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 A teoria da estrutura atômica predominante na época dos experimentos de Rutherford era o modelo do “pudim de ameixas", idealizado por J. J. Thomson. Thomson descobriu o elétron e acreditava que cada átomo era uma esfera de carga positiva pela qual os elétrons estavam distribuídos, um pouco como ameixas em um pudim de Natal. A existência de prótons e nêutrons era desconhecida naquela época. No início dos anos 1900, Ernest Rutherford estudou, entre outras coisas, a estrutura do átomo – a “partícula fundamental” do mundo natural. Embora os átomos não possam ser vistos a olho nu, eles podem ser estudados com as ferramentas da ciência, uma vez que fazem parte do mundo natural. 1.1.c Tem como objetivo explicar o mundo natural As investigações de Ernest Rutherford visavam a compreender um pequeno, mas esclarecedor, mistério do mundo natural: o átomo. Ele investigou esse mundo usando partículas alfa, que são átomos de hélio sem os seus elétrons. Em uma série de experimentos, Rutherford descobriu que, quando um feixe dessas minúsculas partículas alfa com carga positiva incidiam em uma fina folha de ouro, algumas partículas não se mantinham na sua trajetória linear, mas eram ligeiramente desviadas, e, ainda, outras partículas alfa eram espalhadas em grandes ângulos. Rutherford pretendia saber o que isso poderia dizer sobre a estrutura do átomo. 1.1.d A física trabalha com ideias testáveis Antes de 1910, Ernest Rutherford e muitos outros cientistas tinham a ideia de que a carga positiva e a massa de um átomo eram distribuídas uniformemente por todo o átomo, com elétrons espalhados por toda parte. Esse modelo de átomo – conhecido como “pudim de ameixas”, devido ao suposto arranjo dos elétrons na massa, comparável às ameixas em um pudim – tem elétrons rodeados por um volume de carga positiva, isto é, as "ameixas" são os elétrons carregados negativamente e embutidas na "massa do pudim", que é carregada positivamente. A ideia de que os átomos estão dispostos dessa forma pode ser testada disparando um feixe de partículas alfa em uma folha bem fina de ouro. Se a ideia estivesse correta, então a massa positiva na folha de ouro permitiria que as partículas alfa passassem pela folha com apenas uma pequena dispersão.

1.1.e A física depende de evidências O laboratório de Ernest Rutherford testou a ideia disparando um feixe de partículas alfa através de uma folha de ouro e, de acordo com o modelo de Thomson, as partículas alfa deveriam atravessar a folha de ouro com um pequeno desvio figura ao lado. A evidência resultante dessa experiência foi uma surpresa completa: a maioria das partículas alfa passaram através da folha de ouro sem com uma pequena mudança de direção como era esperado, mas algumas das partículas alfa voltaram na direção oposta, como se tivessem atingido algo denso e sólido na folha de ouro. Se os átomos de ouro fossem realmente como um pudim de ameixas, todas as partículas alfa deveriam ter passado através da folha, mas isso não aconteceu! A partir dessa evidência, Rutherford concluiu que o modelo de “pudim de ameixas” para o átomo, estava incorreto, embora fosse aceito por muitos outros cientistas. Em vez disso, as evidências sugeriam que um átomo é predominantemente um espaço vazio e que a sua carga positiva está concentrada em uma massa densa, formando um núcleo. Quando as partículas alfa carregadas positivamente foram disparadas contra a folha de ouro, a maioria delas passou através do espaço vazio dos átomos de ouro com pouca deflexão, mas algumas delas atingiram o núcleo denso e carregado positivamente de um átomo de ouro e foram repelidas diretamente para trás (como aconteceria se você tentasse aproximar os polos positivos de

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.