Questão 129 — ENEM 2020 Digital

Ficha da Questão

• 📚 Matérias Necessárias: Química → Modelos Atômicos (descoberta do elétron, experimento dos raios catódicos)
• ⚡ Nível: Médio — exige cruzar um dado experimental (invariância da razão carga/massa) com a leitura de um esquema de deflexão elétrica
• 🎯 Tema/Habilidade: Natureza elétrica da matéria e evolução dos modelos atômicos — interpretar um fenômeno científico a partir de dados experimentais e de representação esquemática
• 🏆 Gabarito: D — revelado após resolução completa

Passo 1 — Leitura Estratégica do Comando

• Comando reformulado: "Descubra de que partícula é feita a radiação do tubo de raios catódicos, sabendo que a razão carga/massa dela não muda, seja qual for o metal do cátodo ou o gás dentro da ampola."
• Palavras-chave decisivas: independe do material do cátodo, independe do gás, razão entre a carga e a massa
• Armadilha típica: confundir raios catódicos com os "raios positivos" (canal rays), que de fato variam conforme o gás usado, ou supor que, por serem "radiação subatômica", só poderiam ser prótons ou partículas alfa.
• O que a resposta precisa demonstrar: que uma propriedade constante e universal (mesma razão e/m em qualquer ampola) só pode pertencer a uma partícula fundamental presente em todos os átomos — não a um íon específico de um elemento.

Passo 2 — Mapa de Conceitos Essenciais

• Tubo de raios catódicos: ampola de vidro sob vácuo com dois eletrodos — cátodo (–) e ânodo (+) — ligados a uma fonte de alta tensão; ao aplicar a diferença de potencial, surge um feixe que parte do cátodo, atravessa um orifício no ânodo e produz fluorescência ao atingir o revestimento no fim do tubo.
• Deflexão eletromagnética: ao passar entre duas placas carregadas (uma positiva e outra negativa), o feixe se curva na direção da placa de carga oposta à sua — comportamento típico de partículas eletricamente carregadas, regido pela atração e repulsão coulombianas.
• Razão carga/massa (e/m): grandeza medida por J. J. Thomson em 1897 a partir do grau de deflexão do feixe sob campos elétrico e magnético conhecidos; o valor obtido foi sempre o mesmo, independentemente do metal do cátodo ou do gás residual na ampola.
• Critério de universalidade: se uma propriedade física de uma partícula não muda ao trocar o material de origem, ela não pode ser um fragmento específico de um elemento (como um íon) — precisa ser um constituinte elementar, presente da mesma forma em toda a matéria.

Passo 3 — Decodificação do Enunciado

• Evidência 1: "Medições da razão entre a carga e a massa dos constituintes dos raios catódicos mostram que a sua identidade independe do material do cátodo ou do gás dentro das ampolas." → mostra que a partícula é idêntica em qualquer condição experimental — logo, é um componente universal da matéria, não um íon químico específico.
• Evidência 2 (figura): o esquema mostra o cátodo marcado com "–" e o ânodo com "+"; o feixe de "raios catódicos" atravessa o orifício do ânodo, entra na região entre a "placa negativa" (acima) e a "placa positiva" (abaixo) e se curva claramente para baixo, em direção à placa positiva. → revela que a radiação tem carga elétrica negativa, pois é atraída pela placa de carga oposta.
• Síntese: a radiação é negativa (evidência 2) e idêntica em qualquer ampola, qualquer que seja o metal do cátodo ou o gás usado (evidência 1). A única partícula subatômica que reúne simultaneamente carga negativa e presença universal em toda a matéria é o elétron.

Passo 4 — Resolução Completa (Passo a Passo)

Subpasso 4.1 — Determinando o sinal da carga pela trajetória do feixe

Na figura, o cátodo (eletrodo negativo, "–") está ligado à fonte de alta tensão junto com o ânodo (eletrodo positivo, "+"). O feixe de raios catódicos parte do cátodo, atravessa o orifício central do ânodo e segue em linha reta até a região das placas defletoras. Ali, a placa superior é a "placa negativa" e a inferior é a "placa positiva" — e a trajetória desenhada mostra o feixe se curvando para baixo, na direção da placa positiva. Pela lei de Coulomb, cargas de sinais opostos se atraem. Logo, se o feixe é atraído pela placa positiva, a radiação deve ter carga elétrica negativa. Esse único dado já elimina, de partida, prótons e partículas alfa (ambos positivos) e coloca em xeque cátions (também positivos).

Subpasso 4.2 — Usando a razão carga/massa para eliminar íons

O enunciado dá uma informação experimental decisiva: a razão carga/massa (e/m) dos raios catódicos é a mesma, não importa o metal do cátodo nem o gás residual da ampola. Se a radiação fosse formada por ânions — átomos ou moléculas do gás residual que capturaram elétron(s) —, a razão e/m variaria de ampola para ampola, porque cada gás (hidrogênio, nitrogênio, oxigênio etc.) tem massa atômica diferente, alterando o valor de m no denominador. O mesmo raciocínio vale para eventuais cátions do gás ionizado. Como e/m é constante e não depende da composição química do sistema, a partícula não pode ser um íon "emprestado" de um elemento específico: ela precisa ser um constituinte elementar, presente igualmente em todos os átomos de todos os elementos.

Subpasso 4.3 — Verificação com o contexto histórico

Esse é exatamente o experimento de J. J. Thomson (1897): usando a constância da razão e/m associada à deflexão em campos elétrico e magnético, ele identificou uma partícula muito menor que o átomo de hidrogênio, de carga negativa e presente em qualquer material testado — o elétron. Esse achado derrubou o modelo do átomo indivisível de Dalton e deu origem ao modelo do "pudim de passas" de Thomson. Conferindo com o que se pede: carga negativa (bate com a deflexão observada) e partícula fundamental e universal, não iônica (bate com a invariância de e/m). As duas condições convergem para a mesma resposta: elétrons.

Passo 5 — Análise Crítica de Todas as Alternativas

A) ânions.

❌ Incorreta: ânions são átomos ou moléculas que ganharam elétron(s) e, por isso, têm carga negativa — mas sua massa (e, portanto, sua razão carga/massa) depende diretamente do elemento ou gás de origem. Um ânion formado a partir de oxigênio teria e/m diferente de um formado a partir de nitrogênio, o que contraria o dado do enunciado de que a razão é a mesma em qualquer ampola.

B) cátions.

❌ Incorreta: além de cátions terem carga positiva — o que já contraria a deflexão do feixe em direção à placa positiva, já que cargas de mesmo sinal se repelem —, eles também teriam razão carga/massa variável conforme o gás ou metal envolvido, repetindo o problema apontado em A.

C) prótons.

❌ Incorreta: prótons têm carga positiva, de modo que seriam repelidos pela placa positiva e atraídos pela negativa — o oposto do que a figura mostra. Além disso, o próton tem massa cerca de 1.836 vezes maior que a do elétron, o que geraria uma razão e/m muito menor; historicamente, partículas positivas só foram evidenciadas em experimentos posteriores (raios canais, de Goldstein), que variam justamente conforme o gás da ampola — diferente do que descreve o enunciado.

D) elétrons.

✅ Correta: carga elétrica negativa, coerente com a deflexão do feixe em direção à placa positiva, e razão carga/massa universal — idêntica em qualquer ampola, seja qual for o metal do cátodo ou o gás residual. Essa é justamente a assinatura de uma partícula subatômica fundamental, presente em todos os átomos.

E) partículas alfa.

❌ Incorreta: partículas alfa são núcleos de hélio (2 prótons + 2 nêutrons), possuem carga positiva e massa muito maior que a de um elétron; são emitidas em processos de decaimento radioativo de núcleos instáveis, fenômeno distinto do que ocorre em um tubo de raios catódicos sob alta tensão.

🏆 Gabarito: D — os raios catódicos são feixes de elétrons: a deflexão em direção à placa positiva comprova a carga negativa, e a razão carga/massa constante, independente do cátodo ou do gás, comprova que se trata de uma partícula fundamental e universal da matéria.

Passo 6 — Conclusão, Generalização e Dica de Prova

• Reafirmação do gabarito: apenas os elétrons explicam, ao mesmo tempo, a atração do feixe pela placa positiva (carga negativa) e a invariância da razão carga/massa em qualquer condição experimental (partícula fundamental, presente em toda a matéria).
• Padrão de cobrança: o ENEM gosta de reconstruir experimentos históricos da Química/Física (Thomson, Rutherford, Millikan, Chadwick) e pedir que o candidato raciocine a partir dos dados fornecidos no texto, sem precisar decorar nomes — as pistas decisivas costumam estar no próprio enunciado, como aqui a constância de e/m.
• Generalização: sempre que uma propriedade de uma "radiação" ou partícula for constante e independente do material de origem em um experimento, ela aponta para uma partícula fundamental e universal, e não para um íon ou fragmento específico de um elemento químico.
• Dica de eliminação rápida: primeiro use a direção da deflexão na figura para descartar as cargas erradas (feixe vai para a placa positiva → partícula é negativa → elimina C, E e B em poucos segundos); depois use a constância da razão carga/massa para eliminar qualquer opção que dependa da composição do material (A).
• Conexões: modelo atômico de Thomson ("pudim de passas"), experimento da gota de óleo de Millikan (medida da carga elementar do elétron) e experimento de Rutherford (descoberta do núcleo atômico a partir do espalhamento de partículas alfa).