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Rutherford e sua equipe de colaboradores utilizaram o polônio como fonte de partículas alfa. Esse elemento radioativo emite contínua e espontaneamente partículas alfa de seus átomos. Já se sabia que essas partículas eram dotadas de carga elétrica positiva, com massa 4 x 1.836 vezes maior que a dos elétrons, e eram emitidas com velocidade da ordem de 20.000 Km/s. As partículas alfa são invisíveis, porém, ao colidir em substâncias fluorescentes, como o sulfeto de zinco, produzem cintilações que podem ser detectadas. Diante do feixe de partículas alfa foi colocada uma chapa recoberta internamente com material fluorescente, para que nela se registrassem as cintilações provocadas pela colisão das partículas alfa. Colocando uma lâmina delgada de ouro interceptando o feixe de partículas alfa, Rutherford e seus colaboradores notaram que a grande maioria das partículas alfa atravessava livremente a lâmina, como se nada existisse em seu caminho, e continuava produzindo cintilações numa região da chapa fluorescente, o que indicava que as partículas alfa se propagavam na mesma direção, sem sofrer nenhum desvio. Ocasionalmente, porém, algumas partículas alfa eram desviadas de sua trajetória, ao atravessar a lâmina, e iam produzir cintilações em pontos afastados da região de incidência da grande maioria das partículas alfa.
As partículas alfa que colidiam frontalmente com o núcleo eram refletidas. Como o tamanho do núcleo é muito pequeno em relação ao tamanho do átomo, a probabilidade de uma partícula alfa passar próximo ao núcleo ou colidir frontalmente com ele é muito pequena. Por isso, a grande maioria das partículas alfa atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvio em sua trajetória. Finalmente, como a massa da partícula alfa é 4 x 1.836 vezes maior que a do elétron, ela não poderia sofrer desvios na colisão com ele. Imaginar um desvio da partícula alfa ao colidir com um elétron seria tão absurdo como imaginar um projétil disparado por uma arma de fogo ser desviado ao colidir com um grão de poeira em suspensão no ar.
Rutherford e seus colaboradores verificaram que, para aproximadamente cada 10.000 partículas alfa que incidiam na lâmina de ouro, apenas uma (1) era desviada ou refletida. Com isso, concluíram que o raio do átomo era 10.000 vezes maior que o raio do núcleo. Fazendo uma comparação, se o núcleo de um átomo tivesse o tamanho de uma azeitona, o átomo teria o tamanho do estádio do Morumbi.
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