thumb|upright=1.3|Réplica de um aparelho usado por Geiger e Marsden para medir o espalhamento de partículas alfa em um experimento de 1913
Os experimentos de espalhamento de Rutherford foram uma série marcante de experimentos pelos quais os cientistas descobriram que cada átomo possui um núcleo onde toda a sua carga positiva e a maior parte de sua massa estão concentradas. Eles deduziram isso após medir como um feixe de partículas alfa é espalhado ao atingir uma fina folha metálica. Os experimentos foram realizados entre 1906 e 1913 por Hans Geiger e Ernest Marsden sob a direção de Ernest Rutherford nos Laboratórios Físicos da Universidade de Manchester.
O fenômeno físico foi explicado por Rutherford em um artigo clássico de 1911 que acabou levando ao uso generalizado do espalhamento na física de partículas para estudar a matéria subatômica. O espalhamento de Rutherford ou espalhamento de Coulomb é o espalhamento elástico de partículas carregadas pela interação de Coulomb. O artigo também iniciou o desenvolvimento do modelo planetário de Rutherford do átomo e, eventualmente, o modelo de Bohr.
O espalhamento de Rutherford é hoje explorado pela comunidade da ciência dos materiais em uma técnica analítica chamada espectroscopia de retroespalhamento Rutherford.
Visão geral
Modelo de Thomson do átomo thumb|O "modelo de pudim de ameixas" de um átomo com sete elétrons, imaginado por J. J. Thomson em 1905
O modelo predominante da estrutura atômica antes dos experimentos de Rutherford foi concebido por J. J. Thomson. Thomson havia descoberto o elétron através de seu trabalho sobre raios catódicos e propôs que eles existiam dentro dos átomos, e que uma corrente elétrica é o salto de elétrons de um átomo para um adjacente em uma série. Logicamente, tinha que haver uma quantidade correspondente de carga positiva para equilibrar a carga negativa dos elétrons e mantê-los unidos. Sem saber qual era a fonte dessa carga positiva, ele propôs tentativamente que a carga positiva estava em toda parte do átomo, adotando uma forma esférica por simplicidade.J. J. Thomson (1907). The Corpuscular Theory of Matter, p. 103: "Na falta de conhecimento exato da natureza da maneira como a eletricidade positiva ocorre no átomo, consideraremos um caso em que a eletricidade positiva é distribuída da maneira mais passível de cálculo matemático, ou seja, quando ela ocorre como uma esfera de densidade uniforme, através da qual os corpúsculos estão distribuídos." Thomson imaginou que o equilíbrio das forças eletrostáticas distribuiria os elétrons ao longo dessa esfera de maneira mais ou menos uniforme. Thomson também acreditava que os elétrons poderiam se mover dentro dessa esfera e, a esse respeito, comparou a substância da esfera a um líquido.J. J. Thomson, em uma carta a Oliver Lodge datada de 11 de abril de 1904, citada em Davis & Falconer (1997):"Com relação à eletrificação positiva, tenho o hábito de usar a analogia grosseira de um líquido com uma certa quantidade de coesão, suficiente para impedi-lo de se despedaçar sob sua própria repulsão. No entanto, sempre tentei manter a concepção física da eletricidade positiva em segundo plano porque sempre tive esperanças (ainda não realizadas) de poder prescindir da eletrificação positiva como uma entidade separada e substituí-la por alguma propriedade dos corpúsculos.Quando se considera que toda a eletricidade positiva faz, na teoria corpuscular, é fornecer uma força atrativa para manter os corpúsculos unidos, enquanto todas as propriedades observáveis do átomo são determinadas pelos corpúsculos, sinto, penso eu, que a eletrificação positiva acabará se mostrando supérflua e será possível obter os efeitos que agora atribuímos a ela a partir de alguma propriedade do corpúsculo.No momento, não sou capaz de fazer isso e uso a analogia do líquido como uma forma de representar as forças ausentes, que é facilmente concebida e se presta prontamente à análise." A esfera positiva era mais uma abstração do que algo material. Ele não propôs uma partícula subatômica de carga positiva, uma contraparte do elétron.
Thomson nunca conseguiu desenvolver um modelo completo e estável que pudesse prever qualquer uma das outras propriedades conhecidas do átomo, como espectros de emissão e valências.Thomson (1907). The Corpuscular Theory of Matter, p. 106: "O problema geral de descobrir como n corpúsculos se distribuirão dentro da esfera é muito complicado, e não consegui resolvê-lo" O cientista japonês Hantaro Nagaoka rejeitou o modelo de Thomson com o argumento de que cargas opostas não podem penetrar uma na outra.Daintith & Gjertsen (1999), p. 395 Ele propôs, em vez disso, que os elétrons orbitam a carga positiva como os anéis ao redor de Saturno. No entanto, esse modelo também era conhecido por ser instável.
Partículas alfa e o átomo de Thomson Uma partícula alfa é uma partícula de matéria com carga positiva que é emitida espontaneamente por certos elementos radioativos. As partículas alfa são tão pequenas que são invisíveis, mas podem ser detectadas com o uso de telas fosforescentes, chapas fotográficas ou eletrodos. Rutherford as descobriu em 1899. Em 1906, estudando como feixes de partículas alfa são desviados por campos magnéticos e elétricos, deduziu que eram essencialmente átomos de hélio desprovidos de dois elétrons. Thomson e Rutherford não sabiam nada sobre a estrutura interna das partículas alfa. Na época, os cientistas não sabiam exatamente quantos elétrons um átomo de hélio tinha (nem os átomos de outros elementos), então um átomo de hélio desprovido de dois elétrons ainda poderia ter dez ou mais, tanto quanto sabiam.
O modelo de Thomson era consistente com as evidências experimentais disponíveis na época. Thomson estudou o espalhamento de partículas beta, que mostrava deflexões de pequeno ângulo modeladas como interações da partícula com muitos átomos em sucessão. Cada interação da partícula com os elétrons do átomo e a esfera de fundo positiva levaria a uma pequena deflexão, mas muitas dessas colisões poderiam se acumular. Esperava-se que o espalhamento de partículas alfa fosse semelhante. A equipe de Rutherford mostraria que o modelo de espalhamento múltiplo não era necessário: o espalhamento único a partir de uma carga compacta no centro do átomo seria responsável por todos os dados de espalhamento.
Rutherford, Geiger e Marsden
Ernest Rutherford era Langworthy Professor de Física na Victoria University of Manchester (hoje Universidade de Manchester). Ele já havia recebido inúmeras honrarias por seus estudos sobre radiação. Ele descobriu a existência dos raios alfa, raios beta e raios gama e provou que estes eram consequência da desintegração de átomos. Em 1906, recebeu a visita do físico alemão Hans Geiger e ficou tão impressionado que pediu a Geiger que ficasse e o ajudasse em sua pesquisa. Ernest Marsden era um estudante de graduação em física que estudava sob a orientação de Geiger.Heilbron (2003), p. 59
Em 1908, Rutherford procurou determinar a carga e a massa das partículas alfa de forma independente. Para isso, ele queria contar o número de partículas alfa e medir sua carga total; a razão daria a carga de uma única partícula alfa. As partículas alfa são pequenas demais para serem vistas, mas Rutherford conhecia a descarga de Townsend, um efeito em cascata da ionização que leva a um pulso de corrente elétrica. Com base nesse princípio, Rutherford e Geiger projetaram um simples dispositivo de contagem que consistia em dois eletrodos em um tubo de vidro contendo gás de baixa pressão (veja #Experimento de 1908). Cada partícula alfa que passasse pelo gás criaria um pulso de corrente elétrica que poderia ser detectado e contado. Foi o precursor do contador Geiger-Müller.
O contador que Geiger e Rutherford construíram mostrou-se pouco confiável porque as partículas alfa estavam sendo desviadas com muita força por suas colisões com as moléculas de ar dentro da câmara de detecção. As trajetórias altamente variáveis das partículas alfa significavam que nem todas geravam o mesmo número de íons ao passar pelo gás, produzindo assim leituras erráticas. Isso intrigou Rutherford porque ele pensava que as partículas alfa eram pesadas demais para serem desviadas tão fortemente. Rutherford pediu a Geiger que investigasse o quanto a matéria poderia espalhar os raios alfa.Heilbron (2003)
Os experimentos que eles projetaram envolviam bombardear uma folha metálica com um feixe de partículas alfa para observar como a folha as espalhava em relação à sua espessura e material. Eles usaram uma tela fosforescente para medir as trajetórias das partículas. Cada impacto de uma partícula alfa na tela produzia um pequeno clarão de luz. Geiger trabalhava em um laboratório escuro por horas a fio, contando essas pequenas cintilações usando um microscópio.. Para a folha metálica, eles testaram vários metais, mas preferiram o ouro porque podiam tornar a folha muito fina, já que o ouro é o metal mais maleável. Como fonte de partículas alfa, a substância de escolha de Rutherford foi o rádio, que é milhares de vezes mais radioativo que o urânio.Heilbron (2003)
Teoria do espalhamento e o novo modelo atômico upright=1.5|thumb|Esquerda: Se o modelo de Thomson estivesse correto, todas as partículas alfa deveriam ter passado pela folha com espalhamento mínimo.Direita: O que Geiger e Marsden observaram foi que uma pequena fração das partículas alfa sofria forte deflexão Em um experimento de 1909, Geiger e Marsden descobriram que as folhas metálicas podiam espalhar algumas partículas alfa em todas as direções, às vezes mais de 90°. Isso deveria ter sido impossível de acordo com o modelo de Thomson. Segundo o modelo de Thomson, todas as partículas alfa deveriam ter atravessado diretamente.
No modelo de Thomson do átomo, a esfera de carga positiva que preenche o átomo e encapsula os elétrons é permeável; os elétrons poderiam se mover dentro dela, afinal. Portanto, uma partícula alfa deveria ser capaz de atravessar essa esfera se as forças eletrostáticas no interior o permitissem. O próprio Thomson não estudou como uma partícula alfa poderia ser espalhada em tal colisão com um átomo, mas ele estudou o espalhamento de partículas beta. Ele calculou que uma partícula beta sofreria apenas uma deflexão muito pequena ao passar por um átomo, e mesmo depois de passar por muitos átomos em sequência, a deflexão total ainda deveria ser menor que 1°.Beiser (1968). Perspectives of Modern Physics, p. 109 As partículas alfa normalmente têm muito mais momento do que as partículas beta e, portanto, também deveriam sofrer apenas a menor deflexão.Rutherford (1911): "Este espalhamento é muito mais acentuado para a partícula β do que para a partícula α devido ao momento e energia muito menores da primeira partícula."
O espalhamento extremo observado forçou Rutherford a revisar o modelo do átomo. O problema no modelo de Thomson era que as cargas eram muito difusas para produzir uma força eletrostática suficientemente forte para causar tal repulsão. Portanto, elas tinham que ser mais concentradas. No novo modelo de Rutherford, a carga positiva não preenche todo o volume do átomo, mas constitui um núcleo minúsculo pelo menos 10.000 vezes menor que o átomo como um todo. Toda essa carga positiva concentrada em um volume muito menor produz um campo elétrico muito mais forte perto de sua superfície. O núcleo também carregava a maior parte da massa do átomo. Isso significava que ele poderia desviar partículas alfa em até 180°, dependendo de quão perto elas passassem. Os elétrons circundam esse núcleo, espalhados por todo o volume do átomo. Como sua carga negativa é difusa e sua massa combinada é baixa, eles têm um efeito desprezível na partícula alfa.