbravador do átomo

Um dos modelos atômicos aceitos pela Física moderna representa átomo como um núcleo central rodeado por elétrons de carga negativa. Essa teoria resultou da série de experiências iniciadas por Ernest Rutherford em 1910.


Fonte da imagem: Wikipedia/Detalhes da permissão PD-US "No known restrictions on publication."


Rutherford nasceu em Nelson, Nova Zelândia, a 30 de agosto de 1871. Cresceu e fez os primeiros estudos em sua cidade natal, em seguida frequentou a universidade de Wellington, onde em 1893 se graduou matemática e física. No ano seguinte, ganhou por concurso urna bolsa de estudos que o levou a Universidade de Cambridge, na Inglaterra.


Em Cambridge, Rutherford trabalhou no Laboratório Cavendish sob a orientação de Joseph J Thomson (1865-1940), o físico descobridor do elétron. Assim realizou pesquisa sobre o movimento de partículas eletricamente carregadas: os íons. Interessou-se especialmente pelas radiações emitidas pelo elemento rádio, então recém descoberto por Maria e Pierre Curie.


Em 1899, já na Universidade McGill de Montreal, Canadá, pesquisando o urânio, constatou que um tipo de radiação emitido por esse elemento era facilmente bloqueado por urna folha fina de metal. Deu-lhe o nome de raios Alfa, embora ainda desconhecesse sua natureza. Outra forma de radiação, mais penetrante e bloqueada com espessuras bem maiores de matéria, foi denominada como raios Beta.  Tais descobertas foram importantes para o futuro trabalho de Rutherford em McGill juntamente com seu colega Frederick Soddy. Ambos estabeleceram as bases da teoria da radiatividade. Um relato pormenorizado de suas pesquisas conclusões encontra-se no livro de Rutherford intitulado, "Substâncias Radiativas e Suas Radiações".


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Nobel para Rutherford


Deixando o Canadá em 1907, Rutherford foi trabalhar em Manchester, Inglaterra. Descobriu então que os raios alfa consistiam em um fluxo de átomos de hélio carregados positivamente, ou seja, átomos de hélio sem seus elétrons. Esta descoberta foi feita recolhendo o gás resultante da passagem de partículas radiativas através das paredes de urna câmara de vácuo, e demonstrando por processos espectroscópicos que o gás era hélio. Isto valeu a Rutherford o Prêmio Nobel de Química em 1908.


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O mosquito na catedral


Os cientistas do século XIX consideravam os átomos como pequenas esferas mais ou menos rígidas, indivisíveis indestrutíveis. Entretanto, em 1887, .depois de 20 anos de trabalho, J.J Thomson sugeriu que os elétrons aos quais chamava "corpúsculos" eram um constituinte universal da matéria. Apresentou então as primeiras ideias relativas à estrutura interna dos átomos, indicando que eles deveriam ser constituídos de cargas elétricas positivas e negativas distribuídas uniformemente.


O problema que Rutherford e seu assistente Geiger levantaram por volta de foi o seguinte: o átomo real se assemelharia ao modelo proposto por Thomson? Rutherford e Geiger colocaram uma folha de ouro, bastante fina, "interceptando" um feixe de partículas alfa com energia suficiente para penetrar através da folha e que era proveniente da desintegração espontânea de elementos radiativos naturais.


Observou-se que algumas partículas ficavam totalmente bloqueadas, outras não eram afetadas, mas a maioria ultrapassava a folha sofrendo desvios. Os desvios relativamente grandes sofridos por umas poucas partículas só podiam ser explicados graças às forças de repulsão elétrica entre essas partículas (sabidamente positivas) e determinada parte (também positiva) dos átomos constituintes da folha. Pelas observações de Rutherford, essa parte volume concentrava.se em um pequeníssimo no central carregado positivamente no interior do átomo. Como este deve eletricamente neutro, deveriam existir cargas negativas (os elétrons de Thomson) girando ao redor desse centro, onde se concentravam uma grande massa e um intenso campo elétrico. O próprio Rutherford o denominou "nucleus" em 1911, e o comparou a "um mosquito numa catedral".


Concluiu assim que a matéria da folha metálica, e sem duvida toda e qualquer teria, e bastante rarefeita, constituída quase que toda de espaços vazios, sendo o diâmetro do núcleo 10 mil vezes menor que o do átomo inteiro. Tal é o modelo do átomo nucleado, proposto por Rutherford, e que em linhas gerais vale até hoje.


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Mil quilômetros por segundo


Rutherford inspirou toda a moderna teoria atômica, ao afirmar que o átomo era nucleado e sua parte positiva se concentrava num volume extremamente pequenos que seria o próprio núcleo. Os elétrons seriam extranucleares. O modelo de Rutherford corresponde a um sistema planetário em miniatura, no qual os elétrons - esses microssatélites - se movem em órbitas circulares ou elípticas ao redor do micro-sol nuclear. Pelas leis clássicas do eletromagnetismo seria impossível pensa-los em repouso. Tal modelo seria, assim, um átomo eminentemente dinâmico, com os elétrons girando em redor do núcleo, movimentando-se em sua órbita sob a ação das forças elétricas. Quando em 1912 o físico dinamarquês Niels Böhr foi trabalhar na Universidade de Manchester, partiu dessas conclusões para aplicar a elas a teoria quântica, que solucionou o impasse do modelo de Rutherford. Segundo Böhr, os elétrons dos átomos poderiam mover-se em certas órbitas estáveis, sem emitirem radiações, com velocidades que podem superar facilmente mil quilômetros por segundo.


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O perfil humano


Durante a I Guerra Mundial já famosa, Rutherford deixou certa feita de comparecer a uma reunião de um comitê britânico de especialistas, convocado para estudar novos sistemas de defesa contra os submarinos alemães. Advertido por um colega, respondeu sem embaraço: "Fale baixinho, por favor. Eu estou realizando experiências que sugerem que o átomo pode ser desintegrado artificialmente. Se isto for verdadeiro, é de importância muito maior que urna guerra."


Em junho de 1919, enquanto em Versa-lhes se realizava a Conferência da Paz, no "Philosophical Magazine" saiam publicados os primeiros estudos sobre a desintegração nuclear. Na guerra, Rutherford perdeu um de seus colaboradores mais brilhantes, Moseley, que morreu nos Dardanelos em 1915. Moseley estabelecera de uma forma clara o conceito de número atômico. Outro prejuízo sofrido pela ciência, naquela guerra, foi o confisco da fonte de rádio, emprestada pelo Instituto de Radio de Viena - 250 miligramas - a Rutherford. Foi confiscada como "propriedade inimiga" interrompendo importantes pesquisas.


Mais tarde, depois da guerra, Rutherford preocupado com a situação de seus colegas austríacos do Instituto de Rádio de Viena, conseguiu levantar a soma para pagar a fonte de rádio, numa época na qual a Áustria atravessava violenta inflação, permitindo assim a continuação das pesquisas de seus colegas de outro pais. Mais urna vez, ficou demonstrado que a ciência não tem fronteira.


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A influência de Rutherford


Poucos cientistas no mundo chegaram a ter tanta influência no desenvolvimento da ciência corno Rutherford. Um de seus, vens colaboradores, Atkinson, trabalhou mais tarde com Houtermans na descoberta do processo de produção de energia do Sol pela reação termonuclear. Chadwik, trabalhando no mesmo e famoso Laboratório Cavendish em Cambridge, descobriu o nêutron. Aston construiu e aperfeiçoou o espectrógrafo de massa, abrindo campo para descoberta de novos isótopos. Shimizu construiu uma nova "câmara de neblina", um' aperfeiçoamento da câmara de Wilson, que fotografava  autodidaticamente o caminho das partículas.


Piotr Kapitza, que mais tarde se tornou nome importante na URSS, inclusive como um dos responsáveis pelo lançamento do "Sputnik",  foi um dos colaboradores mais íntimos de Rutherford: trabalhou com ele de 1921 até 1934.


Em 1933, quando da inauguração de seu novo laboratório, Kapitza usou como emblema., na porta. de entrada, uma figura de crocodilo. E explicou: "O crocodilo é a ciência. O crocodilo não pode olhar para trás. Como a ciência, deve ir sempre para a frente com sua queixada." Por ocasião da transferência de Kapitza para a união Soviética, Rutherford demonstrou novamente sua imensa fé na internacionalização da ciência, ao conseguir  a transferência de seu gigantesco laboratório de alta voltagem da Inglaterra, para a URSS, por achar que ninguém melhor que Kapitza saberia utilizá-lo no progresso da pesquisa.


Rutherford, nessa época, era alvo de muitas honrarias. Em 1931 foi agraciado como o título de Lord. Morreu em Cambridge, no dia 19 de outubro de 1937.


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A primeira reação nuclear


A primeira reação nuclear foi obtida por Rutherford usando corno projéteis partículas alfa emitidas pelo Radium C, que é um isótopo do bismuto de número de massa 214 (Bi 214). Como detector era utilizado um cristal de sulfureto de zinco (ZnS). O aparelho era extremamente simples, permitindo o estudo de qualquer corpo gasoso com facilidade. Uma das particularidades do detector usado, o sulfureto de zinco era sua capacidade de emitir luz quando atingido por radiação: uma cintilação extremamente fraca, que necessitava de microscópio para se tornar visível. A medida era feita em uma sala completamente escura.


A fonte de Bi 214 emitia partículas alfa em todas as direções com urna energia extremamente elevada. Era sabido que à medida que a partícula atravessava qualquer matéria -~ gás, líquido ou metal ia perdendo energia até parar completamente. Naturalmente, o percurso total dependia do material e da energia da partícula alfa (em um metal, o percurso é sempre muito menor que em um gás; no alumínio é maior do que na prata, etc.). Rutherford observou que para certas substâncias não havia cintilações. Ao mesmo tempo, a experiência efetuada com ar acusava cintilações, indicando a chegada de partículas ao detector; isto permitia concluir que o que chegava ao detector, nestas circunstâncias, eram prótons (núcleos do hidrogênio). Estes tinham capacidade de atravessar urna maior espessura de matéria que as partículas alfa, e as características do fenômeno indicavam que se tratava de prótons.


Rutherford estava em face de algo surpreendente. De onde vinham os prótons? Foram feitas medidas cuidadosas, primeiro excluindo a possibilidade de existência do hidrogênio no ar usado; depois, substituindo o ar (79% de hidrogênio) por nitrogénio puro e verificando um aumento de pouco mais que 20% nas contagens. Não havia dúvida, o nitrogênio era o responsável pelas partículas que atingiam O detector. Foi também exaustivamente positivado que as partículas que atingiam O detector eram prótons, e não partículas de características semelhantes. Agora não havia mais dúvidas.


Inicialmente, havia nitrogênio na câmara e eram lançadas sobre o nitrogénio partículas alfa como projéteis. No choque entre partículas alfa e os, núcleos de nitrogênio apareciam prótons! Rutherford, na ocasião da realização desta experiência, acreditou ter chegado à desintegração do núcleo do nitrogênio.


Mais tarde, Blackett e Chadwick assistentes de Rutherford, usando urna câmara de Wilson cheia de nitrogênio na qual as partículas deixavam traços visíveis cones. pendentes ao caminho percorrido encontraram a solução correta. Foram tiradas e analisadas 23 uni fotografias. Apenas oito referiam-se ao fenômeno. Em cada uma delas foram encontrados três traços, todos diferentes: um grosso, correspondente a uma partícula pesada; um médio, correspondente à partícula ALFA ; e um fino, devido ao próton. Chegava-se assim ao conhecimento exato do fenómeno: o que Rutherford tinha obtido era urna reação nuclear. Uma partícula ALFA (núcleo do hélio), colidindo com o nitrogênio, dava origem a um núcleo mais pesado e a um próton.


O mesmo homem que havia estabelecido a natureza do núcleo com suas experiências encontrou também o meio de modificá-lo. Depois complexas máquinas nucleares entravaram ação, desbravando a natureza na senda aberta por Lord Rutherford.

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