FISICAMAIS.COM Física nuclear a descoberta do núcleo

1. A DESCOBERTA DO ELÉTRON AO INTERIOR DO NÚCLEO ATÔMICO, UM
RELATO MODERNO:
A DESCOBERTA DO NÚCLEO POR RUTHERFORD:
Por volta de 1900, já havia um consenso de que os átomos não são
indivisíveis, e sim, formados por partículas carregadas. Também já se
sabia que os tamanhos atômicos são da ordem de 10 -10 m, todavia os
elétrons, comuns a todos os átomos, são muito menores do que isso e
possuem uma massa menor do que a do menor dos átomos. Como eles
se “ ajustam” em átomos maiores? Qual é a carga positiva do átomo?
Onde estão localizadas as cargas dentro dos átomos?
Foi Thompson quem propôs o primeiro modelo atômico. Devido
ao tamanho minúsculo e a beleza do elétron diante do átomo, parece
razoável que se pense que a parte carregada positivamente ocupe
quase todo o restante do átomo. Thompson sugeriu que o átomo
consistisse de uma “nuvem” esférica de carga positiva, com diâmetro
em torno de 10-10m, onde os elétrons negativos menores estariam
incrustados. A carga positiva equilibraria toda a carga negativa e,
portanto, o átomo não possuía carga líquida. A figura 01 mostra porque
o modelo atômico de Thompson tornou-se conhecido como o “modelo
do pudim de ameixas” ou “modelo de bolo de passas”. Antes de
seguirmos em frente vamos voltar um pouco no passado, ou seja, na
descoberta do elétron para que possamos a partir daí entender de
forma mais clara todos os procedimentos que vão o correr no núcleo
atômico.
OS RÁIOS CATÓDICOS:
A invenção do tubo de descarga de gás, por Faraday , teve duas
grandes repercussões. Um conjunto de pesquisas, que vamos abordar
mais adiante, levou ao desenvolvimento da espectroscopia e,

2. conseqüentemente, da física quântica. Outro conjunto de investigações
resultou na descoberta do elétron.
Na década de 1850 houve um grande avanço com o
aprimoramento das bobas a vácuo. Nessa década, o cientista alemão
Jülius Plücker começou a estudar de descargas de gás de Faraday
utilizando gás a baixas pressões. Plücker observou dois aspectos
importantes:
1) À medida que a pressão era reduzida, o brilho colorido do gás
diminuía e o brilho catódico se tornava mais alongado.
2) Se o brilho catódico se estendia até a parte de vidro do tubo, o
vidro emitia um brilho esverdeado no local.
Alguns anos mais tarde, um aluno de Plücker descobriu que,quando
um objeto sólido é colocado dentro do tubo, produz uma sombra na
parede do tubo, como ilustrado na figura. Essa descoberta sugeria que,
de alguma forma, o cátodo emite raios que movem em linhas retas,
mas que são facilmente bloqueados por objetos sólidos. Esses raios
invisíveis, que ao se chocarem com o vidro produzem um efeito
brilhante, foram denominados RAIOS CATÓDICOS. Esse nome ainda é
empregado atualmente para designar o tubo de raios catódicos que
compõe o tubo de imagem de muitos televisores e monitores de
computador. Todavia, dar um nome aos raios nada fez no sentido de
explicá-los Mas afinal, o que eram esses raios?
TUBOS DE CROOKES:
O estudo mais sistemático sobre os raios catódicos foi desenvolvido
durante a década de 1870 pelo cientista inglês Sir Willian Crookes. Ele
desenvolveu um conjunto de tubos de vidro que podia ser utilizado

3. para estudos minuciosos dos raios catódicos. Suas principais inovações
consistiram em alongar o tubo, introduzir um colimador para as
passagens dos raios e obter pressões ainda mais baixas. O resultado
obtido foi um feixe bem definido de raios catódicos que formava um
pequeno ponto brilhante no local onde o raio atingia a extremidade
final do tubo. Atualmente chamamos esta invenção de tubo de Crookes.
O trabalho realizado por Crookes e outros cientistas mostraram que:
1) Existe uma corrente elétrica no tubo quando os raios catódicos
são emitidos.
2) Os raios são emitidos por um campo magnético como se fossem
cargas negativas.
3) Cátodos metálicos produzem raios catódicos. Além disso,as
propriedades dos raios independem das propriedades do qual
é feito o catodo.
4) Os raios podem exercer forças sobre objetos e transferir
energia para eles. Por exemplo, uma folha metálica
fina,colocada no caminho de feixe de raios catódicos, brilha
com uma coloração vermelho escuro.
Os experimentos acabaram em culminarem com mais
perguntas do que respostas, será que os raios catódicos são
formados por algum tipo de partículas? Ou de ondas? Seriam
os próprios raios catódicos os portadores da corrente elétrica
ou alguma outra coisa é emitida toda vez que existe corrente?
Essa última questão merece especial atenção, pois ela sugere
que os raios catódicos talvez sejam uma entidade fundamental,
e não, uma parte do elemento do qual são emitidos. Naquela
época tais questões representaram grande dificuldades,

4. embora hoje elas podem ser respondidas de forma fácil em
alguns livros de qualidade.
Crookes sugeriu que as moléculas do gás colidiam com o
catodo , de alguma forma adquiriam carga negativa( ou
seja,tornavam-se íons negativos) e,então eram rebatidos em
altas velocidades ao serem repelidos pelo cátodo negativo.
Essas moléculas carregadas percorriam linhas retas carregando
consigo energia e momentum, podiam ser desviadas por um
campo magnético e causavam um brilho no tubo, ou
fluorescência, no local em que se chocavam com a parede do
mesmo. A teoria de Crookes previu, é claro, que os íons
negativos também deveriam ser desviados por um campo
elétrico. Crookes tentou demonstrar essa deflexão colocando
eletrodos dentro do tubo de gás e gerando um campo elétrico
em seu interior, mas seus esforços foram inconclusivos. Apesar
de toda a dificuldade, o modelo de Crookes parecia explicar as
observações.
No entanto, Crookes e sua teoria foram atacados
imediatamente. Os críticos observaram que raios catódicos
poderiam percorrer um tubo de 90cm de comprimento em
linha reta sem sofrer desvios perceptíveis. Mas o livre caminho
médio de moléculas, devido às colisões com outras moléculas,
é de apenas 6 mm na pressão usada em um tubo de Crookes.
De modo algum moléculas poderiam percorrer em linhas retas
distâncias 150 vezes do que o seu livre caminho médio! Mais
tarde, descobriu-se que os raios catódicos poderiam até
mesmo atravessar chapas de metal finas ( com ≈2µ de
espessura ),algo que nenhuma partícula do tamanho de um

5. átomo poderia fazer. A teoria de Crookes, embora parecesse
adequada na época em que foi proposta, tornou-se
amplamente inconsistente com observações subseqüentes.
Mas se os raios catódicos não seriam partículas o que seriam
então? Uma teoria alternativa postulava que os raio catódicos
seriam ondas eletromagnéticas. Afinal a luz se propaga em
linha reta, produz sombras, carrega energia e momentum e
pode, sob certas circunstâncias, faz com que certos materiais
brilhem. Já era sabido que materiais, quando aquecidos
também emitem luz ( o que chamamos de incandescência )
logo parecia plausível que os cátodo também emitisse
ondas.Um percurso através do gás não representava problema
algum e, além disso, já se sabia por volta de 1890 que ondas de
rádio podiam atravessar chapas metálicas finas. O grande
problema para a teoria das ondas era quanto aos desvios
sofridos pelos raios catódicos quanto na presença de um
campo magnético. Naquela época,a teoria das ondas
eletromagnéticas eram muito recente e muitas das
características dessas ondas ainda eram desconhecidas. A luz
visível não era desviada por um campo magnético, mas não era
difícil conjecturar que isso pudesse ocorrer com algum outro
tipo de onda eletromagnética. A controvérsia entre partícula e
onda foi intensa. Cientista britânicos, em geral, favoreciam as
partículas, mas seus colegas do continente davam preferência
às ondas.Essas controvérsias fazem parte da ciência, pois
acabam por estimular as mentes mais brilhantes a elaborar
novas idéias e novos experimentos.
JOHN JOSEPH THOMSON ( 1897 ) E A
DESCOBERTA DO ELÉTRON:

6. Depois de Wilhelm Röntgem descobriu os raios X em 1895, um caso
muito interessante pois na verdade quando o cientista descobre o
suposto, raio não sabendo bem de que se tratava, deu a ele um nome
bem apropriado, ou seja, de uma incógnita,X, pois ainda não tinha um
nome a ser dado à nova descoberta,mas por questões diversas esse
nome, ou esta incógnita acabou por batizar o tão famoso raio, o qual
permanece até os dias de hoje. É uma boa história, não acham? Em
seguida o jovem físico inglês J.J. Thomson começou a utilizá-los para
estudar a condução elétrica em gases. Thomson descobriu que os raios
X podiam descarregar um eletroscópio e concluiu que eles talvez
ionizassem as moléculas do ar, tornando-o condutor. Essa simples
observação teve profunda significância. Até aquela época, a única
forma de ionização conhecida era o aparecimento de íons positivos e
negativos em soluções, ( aquosa), onde por exemplo, uma molécula de
NaCl divide-se em dois pedaços menores e carregados ( conhecido até
hoje pelo nome de ELETRÓLISE DA ÁGUA , o fato é que dois átomos
podiam adquirir carga a partir da divisão de uma molécula não alterava
em nada a idéia de que os átomos eram indivisíveis. Após observar que
até mesmo os gases monoatômicos, como o Hélio por exemplo, podiam
ser ionizados por raios X, Thomson percebeu que o átomo
provavelmente possuía constituintes dotados de carga elétrica que
podiam ser separados! Essa constituiu a primeira evidência direta de
que o átomo é uma estrutura complexa, e não uma unidade
fundamental, indivisível da matéria.
Thomson também conduziu experimentos para investigar a natureza
dos raios catódicos . Um de seus principais objetivos foi de comprovar,
de uma vez por todas, que os raios catódicos eram partículas
carregadas. Utilizando tubos de Crookes, outros cientistas já haviam
medido a corrente elétrica correspondente a um feixe de raios
catódicos . Embora a presença dos raios parecesse demonstrar que
tratasse de partículas carregadas, os precursores do modelo

7. ondulatório argumentavam que a corrente poderia ser um evento em
separado e independente que, por acaso, também percorreria a mesma
trajetória em linha reta juntamente com os raios catódicos.
Thomson percebeu que podia usar a deflexão magnética dos raios
catódicos para resolver esse impasse. Construiu um tubo modificado,
como encontra ilustrado na figura, em que o eletrodo coletor foi
posicionado fora do centro de uma das extremidades do tubo. Sem a
presença de um campo magnético, os raios catódicos se chocavam com
o centro, na extremidade do tubo, produzindo um ponto esverdeado no
vidro. Sob essas circunstâncias, não se podia identificar qualquer tipo
de corrente no eletrodo. Thomson, então, colocou o tubo em presença
de um campo magnético com a finalidade de desviar os raios catódicos
para um dos lados do tubo. Determinou a trajetória dos raios
orientando-se pela localização do ponto verde à medida que este se
movia na extremidade do tubo. No exato momento em que o campo
estava com intensidade suficiente para defletir os raios catódicos em
direção ao eletrodo coletor,a corrente era detectada. Utilizando um
campo ainda mais intenso e desviando os raios catódicos
completamente para o outro lado do eletrodo, cessava a corrente.
Esta foi a primeira demonstração conclusiva de que os raios
catódicos são realmente constituídos por partículas carregadas
negativamente. Mas então por que eles não eram desviados por um
campo elétrico ? Os primeiros esforços de Thomson para desviar os
raios catódicos por meio de um campo elétrico apresentaram os
mesmos resultados inconclusivos que outros cientistas já haviam
encontrado. Porém a experiência que já havia feito com ionização de
gases por meio de raios X, logo lhe revelou onde estava a dificuldade.
Thomson se deu conta de que as partículas de raios catódicos,
movendo-se em altas velocidades, provavelmente colidiam com
algumas poucas partículas de gás que restavam no tubo com energia
suficiente para ionizá-las ao dividi-las em partículas carregadas. O

8. campo elétrico gerado por estas cargas,então,neutralizava o campo
produzido pelos eletrodos e, assim, não ocorria desvio.
Felizmente, a tecnologia do vácuo melhorava cada vez mais.
Utilizando as técnicas mais sofisticadas de sua época, Thomson
conseguiu baixar a pressão a um nível tal que a ionização do gás
deixaria de interferir. E então, como esperado, os raios catódicos foram
desviados por um campo elétrico. Pois é este modelo representou uma
vitória decisiva para o modelo de partícula carregada, mas não dava
qualquer indicação da natureza das partículas. O que na verdade
seriam essas partículas?
O experimento de Thomson com campos
cruzados:
Thomson mediu a deflexão de raios catódicos para campos elétricos de
diferentes intensidades. A deflexão magnética depende tanto da razão
carga- massa da partícula, q/m, quanto de sua velocidade. Medir a
razão carga-massa e, assim, aprender um pouco mais sobre as
partículas exige meios para se determinar suas velocidades. Para tal
objetivo ,Thomson desenvolveu um experimento que faz seu nome ser
lembrado até hoje. Thomson construiu um tubo que continha eletrodos
metálicos paralelos, como está ilustrado nas figuras 01A e 01B, e o
posicionou entre os pólos de um imã, tornando os campos magnéticos
e elétricos perpendiculares entre si, produzindo, assim, o que se tornou
conhecido como experimento com campos cruzados.
O campo magnético, sendo perpendicular á velocidade da partícula
carregada V exerce sobre a mesma uma força magnética cujo módulo é
dado por: Fb=qvB
Por si só, o campo magnético tende a fazer com que a partícula
carregada negativamente descreva um longo arco circular ascendente.

9. Ela não chega a descrever um círculo completo porque a velocidade é
grande e o campo magnético é limitado espacialmente. Já sabemos de
estudos anteriores que o raio do arco é dado por: r= mv/Qb
O resultado é um desvio do feixe para cima. Trata-se de um problema
geométrico simples o raio de curvatura r a partir do desvio médio. A
inovação de Thomson foi criar um campo elétrico entre eletrodos de
placas paralelas que exerciam uma força orientada para baixo sobre as
cargas negativas, empurrando-as de volta para o centro do tubo. O
módulo da força elétrica sobre cada partícula é: FE = qE
Thomson ajustou a intensidade do campo elétrico até que o feixe de
raios catódicos, em presença dos campos elétrico e magnético, não
sofresse deflexão e incidisse exatamente no centro do tubo. Observa-se
que nenhum desvio ocorre quando forças elétricas e magnéticas se
equilibram, como mostra a figura 02. Neste caso, os vetores força
apontam em sentidos opostos,e seus módulos são iguais se FB = qvB
= FE = qE
Note que a carga q é cancelada. Ajustando os valores de E e B, uma
partícula carregada atravessará campos mutuamente perpendiculares
sem sofrer deflexão quando sua velocidade tiver módulo igual a : V=
E/B
Equilibrando as forças elétricas e magnéticas, Thomson conseguiu
determinar a velocidade das partículas carregadas do feixe.
Conhecendo V, ele pode aplicar a equação r=mv/qb para determinar a
razão carga-massa: q/m = v/ r B .
Thomson descobriu que a razão carga massa dos raios catódicos é
≈1x1011C/ kg. Isso parece totalmente impreciso em comparação com o
valor atual que é de q/m ≈ 1,76 x 1011C/ Kg, porém temos que levar em

10. consideração as condições precárias em que Thomson desenvolvia seus
experimentos, mas um fato é relevante, antes de Thomson, ninguém
tinha qualquer idéia de qual fosse esse valor.
O ELÉTRON:
Assim chegamos onde queríamos. Quem é a tal partícula de que tanto
Thomson dedicou-se a estudar? O estudo de Thomson tria valido a
pena?
A descoberta da existência do elétron não ocorreu de um dia para o
outro e nem de uma única vez,foi fruto do trabalho de muitos cientistas
empenhados em pesquisas sobre a estrutura da matéria. Essa
descoberta foi um acontecimento que revolucionou tanto a Química
quanto a Física, e foi resultado de inúmeras pesquisas e experimentos
sobre a estrutura e constituição da matéria. Atualmente sabemos que o
elétron é uma partícula que possui carga negativa e que ele pode ser
encontrado nos átomos que constituem toda e qualquer substância,
mas a descoberta dessa partícula é relativamente recente. A sua
descoberta ocorreu no final do século XIX e foi resultado dos trabalhos
desenvolvido pelo físico inglês J.J. Thomson, quando ele se interessou
pela pesquisa da natureza e propriedades de certas radiações, as quais
na época eram conhecidas com a denominação de raios catódicos. No
século XIX, inúmeros físicos e cientistas desenvolveram experiências
sobre a condução de eletricidade através dos gases. Os cientistas
descobriram que os íons responsáveis pela condução de eletricidade
em gases possuíam a mesma carga que os íons responsáveis pela
condução de eletricidade na eletrólise. No ano seguinte ao trabalho de
Pieter Zeeman, Thomson mediu o valor de carga massa q/m para os
chamados raios catódicos e observou que se as cargas das partículas
contidas nesses raios fosse igual à carga mínima e calculada por George

11. Johnstone Stone, a massa dessas partículas seriam apenas uma
pequena fração da massa do átomo de hidrogênio. Na verdade, ele
havia descoberto o ELÉTRON. O tubo de raios catódicos usado por J.J.
Thomson e outros cientistas da época foi o precursor dos tubos de
imagem usados em receptores de TV, osciloscópios, telas de radar e
monitores de computador. Quando a pressão do gás no interior do tubo
é reduzida, o espaço em volta do catodo fica escuro. Quando a pressão
é reduzida ainda mais, a região escura aumenta de tamanho até atingir
a superfície do vidro, que começa a brilhar ao ser excitada pelos raios
catódicos. Quando são instalados colimadores em determinadas regiões
do tudo, a região luminosa se reduz a um ponto na superfície do vidro.
A posição do ponto pode ser controlada por campos elétricos e
magnéticos. Em 1895, J. Perrin conseguiu recolher os raios catódicos em
um eletrômetro e descobriu que eram compostos por partículas de
cargas negativa. A medição direta da relação e/m para os elétrons,
realizada em 1897 por Thomson, pode ser considerado o início de
nosso entendimento da estrutura atômica.
PRIMEIRAS MEDIDAS DE e E DE e/m :
As primeiras estimativas da ordem de grandeza da ordem de das cargas
elétricas associadas aos átomos foram feitas a partir da lei de Faraday.
O trabalho de Michael Faraday ( 1791-1867 ), realizado no início do
século XIX, se destaca até hoje por sua visão, criatividade e
meticulosidade. A história deste filho de ferreiro, autoditada, que,
depois de trabalhar como menino de recados e aprendiz de
encadernador, chegou a diretor do famoso Royal Institute of London e
se tornou um dos cientistas mais prestigiosos da época, é fascinante.
Um dos seu campos de estudos foi a condução de eletricidade em
líquidos. Os resultados que obteve ea subseqüente formulação da lei
da eletrólise ( 1833 ) contribuíram diretamente para a descoberta da

12. natureza elétrica das forças atômicas. O fenômeno continua a ser
estudado até hoje, pois constitui a base de toda eletroquímica.
Em seus experimentos, Faraday fez passar uma corrente contínua
por soluções fracamente condutoras e observou a deposição dos
componentes da solução nos eletrodos. Estudando quantitativamente o
fenômeno, Faraday descobriu que a mesma quantidade de eletricidade,
F, denominada faraday e igual a aproximadamente 96500 C, sempre
decompõe 1 átomo grama de um íon monovalente. Assim, por
exemplo, se 96500 C atravessam uma solução de NaCl, aparecem 23g
de Na no catodo e 35,5g de Cl no anodo. No caso de íons de valência 2 ,
como o Cu e o SO4 são necessários 2 faradays para decompor um
átomo-grama.Como 1 átomo-grama é a massa que contém um número
de átomos igual igual ao número de Avogadro Na, é razoável supor que
todos os íons monovalentes contenham a mesma carga, e, e que F=
Nae. Esta equação é denominada lei de Faraday para a eletrólise.
Como o faraday poderia ser medido com boa precisão, seria possível
calcular o valor de NA, ou de e,contando que a outra grandeza fosse
conhecida. Faraday sabia disso, mas não foi capaz de medir nenhuma
das duas grandezas. Mesmo assim, parecia lógico que a carga elétrica,
como a matéria não fosse contínua e sim formada por partículas com
certa carga mínimas.
Autoria: Guilherme Melgaço
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Orientador: Flávio Resende