Em 1911, o cientista Ernest Rutherford realizou um experimento que consistiu em bombardear uma finíssima lâmina de ouro com partículas \alpha, emitidas por um elemento radioativo, e observou que:
  • a grande maioria das partículas \alpha atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvios ou sofrendo desvios muito pequenos;
  • uma em cada dez mil partículas \alpha era desviada para um ângulo maior do que 90^{\circ}.
Com base nas observações acima, Rutherford pôde chegar à seguinte conclusão quanto à estrutura do átomo:
(a) o átomo é maciço e eletricamente neutro
(b) a carga elétrica do elétron é negativa e puntiforme
(c) o ouro é radioativo e um bom condutor de corrente elétrica
(d) o núcleo do átomo é pequeno e contém a maior parte da massa

Passo 1

O enunciado dá duas observações experimentais claras (peguei os números do enunciado):
  • A maior parte das partículas \alpha atravessa a lâmina de ouro sem desvio ou com desvios muito pequenos.
  • Uma em cada 1/10{,}000 partículas \alpha é desviada para um ângulo maior do que 90^\circ.
A pergunta pede: qual conclusão sobre a estrutura do átomo segue dessas observações, entre as alternativas (a), (b), (c) e (d).

Passo 2

Interpretação direta da primeira observação (muitos atravessam sem desvio ou com desvio pequeno).
Se um objeto fosse “maciço” em toda sua extensão — isto é, preenchido por matéria densa por todo o volume — então partículas carregadas que o atravessassem tenderiam a colidir com essa matéria e seriam fortemente dispersas ou absorvidas com alta probabilidade. Como isso não acontece (a maioria passa praticamente sem desvio), a conclusão lógica é que o interior do átomo não é todo cheio de matéria densa: há muito espaço vazio onde a partícula \alpha praticamente não encontra forças capazes de desviá‑la. Portanto a observação contradiz a ideia de átomo inteiramente maciço, o que já descarta a alternativa (a).

Passo 3

Por que algumas partículas são desviadas, e às vezes fortemente? Vamos entender a física por trás do desvio de partículas carregadas de forma simples e didática.
  • Uma partícula \alpha tem carga elétrica positiva. Quando ela passa perto de outra carga positiva, existe uma força de repulsão entre elas. Essa força obedece à lei de Coulomb
F = k\,\dfrac{q_1 q_2}{r^2},
onde F é a força, k é uma constante, q_1 e q_2 são as cargas e r é a distância entre elas. Note que a força cresce muito quando r fica pequeno.
  • Se a carga positiva do átomo estivesse espalhada suavemente por todo o volume atômico, a força sofrida pela \alpha ao atravessar seria fraca e gradual, gerando apenas pequenos desvios.
  • Se, em vez disso, existir uma carga positiva concentrada em um ponto ou em uma região muito pequena, então quando a \alpha passar muito perto dessa região (distância r pequena) a força será muito intensa e poderá desviar a partícula em grande ângulo — até fazê‑la voltar (ângulo maior que 90^\circ).
Assim, a existência de poucas partículas (mas algumas) sendo fortemente desviadas indica que existe, dentro do átomo, uma carga positiva concentrada em um espaço muito pequeno.

Passo 4

Quantitativo qualitativo da raridade do desvio grande.
O fato de apenas 1 em 10{,}000 partículas ser desviada em ângulo superior a 90^\circ significa que a região que causa esse desvio grande ocupa uma área efetiva muito pequena em comparação com a área total “visível” pela lâmina de átomos. Em outras palavras, a probabilidade de uma \alpha passar tão perto da região concentrada é muito baixa — portanto essa região é muito pequena em tamanho linear quando comparada ao átomo inteiro. Isso leva à ideia de um núcleo pequeno (raio muito menor que o raio atômico).

Passo 5

Por que concluir também que essa região concentra a maior parte da massa?
  • As partículas \alpha são relativamente pesadas (são núcleos de hélio). Um elétron, por exemplo, é muito mais leve. Se a carga positiva estivesse apenas espalhada entre elétrons leves, esses elétrons não teriam massa nem carga suficientes concentradas para desviar fortemente as \alpha.
  • O fato de algumas \alpha serem desviadas em ângulos tão grandes, inclusive voltando para trás, implica que a interação envolve uma porção do átomo que tem carga positiva grande e que exerce forças capazes de alterar significativamente a direção de uma partícula relativamente massiva. Isso sugere que a massa também está concentrada nessa pequena região positiva: se a massa estivesse espalhada, não haveria uma “anormalidade” local capaz de causar reflexões desse tipo.
    Logo, a conclusão mais razoável é que o átomo possui um núcleo muito pequeno, carregado positivamente, que concentra a maior parte da massa do átomo.

Passo 6

Refutando as outras alternativas explicitamente:
  • (a) “o átomo é maciço e eletricamente neutro” — contradiz a primeira observação; se fosse maciço, não veríamos a maioria das \alpha atravessando sem desvio.
  • (b) “a carga elétrica do elétron é negativa e puntiforme” — a existência e carga negativa do elétron já eram conhecidas por outros experimentos; o experimento de Rutherford não foi usado para estabelecer que o elétron é pontual. O que Rutherford mostrou foi a presença de carga positiva concentrada no núcleo, não a característica puntual dos elétrons.
  • (c) “o ouro é radioativo e um bom condutor de corrente elétrica” — isso é irrelevante para as observações relatadas (o experimento usou uma lâmina de ouro como alvo por ser facilmente obtida em lâminas muito finas; nada nas observações demonstra radioatividade do ouro nem propriedades de condutividade).
  • (d) “o núcleo do átomo é pequeno e contém a maior parte da massa” — está de acordo com todas as observações: átomo quase vazio (maioria passa), existência de uma pequena região capaz de desviar fortemente uma \alpha (núcleo) e concentração de massa nessa região (explica desvios grandes contra partículas pesadas).

Passo 7

Recapitulando de forma curta e motivadora: a experiência mostrou que o átomo tem muito espaço vazio (pois a maioria das \alpha passa direto) e que existe uma pequena região central que, quando é atingida por uma \alpha vinda muito perto, a repele fortemente — o que só acontece se ali estiver concentrada carga positiva e massa. Essa é a conclusão famosa de Rutherford: o átomo tem um núcleo pequeno e denso que contém quase toda a massa.

Resposta

(d)

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