Nesta atividade, os alunos investigam um sistema análogo ao experimento realizado por Ernest Rutherford e seus alunos (Geiger e Marsden) com uma folha de ouro e podem chegar às mesmas conclusões que levaram a um novo modelo atômico.
Prepare o material
Para esta atividade, vamos usar quadros brancos de MDF. Nós fizemos os nossos quadros usando chapas de MDF de 6 mm de espessura e uma máquina de corte a laser.
Depois de cortados, os quadros foram cobertos com um adesivo branco apropriado para se usar com canetas de quadro branco, que apagam. Os quadors têm 30 x 30 cm. Você vai precisar de um quadro branco e uma caneta para quadro branco para cada grupo que fizer a atividade.
Vale a pena deixar com os alunos algumas folhas de papel toalha que podem ser usadas para apagar o quadro branco após o uso.
Além dos quadros, vamos usar bolinhas de gude e vamos fazer rampas para lançar essas bolinhas usando a impressão 3D. Modificamos um modelo encontrado na Internet (https://www.thingiverse.com/thing:3645474) e o modelo modificado pode ser baixado aqui: https://www.thingiverse.com/thing:7006156.
Vamos colocar alguns pedaços pequenos de madeira embaixo do quadro, que serão o nosso “núcleo atômico”. Os nossos obstáculos têm entre 5 e 7 cm de diâmetro e cerca de 2 cm de altura. Usamos obstáculos de formas diferentes, mas é difícil concluir qual é a forma do obstáculo pela trajetória das bolinhas. Estamos mais interessados em descobrir o tamanho do obstáculo em relação ao tamanho do quadro. O ideal é que as peças de madeira ou metal sejam bem pesadas, permitindo que a bolinha bata e volte com facilidade, sem absorver completamente o impacto.
Por fim, vamos utilizar algumas ripas de madeira ao redor do quadro, para evitar que a bolinha de gude se perca.
Use o experimento na sua aula
Divida os alunos em grupos. Em cada mesa, coloque um quadro, uma bolinha de gude e uma rampa. Posicione o quadro no centro da mesa e coloque as ripas de madeira ao redor de 3 lados do quadro. A rampa é colocada apontando um lado do quadro, como na imagem abaixo.
O vídeo abaixo mostra como a atividade é realizada. No início da atividade, o professor posiciona um obstáculo embaixo do quadro branco, sem que os alunos vejam. Explique para os alunos que eles não devem levantar o quadro e ver o que está embaixo.
Os alunos lançam a bolinha na direção do quadro branco e traçam a trajetória da bolinha sobre o quadro. Após cada lançamento, a rampa é reposicionada, lançando as bolinhas paralelas ao quadro. A maior parte das bolinhas irá atravessar o quadro em linha reta, sem encontrar com o obstáculo. Quando a bolinha é lançada na direção do centro do quadro, ela irá encontrar com o obstáculo, desviando para o lado ou mesmo retornando para o lado onde a rampa está posicionada. Os alunos traçam a trajetória após cada lançamento.
O que acontece
No final da atividade, o professor pede para cada grupo levantar o seu quadro e compartilhar seus resultados com a sala. A ideia da atividade é que os alunos cheguem às principais conclusões do experimento de Rutherford.
No experimento da folha de ouro, uma fonte radioativa que emitia partículas alfa foi posicionada em frente a uma finíssima folha de ouro. Para detectar a trajetória das partículas alfa, uma tela contendo um material fosforescente na sua superfície foi colocada ao redor da folha de ouro. Cada vez que uma partícula alfa batia na placa, esta emitia luz. Os pesquisadores colocaram este aparato em uma sala completamente escura e contavam o número de emissões de luz em cada região da placa fosforescente. Eles observaram se as partículas alfa haviam desviado sua trajetória em todos os ângulos possíveis ao redor da folha de ouro.
O que os alunos de Rutherford observaram foi algo muito surpreendente. Se o modelo atômico de Thomson fosse o correto, Rutherford esperava que as partículas alfa iriam sofrer desvios muito pequenos. Essa previsão levava em conta o fato de que, no modelo de Thomson, toda a carga positiva do átomo estava dispersa, espalhada por todo o volume do átomo. As partículas alfa possuem carga positiva e poderiam sofrer um leve desvio devido à carga positiva dos átomos. Apesar de um grande número de partículas alfa passarem pela folha sem ouro sem sofrer desvios significativos, em alguns casos foi possível observar que as partículas estavam sendo desviadas em grandes ângulos, e a té mesmo sendo refletidas de volta para o mesmo lado onde a fonte radioativa estava.
As conclusões de Rutherford foram:
- praticamente toda a massa e toda a carga positiva do átomos estavam concentradas em uma região muito pequena do átomo. Esta região foi denominada de núcleo atômico.
- os elétrons deveriam estar ao redor do núcleo, uma região chamada de eletrosfera.
- a maior parte do átomo é espaço vazio e o tamanho do núcleo é muito, muito menor que o do átomo.
Com esta atividade, os alunos podem perceber como Rutherford conseguiu estimar o tamanho do núcleo atômico, ao contar o número de partículas alfa que atravessavam os átomos sem desvio e comparando esse número com o número de partículas que sofriam grandes desvios.
Finalmentes
Esta atividade pode auxiliar na compreensão do funcionamento do experimento de Rutherford e como ele levou à formulação de um novo modelo atômico em 1911. Você pode usar esta atividade em conjunto com outros recursos como a simulação do projeto PhET (Espalhamento de Rutherford). Acreditamos que uma atividade como esta torna um tema muito abstrato mais concreto, facilitando a sua compreensão.
Os mini quadros brancos feitos para esta atividade podem ser usados em diversas outras oportunidades onde o professor queira que os alunos escrevam ou desenhem algo e compartilhem seus resultados com toda a turma.
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