Departamento de Matemática e Ciências Experimentais
Física e Química A – 10.º Ano
Texto de Apoio
Assunto: Breve história das ideias sobre a constituição da matéria
Imagina o seguinte problema: Se te oferecerem um chocolate e decidires que todos os dias
comerás metade do que sobrou do dia anterior, até quando terás chocolate para comer?
Foi com um problema análogo a este que os filósofos gregos (Séc. V a. C.) se debateram com
duas respostas possíveis:
- Se só comermos metade do que sobrou do dia anterior teremos chocolate para um número
infinito de dias… (matéria contínua.)
- O chocolate acabará no dia em que chegarmos a ter uma partícula de matéria tão pequena que
não seja possível dividi-la mais… (matéria descontínua.)
Dada a impossibilidade de testar experimentalmente as duas hipóteses havia defensores para as
duas embora, de acordo com o senso comum, a primeira tivesse mais adeptos.
Alguns filósofos gregos, (os atomistas Leucipo e Demócrito), defendiam que a matéria, assim
como as cores, a alma, o amor, …) eram constituídos por pequeníssimas partículas indivisíveis a que
chamaram átomos.
(1)
“Por convenção, o doce é doce; por convenção,
o amargo é amargo; por convenção, o quente é
quente; por convenção, a cor é cor. Mas na
realidade só há átomos e vácuo. Isto é, os
objetos que os nossos sentidos sentem só são
supostamente reais. Só o átomo e o vácuo têm
realidade.”
Demócrito (468 – 370 a. C.)
(1)
Nota: A palavra átomo é de origem grega em que temos a
equivalência:
A = Sem
TOMO = divisão
Segundo Demócrito a matéria não se podia dividir indefinidamente
em pedaços cada vez mais pequenos, dado que, nestas condições,
converter-se-ia em nada, o que seria impensável.
Esta teoria, o atomismo, de natureza puramente filosófica, embora nunca ficasse completamente
esquecida ao longo da História, foi rejeitada por Aristóteles (384 – 322 a. C.) e cuja filosofia dominou o
ocidente até ao Séc. XVII.
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Segundo este filósofo a matéria seria contínua e constituída por quatro elementos: A Terra, a
Água, o Ar e o Fogo.
Durante a Idade Média a hipótese de existência de átomos esteve completamente posta de lado.
Com esta teoria teria que se admitir a existência do vazio o que era completamente inconciliável com a
teologia vigente. De acordo com as autoridades eclesiásticas dominantes se Deus é omnipresente
então estará em toda a parte, inclusivamente no vazio, pelo que deixaria de ser vazio e admitir a sua
existência seria negar e existência divina.
Por volta de 1650 Pierre Gassendi (1592 – 1655), físico, astrónomo e filósofo francês, retomou as
teorias atomistas tentando conciliá-las com a teologia cristã vigente. Vários foram aqueles que
começaram então a retomar a ideia de que a natureza seria constituída por pequenas partículas
(corpúsculos), como por exemplo Robert Boyle (1627 – 1691) e, um pouco mais tarde, Isaac Newton
(1642 – 1727).
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Boyle foi um químico Irlandês que entre outros trabalhos formulou a lei dos gases que leva o seu
nome: “A temperatura constante, a pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume.”
Para interpretar esta lei, Boyle teve que recorrer à velha
teoria atómica uma vez que, comprimir um gás, não poderia ser
outra coisa senão provocar uma diminuição dos espaços vazios
existentes entre as partículas do próprio ar.
Paralelamente a estes trabalhos, Boyle lançou as bases da Química propondo uma definição de
elemento como sendo “substâncias incapazes de se decomporem”
“Se há elementos só à experiência cabe revelá-los. Como? Analisando os corpos e procurando
decompô-los noutros mais simples. Um elemento deve conhecer-se porque não é decomponível.”
Robert Boyle
A partir do século XIX, mais propriamente em 1806, John Dalton
(1766 – 1844) baseando-se em algumas experiências de Lavoisier (1743
– 1794) admite que cada elemento é caracterizado por um determinado
tipo de átomo, indivisível, com um certo tamanho e um certo peso.
Assim, segundo Dalton, as reações químicas resultavam de
combinações entre átomos.
Atualmente sabe-se que o átomo não é indivisível, é constituído por
partículas – os protões, neutrões e eletrões, entre outras.
Mas, como é que evoluiu o conceito de átomo desde Dalton até aos
nossos dias?
Como é que se detetou a existência destas partículas que
constituem o átomo?
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O ELETRÃO
No final do século XIX o cientista inglês Joseph John Thomson (1856 – 1940) realizou
experiências com descargas elétricas em tubos contendo gases rarefeitos, dando assim um forte
contributo para o conhecimento do interior do átomo.
Se provocarmos uma descarga elétrica entre os elétrodos de uma ampola de vidro contendo um
gás a baixa pressão observa-se uma luz esverdeada.
Vários físicos como Crooks na Inglaterra, Goldstein na Alemanha, e Perrin em França, concluíram
que a causa desta luz observada era uma corrente de eletrões, partículas com carga negativa emitidas
pelo cátodo – foram chamadas de raios catódicos.
Verifica-se que estes raios são desviados quer por um campo magnético quer por um campo
elétrico o que permite concluir que não se trata de luz vulgar, mas sim de um feixe de partículas com
carga negativa.
Este facto levou a que fosse atribuído a J. J. Thomson o prémio Nobel da Física em 1906.
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MODELO ATÓMICO DE THOMPSON
Uma vez que os átomos
eram
partículas
eletricamente
neutras e emitiam partículas com
carga
negativa,
então
ter-se-ia
os
de
eletrões,
admitir
a
existência de carga positiva que
igualasse a carga negativa dos
eletrões recém descobertos no
átomo.
Nestas condições foi criado
um
modelo
atómico,
modelo
atómico de Thomson, em que se
imaginou o átomo maciço, esférico e com carga positiva em que os eletrões estariam por assim dizer
incrustados nesta esfera como as passas de um bolo. Por esta razão este modelo foi também
denominado de modelo do bolo de passas.
A DESCOBERTA DO NÚCLEO ATÓMICO
O modelo atómico de Thomson foi posto à prova por um discípulo seu: Ernest Rutherford (1871 –
1937), físico e químico inglês. Nascido em Nelson, na Nova Zelândia, emigrou muito cedo para
Inglaterra e em Cambridge foi aluno de Thomson tendo mais tarde ocupado a cátedra do seu velho
mestre.
Rutherford realizou uma experiência em que bombardeava com partículas α (núcleos de átomos
2+
de hélio, 2He ) uma finíssima folha de ouro, cerca de 10 000 átomos de espessura. Se na realidade os
átomos fossem maciços como se pensava, então as partículas α deveriam atravessar a folha de ouro
como se fossem balas a atravessar uma folha de papel, mas… não foi bem assim que as coisas
correram.
De facto algumas partículas α eram fortemente desviadas como que fazendo uma espécie de
ricochete. Este facto era muito estranho e foi necessário aperfeiçoar o modelo atómico.
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Foi assim que Rutherford propôs um novo modelo de átomo
onde era admitida a existência de uma zona central, a que chamou
núcleo, muito pequena em relação ao tamanho do próprio átomo.
Em torno desta região central mover-se-iam os eletrões tal
como os planetas em torno do sol, põe esta analogia este modelo
de Rutherford também é designado de modelo planetário.
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MODELO DE BOHR
Apesar de todos os avanços descritos, o modelo de Rutherford não estava de acordo com a teoria
eletromagnética clássica. De acordo com esta teoria uma partícula eletricamente carregada, como o
eletrão, girando em torno de outra, como o protão, dever-se-ia despenhar no núcleo. Tal não acontece
dado que o átomo é uma partícula estável.
Um outro facto conhecido na época era que os espectros atómicos eram descontínuos.
A figura acima pretende mostrar o espectro da luz emitida por uma
ampola contendo hidrogénio atómico sujeito a descarga elétrica. Como
se pode verificar temos riscas e não um contínuo de cores como se vê,
por exemplo, no arco-íris.
Em 1912, um jovem físico dinamarquês, Niels Bohr (1855 – 1962),
prémio Nobel em 1922, foi colaborar com Rutherford em Manchester.
Bohr aperfeiçoou o modelo de Rutherford propondo que os eletrões
se moviam em torno do núcleo com estados de energia bem definidos e
seriam as possíveis transições de eletrões entre esses estados de
energia que originavam os espectros de riscas dos elementos.
Segundo Bohr, um eletrão podia passar de uma órbita mais próxima
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do núcleo para outra mais afastada ou vice-versa.
Do modelo atómico de Bohr ao modelo atualmente aceite pela comunidade científica
Por volta de 1920 foi prevista a existência de neutrões no núcleo, em 1932 ficou definitivamente
aceite que o núcleo dos átomos era constituído por protões e neutrões.
Atualmente, o modelo atómico de Bohr também já foi posto de parte. No entanto continua a
aceitar-se que:
1. O átomo é constituído por um núcleo.
2. O núcleo é constituído por protões e neutrões.
3. Em torno do núcleo movem-se eletrões.
4. Num átomo o número de eletrões é igual ao número de protões.
5. Ao átomo apenas são permitidos determinados valores de energia sendo a energia dos
eletrões mais próximos do núcleo inferior à energia dos eletrões mais afastados.
6. Há absorção de energia por parte do átomo quando os eletrões “saltam” de um nível de
energia inferior para um nível de energia superior (excitação eletrónica) e emissão de energia quando
eletrões saltam de um nível de energia superior para um nível de energia inferior (desexcitação
eletrónica).
7. Cada elemento químico é caracterizado por uma só espécie de átomos caracterizada por um
determinado número atómico.
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Alguns aspetos do modelo atómico atual
Segundo a teoria atómica atual, não se pode afirmar que um
determinado eletrão descreve uma orbita fixa a uma certa distancia em torno
do núcleo. No entanto podemos afirmar que ele se encontra muito mais
frequentemente em determinadas zonas do átomo do que noutras.
A
zona (região do espaço)
onde
é
possível
encontrar
mais
frequentemente o eletrão chama-se uma orbital (não confundir com orbita).
Não é possível determinar a trajetória do eletrão e não se sabe se tal se
deve ao facto de esta não existir ou, se por acaso existe, não nos é possível
determiná-la. O que é de facto certo é que os valores de energia possíveis
para o átomo são bem conhecidos embora nada se possa dizer sobre a
trajetória como de resto já foi referido.
Sobre o eletrão…
Sabe-se que o eletrão é uma partícula com
carga negativa e que tem uma massa cerca de
2000 vezes inferior à massa do protão. Este tem um
comportamento semelhante a um íman e, por esta
razão, é-lhe atribuída uma propriedade chamada
spin. Tudo se passa como se o eletrão rodasse o
que não deve de todo corresponder à realidade
uma vez que, se nem a trajetória provavelmente
existe quanto mais dizer que ele rodopia!...
Se um feixe de átomos de hidrogénio passar
no seio de um campo magnético forte e não homogéneo, verifica-se que o feixe é dividido em dois.
G. E. Uhlenbeck e S. A. Goudsmith publicaram em 1925 a hipótese do spin do eletrão em que este
seria dotado de um momento magnético intrínseco semi-inteiro com dois valores possíveis +1/2 e -1/2.
Bibliografia:
SILVA, J. Andrade, QUANTA GRÃOS E CAMPOS.
CORREIA, Carlos, QUIMICA 10º Ano.
FARIA, Ana Maria. QUIMICA 10.
VALADARES, Jorge António, FQ9 – QUIMICA.
REPOSSI, Giordano, A Química – História Ilustrada da Ciência.
MASINI, Giancarlo, A Física – História Ilustrada da Ciência.
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