(a) Explique resumidamente o experimento de Rutherford e como isto o levou ao modelo “planetário” do átomo. (b) Quais os problemas com este modelo?
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Passo 1

O enunciado pede (a) uma descrição sucinta do experimento de Rutherford e como ele motivou o modelo “planetário” do átomo, e (b) os problemas desse modelo. O conteúdo envolve espalhamento de partículas \alpha por uma lâmina metálica, leis de Newton e de Coulomb, e conceitos de eletrodinâmica clássica (radiação de cargas aceleradas).

Passo 2

No experimento de Rutherford, um feixe de partículas \alpha (núcleos de hélio, com carga +2e) incide sobre uma lâmina metálica extremamente fina (ouro, por exemplo). Observou-se que:
  • A grande maioria das partículas atravessava a lâmina quase sem desvio.
  • Uma pequena fração sofria grandes deflexões, algumas voltando na direção de origem.
Da interpretação das leis de Coulomb e do espalhamento, concluiu-se que:
  • A carga positiva do átomo não estava espalhada uniformemente no volume (como no modelo “pudim de passas” de Thomson), mas concentrada em um núcleo muito pequeno e denso.
  • A maior parte do átomo é espaço vazio, pois a maioria das \alpha passa sem esbarrar em nada.

Passo 3

A partir dessa descoberta, Rutherford propôs que os elétrons giram em órbitas ao redor de um núcleo central (carga positiva), de modo análogo a planetas orbitando o Sol. Nesse “modelo planetário”:
  • O núcleo contém praticamente toda a massa e a carga positiva.
  • Os elétrons (carga negativa) movem-se em órbitas circulares ou elípticas mantidas pela força eletrostática de atração núcleo-elétron.

Passo 4

O modelo planetário clássico apresenta problemas graves ao ser combinado com a eletrodinâmica de Maxwell:
  1. Elétrons em órbita são cargas aceleradas (aceleração centrípeta) e, pela teoria clássica, deveriam irradiar continuamente energia eletromagnética.
  2. Perderiam energia, espiralando em direção ao núcleo em tempos muito curtos ( \sim10^{-10} s), tornando o átomo instável.
  3. Não explica por que átomos exibem espectros de linhas discretas em vez de um contínuo de cores, pois orbitas contínuas levariam a emissão contínua de radiação.

Resposta

(a) No experimento de Rutherford, partículas \alpha incidem sobre uma lâmina fina e, ao serem em parte fortemente defletidas, revelam que a carga positiva está concentrada em um núcleo minúsculo, levando ao modelo em que elétrons orbitam esse núcleo (modelo “planetário”).
(b) Esse modelo, pela eletrodinâmica clássica, implica que elétrons irradiariam energia constantemente e colapsariam no núcleo, além de não explicar os espectros de linhas discretas dos átomos.

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