A visão kuhniana da ciência e a descoberta do núcleo atômico.

## A visão kuhniana da ciência e a descoberta do núcleo atômico.

Deividi Marcio Marques [deivid@fc.unesp.br] 1 João José Caluzi [caluzi@fc.unesp.Br]

## Resumo

O objetivo desse trabalho é analisar o conjunto de experimentos realizados por Hans Geiger, Ernest Marsden e Ernest Rutherford no período de 1907 a 1914.Tais experimentos conduziram à substituição do modelo atômico de Thomson pelo modelo atômico de Rutherford. Faremos está análise baseada na visão Kuhniana de ciência.

Palavras-chave: modelo atômico de Thomson, modelo atômico de Rutherford, Thomas Kuhn.

## 1. Introdução.

Uma das grandes personalidades do século XX que contribuiu para o desenvolvimento da Filosofia da Ciência foi o físico, filosofo e historiador da ciência, o estadunidense Thomas S. Kuhn (1922 1996). Sua obra principal é A Estrutura das Revoluções Científicas, publicada em 1962. Neste livro, ele discute os principais aspectos de sua teoria, a saber: ciência normal, paradigma, incomensurabilidade, ciência revolucionária. Para explicar como ocorre o desenvolvimento científico ele definiu como ciência normal ' a pesquisa firmemente baseada em uma ou mais realizações científicas passadas. Essas realizações são reconhecidas durante algum tempo por alguma comunidade científica específica como proporcionando os fundamentos para sua prática posterior' (KUHN, 1989, p. 29). Esses fundamentos são as leis, as teorias, os métodos, as analogias e os exemplos compartilhados por uma determinada comunidade por um período de tempo. Outro conceito importante proposto por Kuhn é a noção de paradigma . Após uma série de criticas recebidas (cf. Masterman, (1979), IN Lakatos, (1979)) Kuhn adota duas noções de paradigma. Uma mais geral, denominada de matriz disciplinar e outra, mais restrita, como exemplo compartilhado. Para Kuhn, os paradigmas possuem fundamentos diferentes não sendo possível compará-los. Tomemos como exemplo a física aristotélica e a física newtoniana. Para Aristóteles o espaço é hierarquizado e cada corpo possui seu lugar e movimento natural. Na física newtoniana o espaço é homogêneo. O repouso e movimento são considerados estados de um corpo. Como as duas descrições da natureza partem de pressupostos diferentes eles são incomensuráveis. Devido à incomensurabilidade dos paradigmas não temos a noção de progresso da ciência.

No decurso do período de ciência normal podem surgir as anomalias. Essas são inesperadas e ocorrem durante a prática da ciência normal e não podem ser explicadas pelo paradigma vigente. O acumulo dessas anomalias coloca em xeque o poder explicativo do paradigma.

Para completar essa idéia de anomalia, Chalmers (1993) explica que uma anomalia será considerada séria quando ataca o próprio paradigma em que se encontra, principalmente se todos os esforços falharem em sua remoção. Outro fator associado à seriedade de uma anomalia é o tempo de sua resistência que ' é possível descrever os campos por ela afetados como um estado de crise crescente' (KUHN, 1994, p. 95).

Uma vez estabelecida à crise, os fundamentos do paradigma são debatidos. Isso não ocorre no período normal da ciência. Kuhn (1994), adverte que o período de crise é considerado uma pré-condição para a emergência de novas teorias. Esta situação é denominada de ciência revolucionária Nessa situação, a comunidade científica volta-se para outros meios de solução de seus problemas. Os cientistas se mostram descontentes com o paradigma.

Quando digo que toda a comunidade científica se volta para procurar soluções de seus problemas, eu me refiro à comunidade científica inserida naquele determinado paradigma, em uma área específica da Ciência, que está entrando em crise. Por exemplo, citado pelo próprio Kuhn (1974), a crise da teoria do flogístico e a descoberta do oxigênio. Isso foi um fato marcante para os químicos da época que

começaram a entrar em contato com uma nova visão da química, no entanto essa descoberta em nada interferiu com os astrônomos matemáticos que não estavam envolvidos com a Química.

## 2. A descoberta do núcleo.

Ernest Rutherford nasceu na Nova Zelândia em 1871. Quando tinha 23 anos, em 1895, foi contemplado com uma bolsa de estudos para estudar no Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge, na qual foi aluno de J.J. Thomson. Em 1898, foi convidado para dirigir um laboratório na Universidade de McGill, no Canadá. Após anos de pesquisa naquele país, em 1907, Rutherford volta para a Inglaterra para ocupar a cátedra de Física na Universidade de Manchester.

Em Manchester, Rutherford foi o responsável por um grupo de estudantes que rapidamente desenvolveu novas idéias sobre a estrutura atômica.

Quando estava trabalhando na Universidade de McGill no Canadá, Rutherford observou que as partículas alfas ao atravessarem finas folhas de metal produziam imagens difusas em chapas fotográficas, ao passo que, quando não havia nenhuma barreira à sua passagem produziam imagens bem definidas (Brennan, 1998).

Quando retornou à Inglaterra para chefiar o Laboratório da Universidade de Manchester, em 1907, Rutherford encontrou o alemão Hans Geiger (1882 - 1945). Geiger fez um estudo, publicado no Proceedings da Royal Society of London, no qual simplesmente faz referências ao espalhamento sofrido pelas partículas alfa ao atravessarem finíssimas lâminas de ouro. Ele observou ainda que algumas das partículas alfa, após a passagem através das folhas de metais, cujo poder de interrupção da partícula de uma folha corresponde a aproximadamente 1 milímetro do ar, foram completamente defletidas em ângulos consideráveis. Em outras palavras, Geiger apenas verificou que as partículas sofriam desvios ao atravessarem a matéria.

Dando continuidade aos estudos da partícula alfa, Rutherford e Geiger publicaram alguns trabalhos que tiveram como objetivo investigar as propriedades e aprofundar seus conhecimentos sobre as emissões radioativas. Dentre os quais um método desenvolvido por eles para a contagem de partículas alfas (Rutherford e Geiger, 1908) que consistia em contar, utilizando um microscópio, uma a uma as cintilações produzidas pelas partículas alfas quando se chocavam com uma tela de sulfeto de zinco assim que passavam por um campo elétrico. Foi um trabalho muito árduo porque ambos tinham que ficar durante horas em uma sala escura para que fosse possível contar as cintilações provocadas pelas partículas alfas ao se chocarem com a tela de sulfeto de zinco.

Um artigo publicado no mesmo ano, Rutherford e Geiger descrevem como determinaram a carga da partícula alfa. A carga foi determinada pela contagem do número de partículas alfa expelidas por segundo por grama de rádio por um método de contagem direta. Sabendo este número, a carga carregada por cada partícula pôde ser determinada medindo a carga total carregada pela partícula alfa expelida por segundo de uma quantidade conhecida de rádio. Um fato interessante encontrado nesse artigo é que os autores comparam o peso atômico do hélio com o peso atômico da partícula alfa. Baseado nessa similaridade e tendo atrás fortes evidências a concluir que a partícula alfa é um átomo de hélio '... o peso atômico da partícula alfa é 3,84. O peso atômico do átomo de hélio é 3,96. Levanto em consideração prováveis erros experimentais na estimativa dos valores, nós podemos concluir que a partícula alfa é um átomo de hélio...'. (Rutherford e Geiger, 1908).

Inspirados por essas novas descobertas acerca das partículas alfa, no ano de 1909, Rutherford e Thomas Royds (1884-1955) publicaram um trabalho na qual revelavam, com convicções e argumentos fortes, que as partículas alfa eram, de fato, núcleos de hélio. O experimento consistiu em encerrar aproximadamente 140 miligramas de rádio purificado em um fino tubo de vidro, na qual as partículas produzidas por emissão radioativa eram concentradas em um outro compartimento isolado, impossibilitando a contato externo. A constatação que as partículas alfa eram átomos de hélio foi verificada

através de análises espectroscópicas. Ao final do artigo, eles concluem ' Nós podemos concluir com certeza com essas experiências que a partícula alfa após ter perdido sua carga é um átomo do hélio. Outra evidência indica que a carga é duas vezes o valor unitário da carga do átomo do hidrogênio liberado na eletrólise da água.' (Rutherford e Royds, 1909).

Em artigo publicado no mesmo ano, Hans Geiger e Ernest Marsden (Geiger e Marsden, 1909), relatam suas observações e conclusões experimentais acerca das reflexões das partículas alfa. O experimento consistia em incidir um número muito grande de partículas alfas, provenientes da desintegração de rádio que se encontrava dentro de um tubo a baixa pressão, sobre uma tela de sulfeto de zinco. Entre o final do tubo e a tela, foi colocado finas lâminas de diferentes metais, de modo a permitir que a probabilidade de uma partícula ser desviada por um átomo do metal em questão fosse máxima. Diferentes metais foram usados como ouro, chumbo, platina, estanho, prata, cobre e alumínio. Com auxilio de um pequeno microscópio eles contaram o número de cintilações por minuto. A investigação tinha como base esclarecer três pontos: a) A quantidade relativa de reflexões em diferentes metais; b) A quantidade relativa de reflexões variando a espessura do metal e c) A fração de partículas alfas incidentes que são refletidas.

De acordo com suas previsões, pois tinham como base o modelo atômico de Thomson (Beltrán et al ., 2003), eles esperavam que as p artículas alfas sofressem apenas pequenas reflexões, visto que são dotadas de grande energia e uma pequena massa. O modelo atômico de Thomson consistia em um átomo feito de uma carga elétrica positiva inserido em uma esfera com elétrons interpolados, denominado 'pudim de passas' (Segrè, 1987). A distribuição dos elétrons foi matematicamente calculada. No entanto, as reflexões das partículas alfas não só sofreram pequenas reflexões como também grandes ângulos de reflexão como relatam: 'Uma pequena fração de partículas alfa incidindo sobre uma placa metálica tem sua direção mudada em tal grau que elas emergem no ponto de incidência' .(Geiger e Marsden, 1909).

Geiger e Marsden perceberam também que quanto maior o peso atômico do metal, maior o número de partículas alfas defletidas. Tal fato foi visto com muito espanto por Rutherford, pois imaginava que grandes ângulos de dispersão não deveriam ocorrer em virtude de ter o modelo de Thomson como referência. No entanto, tal modelo não poderia espalhar partículas alfa em grandes ângulos porque, se a partícula alfa se aproximasse do centro do átomo, estaria em uma área de carga média zero e assim não poderia desviar-se. (Segrè, 1987).

## 2.1 A solução de um mistério.

A solução para esse problema apareceu em 1911, quando Rutherford publicou um artigo na qual ele explica o espalhamento sofrido pelas partículas alfa e sugere uma estrutura para o átomo.

Com relação ao espalhamento sofrido pelas partículas alfa, Rutherford afirma que para ter ocorrido tal resultado a partícula alfa deveria estar passando por um intenso campo elétrico dentro do átomo. Isso considerando um átomo com uma carga elétrica central concentrada num ponto e rodeada por uma distribuição esférica de carga elétrica oposta. Quando a partícula alfa passa junto de um 'núcleo', sofre a ação de uma força muito grande emanada do núcleo maciço, positivo e experimenta, então, considerável deflexão angular em um único encontro (Rutherford, 1911).

Para comprovar esses resultados obtidos por Rutherford, Geiger e Marsden publicam, em 1913, um detalhado estudo. Nesse trabalho, eles realizam as experiências novamente, mas alterando as substancias. O método geral experimental empregado por eles consistiu em um estreito feixe de partículas alfa incidindo sobre uma lâmina de metal e observando pelo método de cintilação o número de espalhamento através de diferentes ângulos (Geiger e Marsden, 1913). Esta devia ser a parte mais difícil e laboriosa de trabalho, pois envolvia a contagem de muitos milhares de partículas. Feito tudo isso,

Rutherford publica outro trabalho, intitulado 'A estrutura do átomo', em 1914. Nesse trabalho Rutherford trata das conclusões que podem ser tiradas sobre a localização das cargas positivas. Com relação à estrutura, ele escreve:

'[...] o átomo consistiu em um núcleo positivamente carregado de dimensões pequenas na qual praticamente toda a massa do átomo estava concentrada. Era suposto que o núcleo é cercado por uma distribuição de elétrons para fazer o átomo eletricamente neutro [...] Para sofrer tal deflexão de alguns graus, a partícula alfa tem que passar muito próximo ao núcleo, e foi assumido que o campo de força nesta região não era apreciavelmente afetado pela distribuição eletrônica externa. Supondo que as forças entre o núcleo e o uma partícula alfa é repulsiva e segue a lei de inverso dos quadrados uma partícula alfa descreve um círculo hiperbólico ao redor do núcleo e sua deflexão pode ser simplesmente calculada'. (Rutherford, 1914).

## Conclusão

Através da analise histórica do desenvolvimento do modelo atômico de Rutherford faz-se necessário uma ligação com as idéias de Kuhn. Os trabalhos de Geiger e Marsden acerca da reflexão das partículas alfas é visto como uma anomalia, pois, se tinham como paradigma o modelo atômico de Thomson, tais partículas não poderiam sofrer grandes ângulos de reflexão. Tendo alta energia e uma massa pequena, as partículas simplesmente sofreriam pequenos desvios ao encontrarem os átomos da folhas de metal. No entanto, as partículas sofreram grandes ângulos de reflexão (espalhamento) com algumas até emergindo do ponto de incidência. Tal fato foi visto como uma incoerência com o modelo atômico de Thomson. A incoerência foi resolvida quando Rutherford, ao estudar o fato com mais atenção e utilizando cálculos matemáticos, propôs seu modelo atômico, que consistia em um núcleo positivo com elétrons orbitando ao redor (modelo planetário).

A proposta desse modelo pode ser vista como revolucionária pois conseguia responder aos espalhamentos sofridos pelas partículas alfas. No entanto esse modelo apresenta uma peculiaridade. Admitindo o átomo como um 'sistema planetário', ou seja, um núcleo positivo e os elétrons com carga negativa orbitando ao seu redor, tal sistema não poderia estar em equilíbrio. De acordo com a

Lei do Eletromagnetismo de Maxwell, se uma carga elétrica está em movimento, esta tende a perder sua energia na forma de radiação. Segundo o modelo atômico de Rutherford, os elétrons em órbitas circulares ao redor o núcleo e isso conferia a estabilidade. Para tanto, os elétrons em movimento perderiam sua energia e conseqüentemente acabaria se colidindo com o núcleo. Essa dificuldade teórica junto com outras anomalias na Física Clássica levou ao surgimento da Mecânica Quântica. Niels Bohr (1885-1962) trabalhando sobre as dificuldades conceituais do modelo de Rutherford deu inicio a velha mecânica quântica.

## Referências

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