MODELOS ATÔMICOS
Durante muito tempo, a constituição da matéria gerava curiosidade no homem. Desde a
Antiguidade, filósofos tentavam descobrir como a matéria é formada.
Dois filósofos gregos, Demócrito e Leucipo, sugeriram que toda a matéria era formada por
pequenos corpos indivisíveis. Chamaram estes corpos de átomo, que em grego a significa não e
tomos significa divisível.
Demócrito, pai da atomística
Então, átomo era a última partícula que podia dividida.
Nos anos 500 e 1500 da era cristã, surgiram entre os árabes e europeus, os alquimistas. Seus
trabalhos eram obter o elixir da longa vida, para que o ser humano se tornasse imortal. Era a pedra
filosofal, capaz de tornar qualquer metal em ouro.
No século XVI, surge a Iatroquímica, que era uma doutrina médica que atribuía a causa química
para tudo o que eu se passava no organismo.
Mais tarde, no século XVIII, nasce a idéia de química com os cientistas que estudaram as Leis
Ponderais, Lavoisier e Proust.
O que é Modelo Atômico?
Os modelos atômicos são teoria baseadas na experimentação feita por cientistas para explicar como
é o átomo.
Os modelos não existem na natureza. São apenas explicações para mostrar o porquê de um
fenômeno. Muitos cientistas desenvolveram suas teorias. Com o passar dos tempos, os modelos
foram evoluindo até chegar ao modelo atual.
Modelos Atômicos
A estrutura da matéria é estudada desde o século V a.C., quando surgiu a primeira ideia sobre sua
constituição. Os filósofos Leucipo e Demócrito afirmavam que a matéria não poderia ser dividida
infinitamente, chegando a uma unidade indivisível denominada átomo. Essas especulações foram
substituídas por modelos baseados em estudos experimentais após milhares de anos.
O átomo seria parecido com uma bola de bilhar (Foto: Wikicommons)
Baseado nas leis ponderais de Lavoisier e Proust, o cientista John Dalton, por volta do ano de 1808,
elaborou sua teoria sobre a matéria, conhecida como teoria atômica de Dalton. As principais
conclusões do modelo atômico de Dalton foram:
➢ A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos;
➢ Os átomos são esferas maciças e indivisíveis;
➢ Os átomos com as mesmas propriedades, constituem um elemento químico;
➢ Elementos diferentes são constituídos por átomos com propriedades diferentes
➢ As reações químicas são rearranjos, união e separação, de átomos.
Modelo de Thomson
Modelo foi comparado a um pudim de passas (Foto: Wikicommons)
Baseado em experiências com cargas elétricas, o cientista inglês Joseph John Thomson, no final do
século XIX, concluiu que o átomo não era uma esfera indivisível, como sugeriu Dalton. A
experiência que levou a elaboração desse modelo, consistiu na emissão de raios catódicos, onde as
partículas negativas eram atraídas pelo polo positivo de um campo elétrico externo. Essas partículas
negativas foram chamadas de elétrons, e para explicar a neutralidade da matéria, Thomson propôs
que o átomo fosse uma esfera de carga elétrica positiva, onde os elétrons estariam uniformemente
distribuídos, configurando um equilíbrio elétrico.
O modelo atômico de Thomsom foi importante porque permitiu explicar a corrente elétrica e
demais fenômenos eletrostáticos. A corrente elétrica consiste no movimento ordenado de elétrons
através de um fio condutor.
Modelo de Rutherford
No início do século XX, o cientista Ernest Rutherford, utilizando a radioatividade, descobriu que o
átomo não era uma esfera maciça, como sugeria a teoria atômica de Dalton. Surgia assim um novo
modelo atômico.
Rutherford bombardeou uma lâmina de ouro com 10-5 cm de espessura, envolvida por uma tela de
sulfeto de zinco, com partículas α (lê-se: alfa) provenientes do elemento polônio protegido por um
bloco de chumbo perfurado. Essa experiência revelou que a grande maioria das partículas
atravessavam a lâmina de ouro, enquanto outras partículas passavam e sofriam pequenos desvios, e
uma quantidade muito pequena não atravessava a lâmina. O percurso seguido pelas partículas α foi
detectado devido à luminosidade refletida na tela de sulfeto de zinco.
Modelo de Rutherford (Foto: Wikicommons)
Comparando o número de partículas emitidas com o de desviadas, Rutherford deduziu que a massa
da lâmina de ouro estaria localizada em pequenos pontos, denominados núcleos, e que o raio do
átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior que o raio do núcleo, sendo o átomo formado por
espaços vazios. A maioria das partículas atravessou a lâmina por meio desses espaços. A explicação
para as partículas α que sofreram desvios foi dada pelo fato do núcleo positivo da lâmina de ouro
repelir as partículas alfa também positivas. As partículas que não atravessaram teriam colidido
frontalmente com esses núcleos, sendo rebatidas.
O modelo atômico de Rutherford concluiu que o átomo era composto por um pequeno núcleo com
carga positiva neutralizada por uma região negativa, denominada eletrosfera, onde os elétrons
giravam ao redor do núcleo.
Modelo de Bohr
De acordo com Rutherford, em um átomo, os elétrons se deslocavam em órbita circular ao redor do
núcleo. Porém, esse modelo contrariava a física clássica, que segundo suas teorias, o átomo não
poderia existir dessa forma, uma vez que os elétrons perderiam energia e acabariam por cair no
núcleo. Como isso não ocorria, pelo átomo ser uma estrutura estável, o cientista dinamarquês Niels
Bohr aperfeiçoou o modelo proposto por Rutherford, formulando sua teoria sobre distribuição e
movimento dos elétrons. Baseado na teoria quântica proposta por Plank, Bohr elaborou os seguintes
postulados:
I- Os elétrons descrevem ao redor do núcleo órbitas circulares, chamadas de camadas eletrônicas,
com energia constante e determinada. Cada órbita permitida para os elétrons possui energia
diferente.
II- Os elétrons ao se movimentarem numa camada não absorvem nem emitem energia
espontaneamente.
III- Ao receber energia, o elétron pode saltar para outra órbita, mais energética. Dessa forma, o
átomo fica instável, pois o elétron tende a voltar à sua orbita original. Quando o átomo volta à sua
órbita original, ele devolve a energia que foi recebida em forma de luz ou calor.
Modelo de Bohr (Foto: Wikicommons)
O modelo Rutherford-Bohr apresenta alguns problemas, como por exemplo, ele não explica por que
o elétron apresenta energia constante, não explica as reações químicas, descreve órbitas circulares
ou elípticas ,quando na verdade os elétrons não descrevem essa trajetória, dentre outras restrições.
Ao longo dos anos, foram realizados muitos estudos em relação à estrutura do átomo levando a
criação de outros modelos, porém o modelo Rutherford-Bohr ainda é o mais difundido no ensino
médio.
Radioatividade
Em 1896, o francês Henri Becquerel descobriu a radioatividade, ele estudava os efeitos da luz
solar sobre determinados materiais fluorescentes, como o minério de urânio. À espera da melhora
do tempo, que se apresentava nublado, guardou a amostra do minério numa gaveta. Ao retirá-la,
alguns dias mais tarde, Becquerel observou que a pedra havia emitido radiações mesmo no escuro e
obteve a primeira prova da existência da radioatividade natural.
Radioatividade é a propriedade que alguns tipos de átomos instáveis apresentam de emitir energia e
partículas subatômicas, o que se convenciona chamar de decaimento radioativo ou desintegração
nuclear. As teorias físicas modernas atribuem a origem da radioatividade a um grau de instabilidade
interna do átomo (nuclídeo pai), que ao se converter em outro átomo (nuclídeo filho) alcança maior
estabilidade.
História da radioatividade
Após a descoberta da radioatividade dos minérios de urânio por
Becquerel, o casal Pierre e Marie Curie comprovou a existência de
outras substâncias com atividade radioativa. Simultaneamente com o
alemão Gerhard Carl Schmidt, o casal encontrou alto índice de
radioatividade no tório. Mais tarde, ao analisar alguns minérios de
urânio, em especial as pechblendas, Marie Curie detectou uma
intensidade radioativa maior do que a observada no urânio e supôs que
esses minerais continham algum elemento químico radioativo ainda
não descoberto. Prosseguindo em suas experiências, os Curie
separaram da pechblenda um elemento 400 vezes mais radioativo que o urânio, a que chamaram
polônio, em homenagem à terra natal da cientista. Mais tarde, conseguiram isolar a partir da
pechblenda outro elemento milhares de vezes mais ativo que o urânio, que denominaram rádio.
A pesquisa de novos materiais radioativos prosseguiu nas décadas seguintes e resultou na
descoberta de elementos até então desconhecidos, como o actínio, isolado por André Louis
Debierne, em 1899, e por Friedrich Otto Giesel, em 1902, além do mesotório e do radiotório,
isótopos do rádio e do tório, respectivamente, descobertos por Otto Hahn.
Os estudos sobre o comportamento dessas substâncias, junto com os avanços da teoria atômica,
resultaram, durante as primeiras décadas do século XX, numa nova concepção sobre a estrutura da
matéria e derrubaram a idéia de indivisibilidade do átomo enunciada no início do século XIX. A
hipótese estabelecida sobre a radioatividade, definida como a desintegração dos átomos, foi
reforçada com a descoberta do nêutron por James Chadwick em 1932. Essa nova partícula, de carga
elétrica neutra, complementou uma teoria da estrutura atômica que compreende o átomo como uma
conjunção equilibrada de dois componentes: o núcleo, composto de nêutrons e prótons, partículas
elementares de carga positiva, e os elétrons, partículas fundamentais de carga negativa, distribuídas
na região extranuclear e responsáveis pelas propriedades químicas dos elementos. Assim, a
radioatividade não é senão a conseqüência de uma perda, por parte do átomo, de alguns de seus
componentes, ou a emissão de subpartículas por desequilíbrio dos campos de energia internos.
Em 1934, o casal Frédéric Joliot e Irène Curie (filha de Pierre e Marie Curie) anunciou a descoberta
da radioatividade artificial. Eles constataram que alguns núcleos atômicos, bombardeados com
determinados tipos de radiações de partículas, tinham sua estrutura interna alterada e passavam a
apresentar propriedades radioativas. Os procedimentos de transmutação artificial dos elementos
químicos resultaram na obtenção de isótopos artificiais e radioativos da maioria dos átomos
conhecidos e na descoberta de numerosos átomos novos, como os transurânicos (netúnio, plutônio,
amerício etc).
O emprego de técnicas de transmutação radioativa permite obter elementos químicos artificiais
desconhecidos na natureza. De vida extremamente curta, devido a seu caráter fortemente radioativo,
esses elementos sofrem imediatas transformações, que os convertem em elementos naturais.
Tipos de radioatividade
Os estudos realizados sobre o fenômeno da radioatividade, a partir do final do século XIX,
comprovaram a existência de três tipos de radiações emergentes do interior dos átomos: os raios
alfa, os raios beta e os raios gama.
Raios alfa (a). De natureza eletropositiva e identificados como feixes de núcleos de hélio, os raios
alfa são altamente energéticos e emitidos pelos elementos radioativos a milhares de quilômetros por
segundo. São também chamados partículas alfa. Apesar de seu elevado conteúdo energético,
possuem baixa penetrabilidade e são facilmente detidos por folhas de papel, de alumínio e de outros
metais.
Raios beta (b). Também chamados de partículas beta, de carga negativa (b+, elétrons) ou positiva
(b- , pósitrons), os raios beta são identificados como partículas de alta energia expelidas pelos
núcleos de átomos radioativos. Essas partículas não são constituintes do núcleo, mas surgem
durante o decaimento beta, quando o núcleo emite elétrons (ou pósitrons) ou captura um elétron
orbital para adquirir estabilidade. As partículas beta possuem menor energia que as alfa, mas
apresentam maior poder de penetração, razão pela qual ultrapassam a barreira das lâminas metálicas
finas usadas para deter as partículas alfa. Para isolar a radiação beta, é necessário usar lâminas
muito mais espessas.
Raios gama (g). Eletricamente neutros e constituídos de radiação eletromagnética (fótons) de
freqüência superior ao do espectro da luz visível e a dos raios X, os raios gama são emitidos quando
os núcleos efetuam transições, por decaimento alfa, de estados excitados para os de energia mais
baixa. Sua energia e capacidade de penetração dificultam a manipulação. A excessiva exposição dos
tecidos vivos a esses raios ocasiona malformações nas células, que podem provocar efeitos
irreversíveis.
Atualmente sabe-se que existem também radiações devidas a fissão espontânea do núcleo, que são
observadas em núcleos pesados como os de urânio, plutônio e netúnio. Essa radiação ocorre devido
à quebra espontânea do núcleo em dois núcleos mais leves, com liberação de nêutrons.
Os principais métodos de detecção dessas radiações são a câmara de Wilson, que permite efetuar
um traçado da trajetória das partículas radioativas num gás saturado de vapor d’água; os contadores
Geiger-Müller e de outros tipos, que determinam o número de partículas radioativas que atravessam
certa região do espaço; e as câmaras de ionização, generalização dos contadores Geiger-Müller, que
distinguem a passagem das partículas por meio de pulsos de carga elétrica que produzem nos
dispositivos de detecção.
Propriedades dos materiais radioativos. Após a confirmação das hipóteses enunciadas por Ernest
Rutherford e Frederick Soddy, segundo as quais a radioatividade resulta da transmutação de
elementos químicos em outros, o próprio Soddy e Kasimir Fajans enunciaram as leis que levam
seus nomes e que determinam os produtos finais de uma decomposição radioativa, resumidas na
chamada lei do deslocamento radioativo: o átomo radioativo que decai pela emissão de uma
partícula alfa se transforma num elemento químico diferente, com dois prótons a menos em seu
núcleo e com quatro unidades de massa atômica a menos; se o decaimento resulta da emissão de
uma partícula beta, seu número atômico se eleva uma unidade. Por exemplo, uma emissão alfa de
urânio produz tório, que por emissão beta produz um átomo de protactínio.
A instabilidade dos núcleos atômicos, espontânea ou induzida, reduz, por emissão de radioatividade,
a massa do material radioativo, que se transforma de forma progressiva em outra substância. A
velocidade de transmutação de um elemento radioativo é determinada pela constante de
desintegração, ou tempo de vida, valor que mede a probabilidade de um átomo radioativo sofrer
uma transformação na unidade de tempo considerada, e o tempo de meia-vida (semidesintegração),
definido como o tempo necessário para que uma quantidade de substância radioativa reduza sua
massa à metade.
A natureza probabilística da desintegração radioativa conduz à definição do conceito de meia-vida
dos elementos — a média aritmética dos tempos de vida dos átomos do elemento radioativo antes
de sofrerem decaimento. Os períodos de semidesintegração oscilam entre milésimos de segundos
(por exemplo, nas variedades do polônio e o astato) e bilhões de anos (como nos isótopos mais
estáveis do urânio e do tório).
Fissão Nuclear
A fissão nuclear é uma reação que ocorre no núcleo de um átomo. Geralmente o núcleo pesado é
atingido por um nêutron, que, após a colisão, libera uma imensa quantidade de energia. No processo
de fissão de um átomo, a cada colisão são liberados novos nêutrons. Os novos nêutrons irão colidir
com novos núcleos, provocando a fissão sucessiva de outros núcleos e estabelecendo, então, uma
reação que denominamos reação em cadeia.
Um parâmetro importante para analisar a estabilidade de um núcleo é a razão entre o número de
prótons e o número de nêutrons. Por um lado, a falta de nêutrons pode tornar a distância entre
prótons tão pequena que a repulsão se torna inevitável, resultando na fissão do núcleo. Por outro
lado, como a força nuclear é de curto alcance, o excesso de nêutrons pode acarretar uma superfície
de repulsão eletromagnética insustentável, que também resultaria na fissão do núcleo. Assim, um
dos principais fatores para a estabilidade do núcleo é que tenhamos N = Z.
Quando o isótopo urânio-235 (235U) recebe um nêutron, ele passa para um estado excitado que
corresponde ao urânio-236 (236U). Pouco tempo depois esse novo núcleo excitado se rompe em
dois novos elementos. Esse rompimento, além de liberar novos nêutrons, libera uma grande
quantidade de energia.
Os nêutrons provenientes do rompimento do núcleo excitado vão encontrar novos núcleos, gerando,
portanto, uma reação em cadeia. A fim de que os novos nêutrons liberados encontrem novos
núcleos, para assim manter a reação em cadeia, após a fissão do núcleo de urânio, deve-se ter uma
grande quantidade de urânio-235. Como a concentração de urânio-235 no mineral urânio é pouca,
obtém-se o urânio 235 em grande escala através do processo de enriquecimento do urânio.
Usinas nucleares
Um reator nuclear é um dispositivo usado em usinas para controlar a reação de fissão nuclear.
Essa reação ocorre de forma descontrolada, por exemplo, na explosão de bombas atômicas; mas os
reatores possuem mecanismos que impedem isso, fazendo com que a reação seja controlada e
reaproveitada para gerar energia elétrica.
A energia gerada em forma de calor faz com que a temperatura da água se eleve no interior do
reator, a ponto de ela ser transformada em vapor. Esse vapor aciona uma turbina, que gera a energia
elétrica.
Depois de deixar a turbina, o vapor passa por um trocador de calor, que funciona como um
condensador, onde o vapor é resfriado por uma fonte externa natural localizada próxima à usina
(normalmente trata-se da água de um rio, lago ou mar) e volta na forma líquida ao circuito
principal, iniciando novamente todo o processo. É por isso que as usinas nucleares costumam se
encontrar em regiões próximas ao mar.
O Brasil possui três reatores nucleares na Usina de Angra dos Reis, localizada no litoral do estado
do Rio de Janeiro. Atualmente existem em todo o mundo 438 reatores nucleares em operação, que
correspondem a 14% da produção de energia elétrica mundial. Os Estados Unidos possuem 104
reatores, a França 59 e o Japão 55.