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sábado, 15 de fevereiro de 2014

Biografia de Ernest Rutherford


Ernest Rutherford
Ernest Rutherford. (1º barão Rutherford de Nelson). Nasceu em Brightwater, Nova Zelândia, 30 de Agosto de 1871, e, faleceu em Cambridge, 19 de Outubro de 1937). Rutherford foi um físico e químico neozelandês que se tornou conhecido como o pai da física nuclear. Num trabalho no início da carreira, descobriu o conceito de meia-vida radioativa, provou que a radioatividade causa a transmutação de um elemento químico em outro, e também distinguiu e nomeou as radiações alfa e beta. Foi premiado com o Nobel de Química em 1908 "por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas". Rutherford realizou sua obra mais famosa após ter recebido esse prêmio. Em 1911, ele defendeu que os átomos têm sua carga positiva concentrada em um pequeno núcleo, e, desse modo, criou o modelo atômico de Rutherford, ou modelo planetário do átomo, através de sua descoberta e interpretação da dispersão de Rutherford em seu experimento da folha de ouro. A ele é amplamente creditada a primeira divisão do átomo, em 1917, liderando a primeira experiência de "dividir o núcleo" de uma forma controlada por dois alunos sob sua direção, John Cockcroft e Ernest Walton em 1932.
 

Biografia

Primeira Conferência de Solvay, em 1911. Ernest Rutherford é o quarto de pé, a partir da direita.
  • 1- Walter Nernst
  • 2- Robert Goldschmidt
  • 3- Max Planck
  • 4- Léon Brillouin
  • 5- Heinrich Rubens
  • 6- Ernest Solvay
  • 7- Arnold Sommerfeld
  • 8- Hendrik Antoon Lorentz
  • 9- Frederick Lindemann
  • 10- Maurice de Broglie
  • 11- Martin Knudsen
  • 12- Emil Warburg
  • 13- Jean-Baptiste Perrin
  • 14- Friedrich Hasenöhrl
  • 15- Georges Hostelet
  • 16- Edouard Herzen
  • 17- James Hopwood Jeans
  • 18- Wilhelm Wien
  • 19- Ernest Rutherford
  • 20- Marie Curie
  • 21- Henri Poincaré
  • 22- Heike Kamerlingh Onnes
  • 23- Albert Einstein
  • 24- Paul Langevin
Ernest Rutherford nasceu em Spring Grove (atual Brightwater), cidade portuária da ilha sul da Nova Zelândia, o quarto filho e segundo homem de uma família de sete filhos e cinco filhas. Seu pai, James Rutherford, um mecânico escocês, emigrou para a Nova Zelândia com toda a família em 1842. Sua mãe, nascida Martha Thompson, uma professora de inglês, com sua mãe viúva, também se mudou em 1855. Ernest recebeu a sua educação em escolas públicas. Aos 16 anos entrou em Nelson Collegiate School. Graduou-se em 1893 em Matemática e Ciências Físicas na Universidade da Nova Zelândia. Após ter concluído os estudos, ingressou no Trinity College, Cambridge, como um estudante na investigação do Laboratório Cavendish sob a coordenação de J. J. Thomson. Foi na Inglaterra que Ernest estudou as radiações de Urânio e descobriu
Foto para o Nobel.
que eles apresentam duas naturezas, chamando-as de radiações alfa e beta. Uma oportunidade surgiu quando o lugar de professor de Física na Universidade de McGill, em Montreal ficou vago. Em 1898 ele partiu para o Canadá, para assumir o posto. No mesmo ano, foi nomeado professor de Física da Universidade de McGill, em Montreal, e em 1907 na Universidade de Vitória, Manchester. Nessa época, Ernest formulou a hipótese de que a radiatividade não se tratava de um fenômeno comum a todos os átomos, mas somente de uma certa categoria. Esses estudos resultaram o livro Radiatividade, verdadeiro marco na história do progresso científico. Apesar de ser um físico, recebeu o Nobel de Química de 1908, por suas investigações sobre a desintegração dos elementos e a química das substâncias radioativas. De volta a Cambridge em 1919, Rutherford percebeu que a carga positiva de um átomo está concentrada no centro, num minúsculo e denso núcleo, introduzindo o conceito de núcleo atômico. Desenvolve, então, a moderna concepção do átomo como um núcleo em torno do qual elétrons giram em órbitas circulares. A liderança e o trabalho de Rutherford inspiraram duas gerações de cientistas. Baseado na concepção de Rutherford, o físico dinamarquês Niels Bohr idealizaria mais tarde um novo modelo atômico. Revela o fenômeno da radioatividade em pesquisas feitas em colaboração com o Frederick Soddy. Em 1902, ambos distinguem os raios alfa e beta e desenvolvem a teoria das desintegrações radioativas espontâneas. Em 1919 realizou a primeira transmutação induzida, também conhecida como reação nuclear: converte um núcleo de azoto em oxigênio, por bombardeamento com partículas alfa. As suas experiências conduzem à descoberta dos meios de obtenção de energia nuclear. Tais fatos levaram a que Rutherford fosse considerado como o fundador da Física Nuclear. Rutherford dirigiu o Laboratório Cavendish desde 1919 até à sua morte, período em que foi Professor Cavendish de Física. Foi presidente da Royal Society de 1925 a 1930. Recebeu a Order of Merit em 1925 e em 1931 foi condecorado Baron Rutherford de Nelson, Cambridge, um título que foi extinto depois da sua inesperada morte, enquanto aguardava uma cirurgia de hérnia umbilical. Após tornar-se um Lord, ele só poderia ser operado por um médico também nobre (uma exigência do protocolo britânico) e essa demora custou-lhe a vida. Morreu em 19 de Outubro de 1937 em Cambridge, e suas cinzas foram enterradas na Abadia de Westminster, perto das tumbas de Isaac Newton e outros grandes cientistas. Participou da 1ª, 2ª, 3ª, 4ª e 7ª Conferência de Solvay.

Modelo atômico de Rutherford

Modelo atômico de Rutherford.
O modelo atômico (também conhecido como modelo planetário do átomo), é um modelo atômico concebido pelo cientista Ernest Rutherford. Para montar sua teoria, Rutherford analisou resultados de seu experimento que ficou conhecido como "experiência de Rutherford". Nesta experiência, utilizando uma fonte radioativa para emitir partículas alfas, um contador geiger, e uma fina folha de ouro(fina ao ponto de existir rumores de que provavelmente a folha continha apenas 10 mil átomos, ou seja, basicamente uma camada de átomos), ele mediu o numero de partículas alfa que atravessaram esta folha. Porém, ele percebeu que embora muitas das partículas atravessam a folha(como já era previsto pelo modelo atômico em rigor naquela época), um número muito pequeno de partículas alfa eram refletidas ou sofriam desvio por esta folha. Com base nisto, Ernest Rutherford montou a sua teoria. Em 1911, Rutherford apresentou a sua teoria para o seu modelo atômico, afirmou que o modelo vigente até então, também conhecido como "pudim de passas", que foi feito por J. J. Thomson, estava incorreto. Rutherford afirmou com seu experimento, que o átomo não era apenas uma esfera maciça de carga elétrica positiva incrustada com elétrons como dizia J. J. Thomson. Segundo Rutherford, o átomo teria na verdade um núcleo de carga elétrica positiva de tamanho muito pequeno em relação ao seu tamanho total, sendo que este núcleo, que conteria praticamente toda a massa do átomo, estaria sendo rodeado por elétrons de carga elétrica negativa, os quais descreveriam órbitas helicoidais em altas velocidades.

Falha no modelo de Rutherford

Modelo para o resultado obtido pelo Rutherford em sua experiência.
A falha do modelo de Rutherford é mostrada pela teoria do electromagnetismo, de que toda partícula com carga elétrica submetida a uma aceleração origina a emissão de uma onda electromagnética. O elétron em seu movimento orbital está submetido a uma aceleração centrípeta e, portanto, emitirá energia na forma de onda eletro-magnética. Essa emissão, pelo Princípio da conservação da energia, faria com que o elétron perdesse energia cinética e potencial, caindo progressivamente sobre o núcleo, fato que não ocorre na prática. A falha foi corrigida pelo modelo atômico de Bohr, de seu aluno e colega de trabalho Niels Bohr, que dizia que considerava a ideia de um modelo atômico planetário bonita demais para estar errada. Assim, com o auxílio das descrições quânticas da radiação eletro-magnética propostas por Albert Einstein e Max Planck, conseguiu completar a teoria de Rutherford, ficando assim conhecida como modelo atômico-molecular de Rutherford-Bohr.



Tamanho do átomo

Analisando os resultados de números de partículas que passavam ou eram refletidas pela camada de ouro, Rutherford conseguiu inclusive calcular a provável proporção de tamanho entre núcleo e átomo, que segundo ele seria 1/10000 a 1/100000. É de costume comparar o tamanho do núcleo do átomo de Rutherford em relação ao seu todo, com uma formiga no meio de um campo de futebol, sendo a formiga o núcleo e o campo o tamanho total do átomo.
Experimento das lâminas
Fatos
 
  1. A maioria dos raios passa direto pelas placas de metal;
  2. Algumas partículas sofrem desvio em uma das placas de ouro;
  3. Pouquíssimas partículas são rebatidas.

Conclusão

  1. 1º postulado: Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitirem nem absorverem energia;
  2. 2º postulado: Fornecendo energia (elétrica, térmica, ....) a um átomo, um ou mais elétrons a absorvem e saltam para níveis mais afastados do núcleo. Ao voltarem as suas órbitas originais, devolvem a energia recebida em forma de luz (fenômeno observado, tomando como exemplo, uma barra de ferro aquecida ao rubro);
  3. O núcleo é positivamente carregado;
  4. A região vazia em torno do núcleo é denominada eletrosfera que seria onde os elétrons estão localizados.


Ou seja, Rutherford concluiu: Que todo átomo possui uma eletrosfera, na qual se baseia em um espaço ao redor do núcleo, em que os elétrons estão localizados e giram em órbitas circulares estacionarias ao redor do núcleo maciço e positivo.

 

Dispersão de Rutherford

Geometria de dispersão de Rutherford.
Em física, a dispersão de Rutherford é um fenômeno que foi explicado por Ernest Rutherford em 1909, e levou ao desenvolvimento da teoria orbital do átomo. É agora explorado pela técnica de análise de materiais espectrometria de dispersão de Rutherford. A dispersão de Rutherford é também referida às vezes como dispersão de Coulomb porque baseia-se em forças eletrostáticas (Coulomb). Um processo similar provou o interior do núcleo nos anos 1960, chamado dispersão profunda inelástica. Destaques da experiência de Rutherford


  • Um feixe de partículas alfa é direcionado a uma folha de ouro fina.

  • Muitas das partículas passou através da película sem sofrer desvio.

  • Outras foram desviadas por diversos ângulos.

  • Algumas inverteram o sentido do movimento.


A partir destes resultados, Rutherford concluiu que a maioria da massa era concentrada numa região minúscula, positivamente carregada (o núcleo), rodeada por electrões. Quando uma partícula alfa (positiva) se aproximava o suficiente do núcleo, era fortemente repelida o suficiente para retornar em ângulos maiores. O pequeno tamanho do núcleo explicou o pequeno número de partículas alfa que foram repelidos desta forma. Rutherford demonstrou usando o método abaixo, que o tamanho do núcleo era inferior do que cerca de \scriptstyle 10^{{-14}}

 

Teoria de Dispersão



Principais pressupostos:

• Colisão entre uma carga pontual, mais um núcleo pesado com carga Q=Ze é um projétil leve com carga q=ze é considerada como sendo elástica.

• Momento e energia são conservados.

• As partículas interagem através da força de Coulomb.

• A distância vertical onde o projétil se encontra a partir do centro do alvo, o parâmetro de impacto b , determinam o ângulo de dispersão θ.

A relação entre o ângulo de dispersão θ, a energia cinética inicial

E=z{\frac {1}{2}}m.v_{{o}}^{2}

e o parâmetro de impacto b é dado pela relação

b={\frac {zZ}{2K}}.{\frac {e^{2}}{4\pi \varepsilon _{{o}}}}{\text{cot}}{\Bigg (}{\frac {\theta }{2}}{\Bigg )} (1.1)

onde z = 2, para partículas - α e Z = 79 de ouro.

 

Dedução da Transversal Diferencial


Verificação da fórmula de Rutherford.

Na Figura , uma partícula que atinge o anel entre b e b + db é desviada num ângulo sólido dΩ entre θ e θ + dθ.

Por definição, a secção transversal é a constante de proporcionalidade

2\pi b.db=-\sigma (\theta ).2\pi .\operatorname{sen} \theta .d\theta

então

d\sigma =2\pi b|db|={\Bigg (}{\frac {d\sigma }{d\Omega }}{\Bigg )}.d\Omega (1.2)

onde d\Omega =2\pi .\operatorname{sen} \theta .d\theta

A seção transversal diferencial torna-se então

{\frac {d\sigma }{d\Omega }}={\frac {2\pi b|db|}{2\pi .\operatorname{sen} \theta .d\theta }} (1.3)

A partir da Equações 1.1 e 1.3 nós temos

{\frac {d\sigma }{d\Omega }}={\Bigg (}{\frac {1}{4\pi \varepsilon _{{o}}}}{\Bigg )}^{{2}}{\Bigg (}{\frac {qQ}{4K_{{\alpha }}}}{\Bigg )}^{{2}}.{\frac {1}{\operatorname{sen} ^{{4}}}}{\Bigg (}{\frac {\theta }{2}}{\Bigg )} (1.4)

A Eq.1.4, é chamada seção transversal diferencial para a dispersão de Rutherford.

Nos cálculos acima, considera-se apenas uma única partícula alfa. Num experimento de dispersão, é preciso considerar vários eventos de dispersão e medir-se a fracção de partículas desviadas num determinado ângulo.

Para um detector em um ângulo específico em relação ao feixe incidente, o número de partículas por unidade de superfície, colidindo o detector, é dado pela fórmula de Rutherford:

N(\theta )={\frac {N_{{i}}.nLZ^{{2}}k^{{2}}.e^{{4}}}{4.r^{{2}}k.E^{{2}}\operatorname{sen} ^{{2}}{\Bigg (}{\frac {\theta }{2}}{\Bigg )}}}

Onde

Ni = número de partículas alfa incidentes,

n = átomos por unidade de volume no alvo

L = espessura do alvo

Z = número atômico do alvo

e = carga eletrônica

k = constante de Coulomb

r = distância entre o alvo e o detector,

KE = energia cinética das partículas alfa

θ = ângulo de dispersão.

A variação prevista, de partículas alfa detectadas, com ângulo é seguida de perto podados do contador de Geiger-Marsden, mostrados na figura abaixo.


Cálculo do Tamanho Nuclear Máximo

Espalhamento com diferentes parâmetros de impacto.

Para colisões frontais cabeças entre partículas alfa e o núcleo, toda a energia cinética da partícula alfa é transformada em energia potencial e a partícula está em repouso.

A distância entre o centro da partícula alfa e o centro do núcleo (b) neste momento é um valor máximo para o raio, se é evidente a partir da experiência que as partículas não atingiram o núcleo.

Aplicando a energia potencial de Coulomb entre as cargas nos electrões e no núcleo, pode-se escrever:

{\frac {1}{2}}.m.v^{{2}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{{o}}}}.{\frac {q_{{1}}q_{{2}}}{b}}

Reorganizando,

{\frac {1}{4\pi \varepsilon _{{o}}}}{\frac {2.q_{{1}}q_{{2}}}{m.v^{{2}}}} (1.6)

Para uma partícula alfa:

  • m\;({\text{massa}})=6.7\times 10^{{-27}}\;kg

  • q_{{1}}=2\times (1.6\times 10^{{-19}})C

  • q_{2}\;({\text{para ouro}})=79\times (1.6\times 10^{{-19}})C

  • v_{\;}({\text{velocidade inicial}})=2\times 10^{{7}}m/s

Substituindo estes valores na eqn.1.6, dá o valor do parâmetro de impacto de cerca de \scriptstyle 2,7\times 10^{{14}}m .

O verdadeiro raio é cerca de \scriptstyle 7\times 10^{{-15}}m.
Publicações

  • Radioatividade (1904), 2nd ed. (1905)
  • Transformações Radioativas (1906)
  • Radiações de Substâncias Radioativas, com James Chadwick e CD Ellis (1919)
  • A Estrutura Elétrica da Matéria (1926)
  • As Transmutações Artificiais dos Elementos (1933)
  • A Nova Alquimia (1937)

 

 Citações de Rutherford



  • "Toda a ciência é física ou coleta de impressões".

- All Science is either physics or stamp collecting
- citado em Motion Mountain - The Adventure of Physics‎ - Página 30, de Christoph Schiller, Publicado por Christoph Schiller, 2007, ISBN 3000219463, 9783000219467

  • "A ciência divide-se em duas partes: a Física, e a filatelia".

- All science is either physics or stamp collecting
- Ernest Rutherford, citado em A short history of nearly everything‎ - Página 137, de Bill Bryson - Publicado por Broadway Books, 2003, ISBN 0767908171, 9780767908177 - 544 páginas



Referências


http://pt.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford

http://pt.wikiquote.org/wiki/Ernest_Rutherford

http://pt.wikipedia.org/wiki/Dispersão_de_Rutherford

http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_atômico_de_Rutherford

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