quarta-feira, 31 de março de 2010

A EVOLUÇÃO DOS MODELOS ATÔMICOS

Introdução

Por volta de 2.450 de anos atrás ( 450 anos a. C. ), o Homem já começava a tentar explicar a constituição da matéria. Essa tentativa era realizada pelos filósofos da Antigüidade, que usavam apenas o pensamento filosófico para fundamentar seus modelos e não utilizavam métodos experimentais para tentar explicá-los.

A evolução dos modelos atômicos se deu por alguns postulados ( filósofos da Antigüidade ), que vigoravam até um certo tempo, pois eram "quebrados" ( substituídos ) por modelos baseados em métodos experimentais, que eram mais aceitos, e ainda, estes também eram substituídos por outros modelos mais aceitos. Em outras palavras e generalizando, toda teoria tem o seu período de desenvolvimento gradativo, após o qual poderá sofrer rápido declínio. Quase todo avanço da ciência surge de uma crise da velha teoria, através de um esforço para encontrar uma saída das dificuldades criadas.

Hoje, o modelo atômico que "está em vigor" é o Modelo da Mecânica Quântica ou da Mecânica Ondulatória (Modelo Orbital), o qual será visto adiante.


De Leucipo ( 450 a. C. ) a Dalton ( 1.808 d. C. )

Leucipo afirmou, por volta de 450 a.C., que a matéria podia ser dividida em partículas cada vez menores, até chegar-se a um limite.

Demócrito viveu por volta de 470 a. C. a 380 a. C. e era discípulo de Leucipo. Utilizando-se também do pensamento filosófico, defendeu a idéia do mestre, a idéia de que a matéria era descontínua, ou seja, a matéria era formada por minúsculas partículas indivisíveis. Ele afirmava então que, a menor partícula que compunha qualquer tipo de matéria era indivisível. A essa menor partícula, Demócrito denominou átomo ( a palavra átomo significa, em grego, indivisível ). Demócrito postulou que qualquer matéria é resultado da combinação de átomos de quatro elementos: água, terra, fogo e ar. Segundo Demócrito: "as únicas coisas que existem são os átomos e os espaços entre eles, tudo o mais é mera opinião".

As idéias de Demócrito, para alguns filósofos, eram um absurdo, "pois como iria existir algo indivisível?". Porém, para alguns, suas idéias faziam sentido. Houve muitos seguidores da idéia da "partícula indivisível", mas para a maioria isso era um absurdo. Um dos filósofos que rejeitou o modelo de Demócrito foi Aristóteles, um dos maiores pensadores filosóficos de todos os tempos. Aristóteles afirmava que a matéria era contínua, ou seja, a matéria vista como um "todo inteiro", não sendo constituída por partículas indivisíveis.

Enfim, o modelo aceito pela maioria até o final do século 16 não foi o de Demócrito e Leucipo, mas sim o de Aristóteles, o modelo da matéria contínua.

No século 17, experiências demonstraram que o comportamento das substâncias era inconsistente com a idéia de matéria contínua e o modelo de Aristóteles desmoronou .

No final do século 18, Lavoisier e Proust iniciaram experiências relacionando entre si as massas das substâncias participantes das reações químicas. Surgiram então as leis ponderais das reações químicas ( leis formuladas por Lavoisier, Proust, Dalton e Richter ).

Para explicar essas leis, em 1.808, Dalton propôs a sua teoria e o seu modelo atômico: o átomo é uma minúscula partícula ( esfera ) maciça, indestrutível, impenetrável e indivisível. Para ele todos os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos, mas esses são diferentes dos átomos dos outros elementos químicos. Seu modelo atômico também é conhecido como modelo da bola de bilhar.

Analisando o modelo de Dalton hoje, nota-se um equívoco, pois, como já mencionado, para Dalton todos os átomos de um elemento são idênticos, ou seja, os átomos de um mesmo elemento químico possuem iguais entre si até as suas próprias massas, o que não é verdade, por que hoje sabe-se da existência dos isótopos. Isótopos são átomos de um mesmo elemento químico que diferem de número de massa. Assim, nota-se uma falha no modelo de Dalton no fato de que ele considerava idênticos todos os átomos de um mesmo elemento químico. Esta falha é notificada então, em virtude da existência dos isótopos, pois esses apresentam iguais, apenas o número de prótons, sendo o número de nêutrons diferentes ( o que resulta em átomos de mesmo elemento químico porém com diferentes massas, pois como se sabe, a massa de um átomo é dado como sendo a soma entre a quantidade de prótons e a de nêutrons: A = Z + N, sendo Z constante, por estar relacionando isótopos ) .

Modelo Atômico de Dalton: "bola de bilhar".
O átomo seria uma esfera (partícula) maciça e indivisível.

A grande diferença entre o modelo atômico de Dalton e o dos filósofos da Antigüidade ( Leucipo e Demócrito ) é que o modelo de Dalton foi criado com base em resultados experimentais, sendo portanto, um modelo científico. Ao contrário, o modelo dos filósofos da Antigüidade era fundamentado unicamente em pensamento filosófico, sem nenhuma base experimental.

De Dalton ( 1.808 ) a Bohr ( 1913 )

O modelo atômico de Dalton, ou seja, a idéia de que o átomo é uma esfera maciça e indivisível vigorou até o final do século 19, quase praticamente durante todo o século 19. Somente em 1.897, apareceu o modelo atômico de Thomson, que provou que o átomo era dividido em partículas ainda menores, invalidando o modelo de Dalton.

O físico inglês J. J. Thomson demonstrou que os raios catódicos podiam ser interpretados como sendo um feixe de partículas carregadas. Utilizando-se de uma Ampola de Crookes ( onde há descargas elétricas em campos elétricos e magnéticos ), Thomson conseguiu relacionar a carga com a massa do elétron e determinou o valor dessa relação.

Thomson verificou que o valor dessa relação ( carga/massa ) era igual para qualquer gás que fosse colocado dentro da Ampola de Crookes. Com isso, ele conclui que os elétrons deveria ser um componente de toda matéria ( já que qualquer gás apresentava a mesma relação carga/massa do elétron ).

Veja como Thomson conclui que os elétrons faziam parte de toda matéria e como ele pesquisou os raios catódicos clicando aqui.

Após analisar os resultados obtidos com os raios catódicos ( elétrons ) e com o constante valor da relação carga/massa do elétron, em 1.898, Thomson apresentou seu modelo atômico: uma esfera de carga positiva na qual os elétrons, de carga negativa, estão distribuídos mais ou menos uniformemente. A carga positiva está distribuída de forma homogênea, por toda a esfera. Seu modelo também é conhecido como o "modelo de pudim com passas".

Modelo de Thomsom: "pudim com passas".
O pudim logicamente é toda a esfera positiva ( em azul ) e as passas são os elétrons ( em amarelo ), de carga negativa.

Modelo Atômico de Rutherford

Para chegarmos ao modelo atômico de Rutherford, é preciso compreender primeiramente como ele e sua equipe de colaboradores chegaram ao modelo no qual havia a idéia de elétrons em órbitas em torno de um núcleo. Para saber e compreender com Rutherford chegou ao seu modelo, não deixe de clicar na figura abaixo.

A experiência de Rutherford também é chamada também de experiência do espalhamento das partículas alfa. Essa experiência foi a base experimental do modelo do átomo nucleado.


Modelo atômico de Rutherford: modelo planetário do átomo.
O átomo é formado por um núcleo muito pequeno em relação ao átomo, com carga positiva, no qual se concentra praticamente toda a massa do átomo. Ao redor do núcleo localizam-se os elétrons neutralizando a carga positiva.

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.

raio do átomo ~ 10.000 x raio do núcleo
( onde ~ significa aproximadamente )

Hoje, admite-se que o raio do átomo é da ordem de 1Å ( 1 · 10 -10m ) e o raio do núcleo desse mesmo átomo é da ordem de 10-14m.

raio do átomo ~ 10 -10m
raio do núcleo ~ 10-14m

( onde ~ significa aproximadamente )

veja aqui as frações do metro: nanômetro, picômetro etc.

Como toda teoria tem seu período de desenvolvimento e está sujeita a declínios, logo surgiram dificuldades para a aceitação do modelo de Rutherford: como os elétrons têm carga negativa e o núcleo tem carga positiva, existe atração entre os elétrons e o núcleo, pois cargas elétricas opostas (negativa dos elétrons e positiva do núcleo) atraem-se. Como explicar o fato de os elétrons não caírem sobre o núcleo?
Rutherford contornou essa dificuldade admitindo que os elétrons giravam em torno do núcleo em órbitas circulares, a altíssima velocidade, de tal modo que a aceleração centrípeta desenvolvida nesse movimento equilibraria a atração exercida pelo núcleo.
No sistema planetário, havia uma explicação semelhante para o fato de o planeta não cair sobre o Sol, embora fosse atraído por ele com uma enorme força gravitacional. O movimento do planeta em sua órbita ao redor do Sol produz uma aceleração centrípeta que se equilibra com a força de atração gravitacional exercida pelo Sol.
O modelo do átomo nucleado de Rutherford era então muito parecido com o sitema planetário, no qual o Sol representava o núcleo, e os planetas simbolizavam os elétrons girando em torno do núcleo (daí vem o fato de o modelo de Rutherford ser chamado de modelo planetário do átomo, além da semelhança que apesenta com o sitema planetário).

Surgiu, então, outra dificuladade: uma carga elétrica negativa (elétrons) em movimento ao redor de outracarga elétrica positiva estacionário (núcleo) emite radiação constantemente, perdendo energia. Se no fato citado os elétrons perdem energia por radiação ao entrar em movimento ao redor do núcleo, os elétrons vão gradativamente se aproximando do núcleo num movimento espiralado, acabando (logicamente) por colidir com ele.

Essa dificuldade só foi superada com o surgimento do Modelo Atômico de Bohr, em 1.913.

Modelo Atômico de Bohr (1.913)

Depois de estudos envolvendo outros conceitos da Física nos sistemas microscópicos (como os átomos e seus constituintes por exemplo), o físico dinamarquês Niels Bohr consequiu superar as dificuldades encontradas no modelo de Rutherford, essas, que foram citadas acima (em itálico).
A "solução" encontrada por Bohr, que modificou o modelo de Rutherford, veio com a seguinte idéia:

· um elétron num átomo adquire apenas certas energias, e cada energia é representada por uma órbita definida, particular. Se o elétron recebe energia ele pula para uma outra órbita mais afastada do núcleo. Pode ocorrer no elétron a perda de energia por irradiação, e sendo assim, o elétron cai para uma órbita mais próxima do núcleo. Todavia o elétron não pode ficar entre duas órbitas definidas, específicas, pois essa não seria uma órbita estável ( órbita não específica ).
Conclui-se então que: quanto maior a energia do elétron, mais afastado ele está do núcleo.

Em outras palavras: um elétron só pode estar em movimento ao redor do núcleo se estiver em órbitas específicas, definidas, e não se encontra em movimento ao redor do núcleo em quaisquer órbitas.

As órbitas permitidas constituem os níveis de energia do átomo ( camadas K L M N ... ).

Modelo Atômico de Sommerfeld (1.916)

Após o modelo de Bohr postular a existência de órbitas circulares específicas, definidas, em 1.916 Sommerfeld postulou a existência de órbitas não só circulares, mas elípticas também. Para Sommerfeld, num nível de energia n, havia uma órbita circular e (n-1) órbitas elípticas de diferentes excentricidades.
Por exemplo, no nivel de energia n = 4 (camada N), havia uma órbita circular e três órbitas elípticas. Cada uma das órbitas elípticas constitui um subnível, cada um com sua energia.

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