Radioatividade: descobrindo o núcleo, o próton e o nêutron

Autor: 
Craig C. Freudenrich, Ph.D.

Mais ou menos na mesma época em que Thomson fazia experimentos com os raios catódicos, físicos como Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie e Ernest Rutherford estavam estudando a radioatividade. A radioatividade se caracterizava por três tipos de raios emitidos (veja Como funciona a radiação nuclear  para mais detalhes):

  • partículas alfa - com carga positiva e grande massa. Ernest Rutherford demonstrou que essas partículas eram o núcleo de um átomo de hélio;
  • partículas beta - com carga negativa e leves (posteriormente, descobriu-se que eram os elétrons);
  • raios gama - com carga neutra e sem massa (ou seja, energia);

O experimento com radioatividade que mais contribuiu para nosso conhecimento a respeito da estrutura do átomo foi realizado por Rutherford e seus colegas. Rutherford bombardeou uma fina folha de ouro com um feixe de partículas alfa e olhou os feixes em uma tela fluorescente, percebendo o seguinte:

  • a maior parte das partículas passava direto pela folha e atingia a tela;
  • uma pequena parte (0,1%) era desviada ou dispersada para a frente (em ângulos diferentes) da folha, ao passo que outras eram dispersadas para trás da folha;

Rutherford concluiu que os átomos de ouro eram, em sua maior parte, espaço vazio, o que permitia que a maioria das partículas alfa passasse por eles. No entanto, uma pequena região do átomo devia ser densa o bastante para desviar ou dispersar a partícula alfa. Ele chamou essa região densa de núcleo. Era o núcleo que continha a maior parte da massa do átomo. Mais tarde, quando Rutherford bombardeou nitrogênio com partículas alfa, uma partícula com carga positiva e mais leve do que a partícula alfa foi emitida. Ele chamou essas partículas de prótons e percebeu que elas eram uma partícula fundamental do núcleo. Os prótons têm uma massa de 1,673 x 10-24 gramas, cerca de 1.835 vezes mais do que um elétron.

No entanto, os prótons não poderiam ser a única partícula no núcleo, porque o número de prótons em qualquer elemento (determinado pela carga elétrica) era menor que o peso do núcleo. Então, devia existir uma terceira partícula com carga neutra. Foi James Chadwick, físico britânico e colega de trabalho de Rutherford, quem descobriu a terceira partícula subatômica: o nêutron. Ele bombardeou uma folha de berílio com partículas alfa e percebeu que dela saía uma radiação neutra. Essa radiação neutra conseguia, por sua vez, tirar os prótons dos núcleos de outras substâncias. Chadwick concluiu que essa radiação era um fluxo de partículas com carga neutra e mais ou menos a mesma massa do próton. O nêutron tem massa de 1,675 x 10-24 gramas.


Visão de Rutherford acerca do átomo

Agora que as partes do átomo já eram conhecidas, como elas se organizavam para criar um átomo? O experimento de Rutherford com a folha de ouro indicou que o núcleo estava no centro do átomo e que o átomo consistia, em sua maior parte, de espaço vazio. Então, ele previu o átomo como o núcleo de carga positiva no centro, com elétrons de carga negativa circulando ao redor dele, assim como um planeta e suas luas. Embora ele não tivesse evidências de que os elétrons circulassem em torno do núcleo, seu modelo parecia razoável, mas apresentava um problema. Conforme os elétrons se movessem em círculos, eles acabariam perdendo energia e emitindo luz. A perda de energia diminuiria a velocidade dos elétrons. Assim como com qualquer satélite, esses elétrons com velocidade decrescente acabariam caindo no núcleo. Na verdade, calculou-se que um átomo de Rutherford duraria apenas bilionésimos de segundos antes de deixar de existir. Faltava alguma coisa.