O experimento de Rutherford, o primeiro em física nuclear, revelou a estrutura do átomo como um espaço predominantemente vazio. Isto é revelado pela quantidade de partículas que passam diretamente pelo material, sem serem absorvidas.
Na simulação acima as partículas fixas, de cor amarela, representam os núcleos dos átomos de ouro e as partículas negras incidentes representam partículas alfa (núcleos de He, que são emitidos por núcleos instáveis de átomos muito maiores). Perceba que as colisões não envolvem contato direto entre núcleos de ouro e partículas alfa: esta ocorre à distância. Isto deve-se à repulsão eletrostática, já que ambos são positivamente carregados. Caso a velocidade fosse suficientemente alta para que a repulsão eletrostática fosse vencida e houvesse um contato direto entre núcleo e partículas alfa, haveria uma reação nuclear, ou seja, a partícula alfa se agregaria ao núcleo ou causaria o rompimento deste, em 2 ou mais fragmentos que se repeliriam eletrostaticamente.
Uma folha de ouro pode ser martelada até que se obtenha uma espessura muitíssimo pequena, devido à alta maleabilidade do material. Acredita-se que a folha de ouro usada por Rutherford tinha apenas 1000 átomos de espessura. Assim mesmo, foi muito surpreendente que a maioria das partículas alfa pôde atravessá-la sem resistência alguma. Ainda mais surpreendente foi o fato que algumas partículas eram refletidas de volta! Até então acreditava-se que o átomo era cheio de material (modelo do pudim de ameixas, com as ameixas como os núcleos) mas para explicar o resultado de Rutherford teríamos que imaginar um átomo vazio com toda sua massa concentrada em um ponto no centro, o núcleo. A massa dos elétrons é cerca de mil vezes menor que a dos componentes do núcleo (prótons e nêutrons) e portanto é relativamente desprezível.
Por meio de cálculos sofisticados, Rutherford calculou o tamanho relativo do átomo e do núcleo baseado numa contagem de quantas partículas são refletidas, ângulos de reflexão e tal.
Curioso que a matéria seja tão vazia não? Imagine que se não houvesse espaços vazios, a densidade da matéria seria igual que a de uma estrela de neutron, ou seja, 1017 kg/m3 .Uma colher de chá deste material pesaria 10 milhões de toneladas.
Limitações da simulação
Por questões práticas a simulação oferece apenas 2 camadas de átomos (invés de 1000). Além disso, os átomos de ouro estão muito mais próximos do que estariam na realidade. A escala real seria aproximadamente esta: se o núcleo fosse do tamanho de uma bola de futebol, colocada no meio de campo, o átomo seria do tamanho do estádio. Por fim, as velocidades das partículas alfa são muito mais altas do que vemos aqui; estão são e aproximadamente 5% da velocidade da luz. As simplificações realizadas possibilitam que possamos ver algo com finalidade educativa.
Percebam que isto é uma simulação, e não simplesmente uma animação ou vídeo, pois cada vez que é executada fornece resultados diferentes.
Texto e programação: Ricardo Esplugas de Oliveira