Resumo de Atomística
Estudo do átomo - modelos atômicos
Não há mais dúvida de que os átomos existem e de que eles são as pequenas unidades
que constituem os elementos. Os químicos usam sua existência como definição de elemento: um
elemento é uma substância composta de apenas uma única espécie de átomo. Os gregos antigos
pensavam que havia quatro elementos – terra, fogo, água e ar – que poderiam produzir todas as
outras substâncias quando combinados nas proporções corretas. Seu conceito de elemento é
similar ao nosso; mas, baseados em experimentos, sabemos agora que existem, na realidade,
mais que uma centena de elementos que – em várias combinações – constituem toda a matéria
sobre a Terra.
A filosofia grega descobrindo o átomo
Os gregos perguntavam-se o que poderia acontecer se eles dividissem a matéria em peças
cada vez menores. Haveria um ponto no qual teriam que parar porque os pedaços não mais
teriam as mesmas propriedades do conjunto, ou poderiam continuar cortando indefinidamente?
Sabemos agora que há um ponto em que temos que parar. Isto é, a matéria consiste de
partículas inimaginavelmente pequenas. A menor partícula que pode existir de um elemento é o
átomo. Os filósofos gregos Demócrito e Leucipo são considerados os primeiros a pensar na
matéria nesse sentido, como também são considerados criadores da palavra átomo (sem divisão).
A história de como o modelo moderno do átomo foi desenvolvida é uma excelente ilustração de
como os modelos científicos se desenrolam e são revisados.
O átomo esférico e indivisível – modelo atômico de Dalton
O primeiro argumento convincente para átomos foi feito em 1807, pelo professor e químico
inglês John Dalton. Ele fez muitas medidas das razões das massas dos elementos que se
combinavam para formar compostos e foi capaz de detectar razões de massas consistentes que
o levaram a desenvolver sua hipótese atômica:
1)
2)
3)
4)
Todos os átomos de um dado elemento são idênticos.
Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes.
Um composto é uma combinação específica de átomos de mais um elemento.
Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, mas trocam de
parceiros para produzir novas substâncias.
Há dois séculos, Dalton representou os átomos como se fossem esferas do tipo de uma
bola de bilhar. Hoje sabemos que os átomos têm uma estrutura interna: eles são constituídos por
partículas subatômicas menores.
Segundo Dalton, os átomos eram indivisíveis, eletricamente neutros e indestrutíveis. Mesmo
que não tenha feito grande contribuição, Dalton foi o primeiro a fazer um desenho do átomo.
O modelo atômico “bola de bilhar” e seu criador, John Dalton
O tubo de imagem da televisão – a descoberta do elétron por Thomson
O físico britânico Joseph John Thomson estava investigando os raios catódicos, que são
emitidos quando uma alta diferença de potencial (uma alta tensão) é aplicada sobre dois
eletrodos em um tubo de vidro sob vácuo. Thomson mostrou que os raios catódicos eram feixes
de partículas eram carregadas negativamente. Eles provêm dos átomos que constituem o
eletrodo carregado negativamente, que é chamado de cátodo. Thomson descobriu que as
partículas carregadas eram as mesmas, independentemente do metal usado para o cátodo. Ele
concluiu que era parte de todos os átomos. Essas partículas foram chamadas de elétrons.
Embora os elétrons tenham carga negativa, os átomos tem carga neutra. Portanto os
cientistas sabiam que cada átomo deveria conter um número suficiente de cargas positivas para
cancelar a negativa. Mas onde estava a carga positiva? Thomson sugeriu um modelo de átomo
como uma esfera maciça carregada positivamente, com elétrons carregados negativamente
incrustados na superfície. Porém, esse modelo foi derrubado com um simples experimento.
Joseph John Thomson e seu modelo atômico.
Os raios canais e Eugen Goldstein: Uma variação do experimento de Thomson
Ao estudar os raios catódicos em uma ampola de Crookes, Eugen Goldstein introduziu
em 1886 uma nova variante na experiência: perfurou o cátodo da ampola e percebeu um feixe de
raios de luz (os quais deu o nome de raios canais) na direção oposta ao feixe dos raios catódicos.
Se os raios catódicos eram negativos, este novo raio deveria ter um caráter positivo. No entanto,
Goldstein não compreendeu exatamente o que acontecia e o assunto foi esquecido por alguns
anos.
Mais tarde, exatamente 12 anos depois, Wilhelm Wien retomou os experimentos com um
diferencial: submeteu o raio a um campo eletrostático muito mais intenso que o de seu
antecessor. Com os experimentos, Wien concluiu que os raios eram compostos por
Hidrogênio ionizado.
No entanto, apenas em 1919, Ernest Rutherford publica os seus estudos acerca de
desintegração artificial e, consequentemente, a conclusão inequívoca acerca da descoberta do
próton (termo de origem grega que significa primeiro). Foi a partir do experimento de Goldstein
que foi possível a descoberta do próton, mesmo que ele não tenha sido seu descobridor.
Eugen Goldstein e sua experiência, precursora para a descoberta do próton.
O sistema solar e sua contribuição para o átomo nuclear – Rutherford
Ernest Rutherford foi responsável por grandes descobertas sobre a estrutura do átomo e
seu núcleo. Rutherford sabia que alguns elementos emitiam feixes de partículas carregadas
positivamente, que ele chamou de partículas α. Ele pediu a dois estudantes, Hans Geiger e
Ernest Marsden, que bombardeassem tais partículas em uma folha de ouro. Segundo a teoria de
Thomson, os feixes de partículas deveriam ser todos repelidos.
O que Geiger e Marsden observaram, perturbou todos que estavam presentes. A maioria
dos feixes de partículas atravessou facilmente a folha de ouro, sendo que apenas alguns foram
repelidos. A explicação tinha que ser a de que os átomos não são esferas maciças com os
elétrons incrustados na superfície como passas em um pudim. Ao invés disso, os resultados
sugerem um modelo de átomo no qual há uma densa carga positiva central circundada por
um grande volume de espaço vazio. Geiger não conseguiu explicar por que isso acontecia. Foi
Rutherford quem descobriu porque isso ocorria, dando a essa região carregada positivamente o
nome de núcleo atômico. Ele conclui que uma partícula α tivesse atingido o pesado núcleo de
ouro e tivesse sido repelida, sendo que a maioria das outras tivesse passado pelo espaço vazio,
fora do núcleo.
Experiencia de Rutherford
Ernest Rutherford
A partir do experimento de Rutherford, descobriu-se que Thomson estava errado, e o
átomo não é uma esfera maciça e indestrutível.
De acordo com o modelo nuclear corrente do átomo, os elétrons estão espalhados no
espaço em torno do núcleo, o espaço ocupado pelos elétrons é enorme. Se o núcleo de um
átomo tiver o tamanho de uma mosca no centro de um estádio de baseball, então o espaço
ocupado pela eletrosfera deve ser de, aproximadamente, do tamanho do estádio inteiro. A carga
positiva do núcleo cancela exatamente a carga negativa da eletrosfera. Então, para cada elétron
fora do núcleo, deve haver uma partícula carregada positivamente dentro dele. Isso já havia sido
pensado por Eugen Goldstein, mas ele não conseguiu entender em seu experimento do que se
tratava, foi Rutherford quem descobriu. Assim, as partículas carregadas positivamente foram
chamadas de prótons. Um próton é praticamente 2000 vezes mais pesado que um elétron. Foi a
partir do experimento de Rutherford que foi possível a descoberta do núcleo atômico.
Böhr e os níveis de energia
Depois que Rutherford descobriu a natureza nuclear do átomo, os cientistas pensavam no
átomo como um sistema solar microscópico. Para explicar o aspecto de linhas de hidrogênio,
Niels Böhr começou supondo que os elétrons moviam-se em órbitas circulares ao redor do núcleo.
Entretanto, a física clássica diz que, uma partícula carregada que se move em trajetória circular
perderia energia continuamente. À medida que o elétron perde energia, ele deve mover-se em
espiral em direção ao núcleo. Böhr abordou esse problema quase da mesma forma que Planck
tinha abordado o problema da natureza da radiação emitida por objetos quentes, assumindo que
assumindo que as leis predominantes da física eram inadequadas para descrever todos os
aspectos dos átomos. Além disso, ele adotou a ideia de Planck de que as energias eram
quantizadas.
Böhr batizou seu modelo em três postulados:
1) Somente as órbitas de certos raios, correspondendo a certas energias definidas, são
permitidas para os elétrons de um átomo.
2) Um elétron em certa órbita permitida tem certa energia específica e está em um estado de
energia permitido. Um elétron em estado de energia permitido não irradiará energia e,
portanto, não se moverá em forma de espiral em direção ao núcleo.
3) A energia só é emitida ou absorvida por um elétron quando ele muda de um estado de
energia permitido para outro. Essa energia é emitida ou absorvida como fóton, E=hv.
O mais importante sobre a teoria de Böhr é que: Os elétrons existem apenas em níveis de
energia distintos, que são descritos pelos números quânticos. A energia está envolvida na
movimentação de um elétron de um nível de energia para outro. Além disso, parte do novo
vocabulário associado com o novo modelo remonta ao modelo de Böhr. Por exemplo, ainda
usamos a ideia de estados fundamentais e excitados para descrever as estruturas eletrônicas dos
átomos.
Niels Böhr e seu modelo atômico, com os níveis de energia.
Informações Extras:
RAIOS X - 1895 - Wilhelm Conrad Röntgen (Alemanha)
Trabalhando com um tubo de Crookes, descobriu, acidentalmente, uma radiação invisível e
penetrante que era capaz de atravessar corpos opacos e fazer brilhas uma tela fluorescente ou
impressionar uma chapa fotográfica.
Não sabendo tais radiações, denominou-se de raios X.
Aplicações dos raios-X na Medicina: Radiologia - Radioscopia - Radioterapia – Radiografia
Indústria: verificação da estrutura dos materiais Cristalografia: identificação dos retículos
cristalinos
Foto feita por röntgen
Wilhelm Conrad Röntgen
A descoberta da radiação – Becquerel e os filmes fotográficos
O cientista francês Henry Becquerel (1852-1908) foi um dos colaboradores para a
descoberta da radioatividade. Seu trabalho envolveu a radiação do Urânio emitida em filmes
fotográficos. Acompanhe um pouco do processo:
Sem saber o que lhe renderia aquele experimento, Becquerel resolveu envolver filmes
fotográficos com papel preto e os guardou em gavetas que continham o sal sulfato duplo de
potássio e urânio, dado pela fórmula molecular K2(UO2) (SO4)2 . Dias depois, abriu a gaveta e
percebeu que os filmes estavam manchados: o que teria provocado às manchas? Esta foi uma
questão que deixou Becquerel intrigado.
Alguém poderia até sugerir que o que manchou os filmes foi à incidência de raios solares,
mas como, se os mesmos estavam guardados em gavetas escuras? Becquerel descartou essa
hipótese e suspeitou da probabilidade de ser uma espécie de radiação proveniente do Urânio.
Naquele momento restava saber se outros sais também manchavam as chapas fotográficas e,
para isso, Becquerel realizou mais testes envolvendo outros tipos de sais. Ele comprovou então
que apenas o sal contendo Urânio era responsável pelos efeitos radioativos.
Os estudos relacionados à radioatividade do Urânio renderam a Henry Becquerel o prêmio
Nobel no ano de 1903.
Outros importantes colaboradores para a descoberta da radioatividade foram Pierre e
Marie Curie. O casal Curie iniciou seu trabalho com amostras retidas do elemento urânio. Após
medir as radiações emitidas em cada amostra, constataram que, quanto maior era a proporção de
urânio na amostra, mais radioativa ela seria.
Ao estudar a pechblenda, um minério de urânio, outra descoberta inesperada aconteceu.
Verificou-se que uma das partes de impureza extraídas do minério era muito mais radioativa do
que o próprio urânio puro. Desse modo, o casal Curie desconfiou que houvesse outro elemento
radioativo desconhecido. Em 1898, o casal descobriu o elemento que era 400 vezes mais
radioativo do que o urânio, este elemento foi denominado “polônio”.
Mesmo com a descoberta do polônio, o casal não cessava as suas pesquisas, até que
descobriram outro elemento mais radioativo que o polônio, este foi nomeado de “rádio”. O rádio é
um elemento que produz intensas emissões, capazes de atravessar as camadas de chumbo. Tal
capacidade não pertence aos raios X. Posteriormente, os três cientistas ganharam o prêmio
Nobel por suas importantes contribuições.
Henry Becquerel
Pierre e Marie Curie
Descoberta do Nêutron
Atualmente, sabemos que o nêutron é uma das partículas fundamentais que, juntamente
aos prótons, formam o núcleo dos átomos. Ao redor destes últimos existem as nuvens de elétrons,
as quais são responsáveis pela condução de corrente elétrica nos materiais condutores, por
exemplo. A descoberta da existência dessa partícula foi possível graças ao grande sucesso da
aplicação do Princípio da Conservação da Quantidade de Movimento.
A descoberta do nêutron aconteceu no ano de 1932 com o físico inglês James
Chadwick. Utilizando a conservação da quantidade de movimento, realizou uma experiência que
comprovou a existência do nêutron. No entanto, doze anos antes desse acontecimento, o célebre
cientista inglês Rutherford já tinha previsto a existência dessa partícula. Segundo ele, uma
possível ligação de um próton com um elétron originaria uma partícula sem carga elétrica, mas
com massa igual a do próton. A essa partícula ele chamou de nêutron, mas não tinha certeza da
sua existência.
A experiência que J. Chadwick realizou consistiu, basicamente, em fazer com que feixes
de partículas alfa se colidissem com uma amostra de berílio (um elemento químico pertencente à
família 2A da tabela periódica). Dessa colisão apareceu um tipo de radiação que levaram muitos
cientistas a acreditar que se tratava de raios gama. Após realizar vários cálculos, James concluiu
que não se tratava de raios gama, a radiação invisível era formada por nêutrons. Para comprovar
que realmente se tratava de nêutrons, Chadwick mediu a massa dessas partículas, pois segundo
Rutherford elas tinham massa igual à do próton. Com esse feito e por seus importantes trabalhos,
em 1935 James foi premiado com o Prêmio Nobel da Física.
James Chadwick