Mãoses, Faca, Barbante ou Nada

Entender porquê o mundo é feito de átomos parece muito com tentar adivinhar o que há no bolso de uma pessoa dentro de uma caverna escura. É uma charada no escuro com a Natureza, você tem algumas dicas sutis do que pode ser, mas sem poder ver o mundo atômico parece que só nos resta imaginar o que pode ser.

Felizmente a natureza tem bolsos maiores que o velho Bilbo, o que nos dá outras opções além das que teve o pobre Sméagol. Algumas semanas atrás expliquei como conhecemos os elétrons do átomo. Hoje vou cumprir a outra parte do prometido e explicar como sabemos que o núcleo é muito menor que o átomo em si. Para isso vamos relembrar como funciona o método de investigação mais premiado da física nuclear.

Suponha que eu coloque um objeto qualquer no meu bolso e que você tem que adivinhar o que é. Mas o meu “bolso” é bem grande, do tamanho de uma sala. Está escuro no bolso, então você não pode ver o objeto e nem deixo você tocá-lo. O que fazer? Que tal começar a jogar várias bolinhas na direção do objeto? Você começa na esquerda jogando bolas reto e vai indo para a direita. Enquanto as bolas passarem reto você sabe que não atingiu o objeto, até elas começarem a desviar e conforme você continua para a direita eventualmente o objeto acaba e assim dá pra ter uma idéia do tamanho da coisa. Já é um primeiro passo. Depois você pode olhar de que modo as bolinhas desviam o caminho conforme batem no objeto. Se eu colocar uma bola de bilhar ela deve desviar em vários ângulos igualmente, agora se for uma caixa quadrada a maior parte das bolinhas volta direto pra você, exceto as que batem na quina e devem ir para longe de você. Se você for paciente e fizer isso muitas vezes dá pra tirar bastante informações do objeto e pode assim adivinhar o que ele é.

O experimento de espalhamento. Arremesando um objeto conhecido na direção de algo que se quer entender podemos estudar o objeto desconhecido observando o padrão de espalhamento do que é arremessado.

Ok, então temos um método para entender alguma coisa que não podemos ver diretamente. No início do século XX as pessoas já sabiam que os átomos continham elétrons, mas ninguém sabia exatamente como era sua estrutura. Para investigar isso Ernest Rutherford, junto com Hans Geiger e Ernest Marsden, usaram o procedimento descrito acima. Para separar os átomos eles fizeram uma folha de ouro o mais fina possível e fizeram um “canhão” de radiação alfa proveniente do decaimento do radônio. Então bastava atirar a radiação na folha de ouro e medir como ela era espalhada pela mesma.

O experimento de Geiger-Marsden. Radiação alfa é emitida na direção de uma folha de ouro e placas de material que brilha quando atingido pela radiação são espalhados em volta para medir em que direções são espalhadas as partículas radioativas

Até o experimento a idéia mais aceita era de que o átomo era uma grande esfera carregada positivamente com os elétrons distribuídos em seu interior. Se fosse assim as partículas alfa deveriam passar pelos átomos quase sem serem perturbadas porque mesmo ela sendo carregada eletricamente o átomo em geral é neutro e só desviaria a radiação quando essa chegasse muito perto de um elétron. No entanto ao fazer o experimento Rutherford observou que, embora a maior parte da radiação fosse pouco desviada, eventualmente as partículas alfa mudavam drasticamente de direção, e uma parte considerável era arremessada para trás na direção do feixe incidente.

Acima: o átomo na concepção do século XIX. Abaixo: O modelo proposto por Rutherford para explicar o resultado do experimento.

A explicação mais razoável para Rutherford era então de que o átomo não era homogêneo, mas sim que os elétrons orbitavam um caroço duro carregado positivamente, o núcleo. Se o núcleo fosse muito menor que a dimensão do átomo então a maior parte da radiação passava diretamente pelo átomo, mas aquela que se aproximasse muito do núcleo era arremesada em direções muito diferentes, assim como bolas de bilhar podem mudar a direção durante colisões. O fato de que uma parte da radiação voltava para o feixe mostrava que a massa do núcleo deveria ser responsável por quase a totalidade da massa atômica.

Assim podemos entender porque o atomo é feito de um núcleo massivo e elétrons a sua volta. Essa técnica de descobrir o que a natureza “guarda nos bolsos” tacando coisas e vendo como elas saem do objeto desconhecido é usado até hoje, em particular nos aceleradores de partículas e uma pequena variação disso nos permitiu achar o Bóson de Higgs esse ano.

Anúncios