Modelo atômico de Rutherford

O modelo atômico de Rutherford, proposto em 1911, descreve o átomo como um sistema solar, com um núcleo carregado positivamente e elétrons orbitando ao redor dele.

O modelo atômico de Rutherford trouxe a compreensão do núcleo atômico e da disposição dos elétrons em torno desse núcleo.

O modelo atômico de Rutherford é assim chamado devido ao seu desenvolvedor, Ernest Rutherford, o qual em 1909, com a participação de outros dois cientistas, Hans Geiger e Ernest Marsden, realizou um experimento que ficou conhecido como “espalhamento de partículas alfa”. Esse experimento foi crucial para a compreensão da estrutura atômica e levou Rutherford à formulação do modelo nuclear do átomo. Nesse sentido, a proposta dele revelou a existência do núcleo atômico e influenciou profundamente o desenvolvimento da Física moderna.

Resumo sobre modelo atômico de Rutherford

O modelo atômico de Rutherford foi proposto por Ernest Rutherford em 1911.
Ele descreve o átomo como um núcleo central pequeno e denso.
O núcleo é composto por prótons e nêutrons.
Elétrons orbitam ao redor do núcleo em órbitas definidas.
O modelo atômico de Rutherford é comparado a um sistema solar em miniatura.
É baseado no experimento de espalhamento de partículas alfa.
Revelou a estrutura interna do átomo.
Contribuiu para o desenvolvimento de modelos atômicos posteriores.
Outros modelos atômicos são: modelo atômico de Dalton (bola de bilhar), modelo atômico de Thomson (pudim de passas), modelo atômico de Bohr, modelo atômico de Schrödinger (quântico).

Videoaula sobre modelo atômico de Rutherford

O que diz a teoria atômica de Rutherford?

Rutherford propôs que o átomo possui uma estrutura semelhante a um sistema solar em miniatura, isto é, com um núcleo central positivamente carregado e elétrons orbitando ao redor dele, assim como os planetas ao redor do sol. Sendo assim, esse modelo descreve que o núcleo é a parte central e mais densa do átomo, onde reside a maior parte de sua massa e toda a carga positiva.

Experimento de Rutherford

Para chegar a essa teoria, Rutherford conduziu o famoso experimento em que bombardeou uma fina folha de ouro com partículas alfa (α). Para isso, o experimento foi realizado em uma câmara de vácuo contendo uma fonte de partículas alfa, que são núcleos de hélio com carga positiva, emitidas por um material radioativo (como o polônio). Ao mesmo tempo, uma fina folha de ouro foi colocada no centro da câmara.

Diante disso, ele observou que a maioria das partículas alfa passava diretamente pela folha, mas algumas eram desviadas em grandes ângulos ou até mesmo refletidas de volta, conforme pode ser visto na imagem a seguir:

O resultado do experimento foi revolucionário e levou ao desenvolvimento do modelo nuclear do átomo.

Portanto, Rutherford concluiu que o átomo possui um núcleo central muito pequeno e denso e que a maior parte do átomo é composta por espaço vazio, com os elétrons ocupando uma região relativamente grande em comparação com o tamanho do núcleo.

→ Qual foi o objetivo do experimento de Rutherford?

O objetivo do experimento era investigar a estrutura interna do átomo, especialmente a distribuição da carga positiva. Sendo assim, com base no modelo atômico aceito na época, o "modelo do pudim de passas" de Thomson, esperava-se que as partículas alfa passassem sem desviar significativamente ao atravessar a folha de ouro, uma vez que a carga positiva seria uniformemente distribuída.

Veja também: O que diz a teoria atômica de Dalton?

Características do modelo atômico de Rutherford

O modelo atômico de Rutherford apresenta algumas características bem distintas dos demais modelos antecessores. Nesse contexto, podemos destacar:

a existência de um núcleo;
espaços vazios em torno do núcleo;
a ideia de um modelo planetário.

Conforme pode ser visualizado a seguir:

No modelo de Rutherford, a maior parte do átomo é um campo vazio.

Diante disso, vamos entender um pouco sobre cada uma dessas características:

Núcleo: o átomo é composto por um núcleo extremamente pequeno e denso, onde se concentra quase toda a massa do átomo e toda a carga positiva, ou seja, é onde ficam localizados os prótons e nêutrons.
Espaço vazio: a maior parte do átomo é um espaço vazio, com os elétrons orbitando ao redor do núcleo em órbitas definidas. Em outras palavras, esse espaço representa a maior parte do volume total do átomo.
Modelo planetário: o modelo de Rutherford compara a estrutura do átomo a um sistema solar, com os elétrons orbitando o núcleo central semelhante aos planetas orbitando ao redor do sol.

Falhas no modelo atômico de Rutherford

Embora o modelo atômico de Rutherford tenha sido um avanço significativo na compreensão da estrutura atômica, ele apresentava algumas falhas que foram posteriormente corrigidas por modelos mais refinados. Sendo assim, podemos destacar:

Estabilidade dos elétrons em órbita: pois de acordo com as leis da eletrodinâmica clássica, os elétrons em órbita ao redor do núcleo emitiriam energia continuamente, perdendo velocidade e caindo em espiral em direção ao núcleo.

Isso tornaria os átomos instáveis, fazendo com que colapsassem em uma fração de segundo.

Estrutura espectral do hidrogênio: o modelo de Rutherford não conseguia explicar adequadamente a estrutura espectral do hidrogênio, especialmente as linhas espectrais finas observadas no espectro do hidrogênio.
Distribuição da carga positiva: esse modelo implicava que a carga positiva do átomo estava concentrada em um pequeno núcleo central, o que não explicava como os elétrons podiam permanecer em órbita ao redor do núcleo sem serem atraídos para ele devido à força eletrostática.

Diante disso, para corrigir essas falhas, o modelo atômico de Rutherford foi posteriormente aprimorado pelo modelo de Bohr, que introduziu órbitas quantizadas para os elétrons e postulou que os elétrons só podiam ocupar certas órbitas ao redor do núcleo, evitando assim a emissão contínua de energia e garantindo a estabilidade do átomo.

Qual é a importância do modelo atômico de Rutherford?

O modelo atômico de Rutherford teve grande importância para o desenvolvimento de modelos atômicos mais refinados, como o modelo de Bohr e o modelo atual baseado na mecânica quântica. Em vista disso, esses modelos subsequentes incorporaram as descobertas e correções necessárias para explicar fenômenos que o modelo de Rutherford não conseguia explicar, como a estabilidade dos elétrons em órbita.

Portanto, esse modelo foi um dos primeiros passos para a compreensão da Física Nuclear e da estrutura dos núcleos atômicos, abrindo caminho para estudos mais aprofundados sobre a composição dos átomos, bem como para o desenvolvimento de aplicações práticas, como a energia nuclear.

Saiba mais: Como os elétrons se organizam em torno do núcleo atômico

Outros modelos atômicos

Além do modelo atômico de Rutherford, vários outros modelos foram propostos ao longo do tempo para descrever a estrutura do átomo, sendo eles:

Modelo de Dalton: segundo Dalton, os átomos são as unidades básicas e fundamentais da matéria e não podem ser divididos em partes menores durante uma reação química. Além disso, ele postulou que todos os átomos de determinado elemento são idênticos em massa, tamanho e outras propriedades.
Modelo de Thomson (pudim de passas): proposto por J.J. Thomson em 1904, esse modelo descrevia o átomo como uma esfera de carga positiva com elétrons dispersos uniformemente dentro dela, semelhante a um pudim de passas.
Modelo de Bohr: proposto por Niels Bohr em 1913, esse modelo introduziu a ideia de órbitas quantizadas para os elétrons ao redor do núcleo. Ele postulou que os elétrons só podiam ocupar certas órbitas estáveis, explicando assim as linhas espectrais finas do hidrogênio.
Modelo atômico atual (Schrödinger): desenvolvido na década de 1920 por vários cientistas, incluindo Werner Heisenberg e Erwin Schrödinger, esse modelo descreve o átomo em termos de equações matemáticas da mecânica quântica, em que o átomo como possui um núcleo (prótons e nêutrons) e os elétrons são como ondas de probabilidade ao redor do núcleo, em vez de partículas em órbita definida. Ou seja, incorpora os princípios da Física Quântica para descrever a estrutura atômica com precisão.

Por fim, veja abaixo a representação gráfica de cada um desses modelos:

A evolução do modelo atômico ideal possibilitou uma melhor compreensão sobre as propriedades da matéria.

Exercícios resolvidos sobre o modelo atômico de Rutherford

1) (Fundatec – IFSC) Os modelos atômicos foram apresentados por cientistas na tentativa de compreender melhor o átomo e a sua composição. Nesse sentido, analise as assertivas abaixo:

I. De acordo com a teoria atômica de Dalton, os átomos são permanentes e indivisíveis, eles não podem ser criados nem destruídos.

II. Thomson propôs que o átomo é constituído de uma esfera positiva grande e difusa, na qual os elétrons eram encaixados.

III. Bohr usou o tubo de raios catódicos e seu conhecimento da teoria eletromagnética para determinar a razão entre a carga elétrica e a massa de um elétron.

IV. O modelo atômico de Rutherford representa o átomo consistindo em um pequeno núcleo, que contém toda a carga positiva e quase toda a massa do átomo, rodeado pelos elétrons.

Quais estão INCORRETAS?

a) Apenas I.

b) Apenas III.

c) Apenas I e II.

d) Apenas III e IV.

e) Apenas I, II e III.

Gabarito: b

O experimento do tubo de raios catódicos foi realizado por Thomson e não por Bohr.

2) (FGV - SME) “Em 1909, o físico neozelandês Ernest Rutherford e dois auxiliares, o inglês Ernest Marsden e o alemão Hans Geiger, bombardearam folhas de ouro finíssimas com partículas de carga positiva emitidas por uma fonte radioativa. O resultado causou profunda estranheza. Parte dessas partículas – denominadas radiação alfa – ricocheteavam bruscamente ao atingir a lâmina do metal. Dois anos depois, Rutherford, em letras trêmulas, escreveu sua conclusão.”

(ANJOS, J.C. e VIEIRA, C.L. Um olhar para o futuro – Desafios da física para o século 21. Rio de Janeiro: Vieira & Lent: FAPERJ, 2008.)

A partir desse experimento, Rutherford concluiu que

a) A menor parte da massa do átomo estava na região central – o núcleo –, formado por partículas chamadas prótons e nêutrons.

b) Átomo, eletricamente neutro, era formado por elétrons mergulhados em uma esfera com carga positiva.

c) A maior parte da massa do átomo estava na região central – o núcleo –, formado por partículas positivas chamadas prótons.

d) O átomo, eletricamente neutro, era formado por elétrons mergulhados em uma esfera com carga negativa.

e) Os átomos eram como pequenas esferas indivisíveis, indestrutíveis e maciças.

Gabarito: a

Nesse experimento, Rutherford descobriu que o átomo tinha partículas positivas e neutras concentradas na região central do átomo.

Fontes

CARUSO, F.; OGURI, V. A Eterna Busca do Indivisível: do Átomo Filosófico aos Quarks e Léptons. Química Nova, v. 20, n. 3, p. 324–334, 1997.

CUÉLLAR, L.; GALLEGO BADILLO, R.; PÉREZ MIRANDA, R. El modelo atómico de E. Rutherford del saber científi co al conocimiento escolar. Enseñanza de las Ciencias. Revista de investigación y experiencias didácticas, v. 26, n. 1, p. 43–52, 2008.

LOPES, B. E. R.; GOMES, B. M. Dos filósofos gregos à Bohr: uma revisão histórica sobre a evolução dos modelos atômicos. Revista Ifes Ciência, v. 4, n. 2, p. 122–139, 2018.

MARQUES, D. M. As investigações de Ernest Rutherford sobre a estrutura da matéria: contribuições para o ensino de Química. [s.l: s.n.].

URIBE BELTRÁN, M. V.; CUÉLLAR FERNÁNDEZ, L. Estudio Histórico-Epistemológico del modelo atómico de Rutherford. TED: Tecné, Episteme y Didaxis, n. 14, 11 jul. 2017.

Publicado por Jhonilson Pereira Gonçalves