Como estudar física?

1.1 O que é a física? Como trabalham os físicos?

1.1.b A Física faz perguntas sobre o mundo natural Na época dos experimentos de Rutherford, o modelo atômico aceito era o chamado modelo do "pudim de ameixas" , proposto por J. J. Thomson. Foi Thomson quem descobriu o elétron, e ele acreditava que o átomo era uma esfera de carga positiva onde os elétrons estariam distribuídos aleatoriamente, como ameixas espalhadas na massa de um pudim de Natal. Naquele período, a existência dos prótons e nêutrons ainda era desconhecida. No início do século XX, Ernest Rutherford passou a investigar, entre outras coisas, a estrutura do átomo — considerada na época uma partícula fundamental do mundo natural. Embora os átomos não possam ser vistos a olho nu, eles pertencem ao mundo natural e podem ser estudados por meio das ferramentas da ciência. 1.1.c A Física tem como objetivo explicar o mundo natural As investigações de Rutherford buscavam entender um mistério aparentemente pequeno, mas profundamente revelador sobre o mundo natural: a estrutura do átomo. Para isso, ele utilizou partículas alfa — que são núcleos de hélio (átomos de hélio sem seus elétrons), com carga positiva . Em uma série de experimentos, Rutherford observou que, ao incidir um feixe de partículas alfa sobre uma f iníssima folha de ouro , a maior parte das partículas atravessava a folha sem desvio significativo. No entanto, algumas eram levemente desviadas, e outras, em menor quantidade, eram refletidas em ângulos muito grandes. Rutherford queria entender o que esse comportamento das partículas alfa revelava sobre a verdadeira estrutura interna do átomo. 1.1.d A Física trabalha com ideias testáveis Antes de 1910, tanto Rutherford quanto muitos outros físicos acreditavam que a carga positiva e a massa do átomo estavam distribuídas de forma homogênea por todo seu volume , com os elétrons dispersos nesse meio. Esse modelo, chamado de "pudim de ameixas" , imaginava os elétrons ( as "ameixas") mergulhados numa massa positiva (o "pudim"). Para testar essa ideia, Rutherford disparou partículas alfa contra uma folha de ouro extremamente fina. Se o modelo estivesse correto, a carga positiva e a massa estariam distribuídas uniformemente, e as partículas alfa deveriam passar quase sem desvios, sofrendo apenas pequenas deflexões . No entanto, os desvios observados indicaram que a massa e a carga positiva estavam concentradas em uma região muito pequena do átomo — levando à formulação de um novo modelo atômico, com um núcleo central denso.

1.1.e A Física depende de evidências O laboratório de Ernest Rutherford testou o modelo atômico vigente à época, disparando um feixe de partículas alfa sobre uma fina folha de ouro. Segundo o modelo de Thomson — o “pudim de ameixas” —, esperava-se que essas partículas atravessassem a folha com apenas pequenos desvios, já que, de acordo com esse modelo, a carga positiva e a massa do átomo estariam distribuídas uniformemente. No entanto, a evidência observada foi surpreendente: a maior parte das partículas alfa realmente atravessou a folha de ouro sem grandes alterações em sua trajetória, como se passassem por espaço vazio. No entanto, algumas partículas foram desviadas em ângulos acentuados e, mais surpreendentemente, outras chegaram a ser refletidas de volta — como se tivessem colidido com uma estrutura extremamente densa e sólida dentro do átomo. Se os átomos de ouro fossem de fato como descrito no modelo do pudim de ameixas, todas as partículas alfa deveriam ter passado praticamente sem resistência. O fato de algumas terem sido refletidas para trás indicava que havia algo muito diferente na estrutura do átomo. A partir dessas evidências, Rutherford concluiu que o modelo de Thomson estava incorreto. O átomo, na verdade, seria composto majoritariamente por espaço vazio, e sua carga positiva estaria concentrada em uma pequena e densa região central: o núcleo.

1.1.g Ideias científicas levam a pesquisas contínuas Niels Bohr baseou-se no trabalho de Ernest Rutherford para desenvolver o modelo do átomo mais comumente retratado em livros didáticos: um núcleo orbitado por elétrons em diferentes níveis. Apesar das novas questões que levantou (por exemplo, por que elétrons em órbita com carga negativa não entram em espiral até o núcleo com carga positiva?), esse modelo foi poderoso e, com mais modificações, levou a uma ampla gama de previsões precisas e novas descobertas, incluindo a previsão do resultado de reações químicas, a determinação da composição de estrelas distantes e a concepção da bomba atômica. Concluindo Ernest Rutherford e seus colegas agiram de maneira tão notável que fizeram a ciência avançar: • Eles compreenderam o conhecimento relevante em sua área. Rutherford estudava Física há mais de 20 anos quando propôs a ideia do núcleo. • Eles expuseram suas ideias a testes. Mesmo que sua visão original do átomo sugerisse que nenhum retroespalhamento deveria ocorrer, Rutherford decidiu procurar partículas alfa retroespalhadas de qualquer maneira, apenas para ser minucioso. • Eles assimilaram as evidências. Quando seus resultados experimentais não apoiaram o modelo "pudim de ameixas do átomo, em vez de escrever esses resultados como uma anomalia, eles modificaram suas ideias originais à luz das novas evidências. • Eles comunicaram abertamente suas ideias para que outros físicos também pudessem testá-las. Rutherford publicou, em 1911, em uma revista científica, os resultados experimentais, uma descrição de seu raciocínio e a ideia do núcleo. • Agiram com integridade científica. Em seu artigo sobre o tema, Rutherford atribuiu crédito de forma justa (citando as contribuições de seus colegas, Geiger e Marsden) e relatou seus resultados honestamente – mesmo quando os resultados experimentais e seus cálculos teóricos não correspondiam perfeitamente.

Créditos: (1) https://undsci.berkeley.edu/understanding-science-101/what-is-science/a-science-checklist/ (2) Entendendo a Ciência 101 - Entendendo a Ciência (berkeley.edu); acesso em 16 nov. 2023. (3) https://undsci.berkeley.edu/understanding-science-101/; acesso em 16 nov. 2023. https://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_Rutherford https://en.wikipedia.org/wiki/Rutherford_scattering_experiments

Os cientistas envolvidos nessa investigação cumpriram as cinco etapas de conduta do cientista. Dessa forma – e a julgar pelos outros itens da lista –, essa investigação da estrutura atômica está intensamente dentro da alçada da ciência. Contudo, o papel desempenhado pela física é vasto. O guia da ciência ou, em especial, da física integra-se com um vasto conjunto de esforços humanos. Quando pretendemos estudar a queda de um corpo, a nossa pretensão é chegar a um resultado preciso, possivelmente uma lei que descreva como o fenômeno ocorre, o que nos permitiria calcular, por exemplo, o tempo de queda do corpo até atingir o chão. É bom lembrar que a física tem seus

Se você entendeu como atua um cientista, você não terá nenhuma dificuldade como é na física. A física faz parte do grupo que chamamos ciências da natureza, cujo objetivo é estudar a natureza em seus aspectos mais gerais e fundamentais. A física se preocupa com a matéria, envolve o estudo da matéria, seus constituintes fundamentais, seu movimento e comportamento no espaço e tempo, e as entidades relacionadas à energia e à força. A física é uma das disciplinas científicas mais fundamentais, tendo como objetivo principal compreender como o universo se comporta. Por ser uma área básica na ciência, a física utiliza o método científico para formular e testar hipóteses e utiliza os resultados dos experimentos para formular leis, expressas, geralmente, na linguagem da matemática e que podem então ser usadas para prever outros fenômenos. Um bom exemplo de como atuam os físicos é analisar as etapas da investigação realizada por Ernest Rutherford sobre a estrutura do átomo. Para essa análise, seguiremos a lista das principais características da ciência, apresentada anteriormente. Ao adaptar a lista para a física, têm-se que: • A física faz perguntas sobre o mundo natural. • Tem como objetivo explicar o mundo natural. • A física trabalha com ideias testáveis. • A física depende de evidências. • A física está inserida na comunidade científica. • Ideias científicas levam a pesquisas contínuas. Ernest Rutherford foi um pesquisador pioneiro em física atômica e nuclear e é descrito como "o pai da física nuclear" e um dos maiores experimentalistas "desde Michael Faraday". Em 1911, ele defendeu que os átomos têm sua carga positiva concentrada em um pequeno núcleo, e, desse modo, criou o modelo atômico de Rutherford, ou modelo planetário do átomo. (1)

1.1.a Introdução

limites: algumas questões que são uma parte importante da experiência humana não podem ser respondidas no contexto da física (ou da ciência). Por isso, a Física não é tudo, mas é importante. Ela ajuda-nos a construir um conhecimento acerca do mundo natural – conhecimento que pode ser aproveitado para melhorar as nossas vidas e resolver problemas.