Estrutura atômica – modelos atômicos

A última fração da matéria, segundo esses filósofos o “tijolo” fundamental de tudo o que existe, não poderia mais ser dividida. A essa unidade fundamental chamaram átomo que significa “indivisível”.

A ideia proposta por Demócrito e Leucipo é uma ideia filosófica, ou seja, não tem comprovação empírica, que ocorre a partir de experimentos. Mas, ainda assim, marcou um momento da História onde o ser humano demonstrava mais uma vez seu caráter questionador, querendo conhecer tudo ao seu redor.

MODELO DE DALTON

O primeiro cientista a definir o átomo foi o inglês John Dalton, em 1803. De acordo com o cientista, o átomo teria as seguintes características:

•  Indivisível: não existiriam partículas menores que o átomo. Em outras palavras, o átomo seria uma partícula fundamental.

• Uma esfera maciça, que não poderia ser dividida ou destruída; 

• Maciço: o átomo seria totalmente preenchido, não existindo espaço interno vazio.

O modelo de Dalton foi o primeiro a propor uma explicação com base científica para a composição da matéria. Seu modelo foi adotado como uma maneira de explicar do que é formada a matéria por quase 100 anos. Mas, devido à algumas inconsistências, permitiu que um novo modelo surgisse, com uma nova proposta para explicar a composição da matéria.

OBSERVAÇÃO

Por apresentar características similares à uma bola de bilhar (ser maciço, indestrutível e indivisível), o modelo de Dalton é associado a esse objeto, como um recurso didático.

MODELO DE THOMPSON

As inconsistências apresentadas pelo modelo de Dalton continuavam a intrigar a comunidade científica. Uma das proposições feitas por Dalton que não tinha embasamento científico era a questão da neutralidade da matéria. Assim, em 1987, o cientista J. J. Thomson iniciou seus estudos sobre a natureza elétrica da matéria.

Através de diversos experimentos, Thomson foi capaz de inferir sobre a natureza elétrica da matéria a partir da descoberta do elétron. A partir desse ponto, tem-se o átomo como uma partícula divisível, diferente do proposto por Dalton.

Os experimentos de Thomson, que permitiram perceber a existência de uma nova partícula na estrutura da matéria foram:

1º Experimento

Thomson utilizou um instrumento denominado Ampola de Crooks. Essa ampola conteria um gás sob baixa pressão, ou seja, a vácuo. A partir dela, Thomson observou o aparecimento de um feixe de luz orientado na direção do ânodo,, o qual nomeou de raios catódicos.

2º Experimento

Para determinar se os raios catódicos possuíam massa, foi colocado um anteparo entre o cátodo e o ânodo.

Ao aplicar as mesmas condições no experimento anterior, Thomson observou que o anteparo colocado entre os polos se movimentava. Assim, Thomson foi capaz de concluir que aqueles raios continham partículas que tinham massa. O que faltava era determinar se essas partículas apresentavam carga.

3º Experimento

Para a determinação da carga, foram instaladas no tubo duas placas carregadas com cargas opostas e paralelas. Observe:

Como o feixe sofreu desvio na direção da placa positiva, Thomson inferiu que a carga da partócula em questão seria negativa.

Esses experimentos foram repetidos inúmeras vezes variando-se alguns fatores: o gás inserido na ampola e os metais dos eletrodos positivo e negativo. Observou-se o mesmo comportamento, convergindo para os mesmos resultados. Dessa maneira, Thomson foi capaz de propor a existência de uma nova partícula na constituição da matéria: o elétron.

Dessa maneira, o átomo de Thomson apresentaria as seguintes características:

• O átomo seria uma esfera maciça e positiva com elétrons, de carga negativo, incrustrados em sua superfície.

• A matéria seria eletricamente neutra. Porém, Thomson não teria dados empíricos que embasassem essa característica.

A maior façanha de Thomson foi romper com a ideia de que o átomo seria uma unidade fundamental, não sendo divisível.

OBSERVAÇÃO

O modelo atômico de Thomson é constantemente comparado a um pudim de passas: os elétrons seriam as passas, e o pudim em si seria a esfera maciça positiva. Mas, conforme observado acima, o uso dessa analogia é preocupante, pois os pudins costumam apresentar um “furo” no meio.

MODELO DE RUTHERFORD

Os avanços realizados no campo da radioatividade permitiram que o cientista Ernest Rutherford realizasse, em 1912, experimentos que permitissem uma nova ideia acerca da composição da matéria.
A experiencia realizada por Rutherford envolveu o bombardeamento de uma fina lâmina de ouro com partículas alfa, provenientes de uma fonte de polônio. Essas partículas apresentam carga positiva. Rutherford tinha como ponto de partida, a partir das ideias de Thomson, o fato de o átomo ser uma espécie de uma esfera maciça e positiva. Isso indicava que as partículas alfas, por também serem positivas, colidiriam com sua superfície, e retornariam.

A partir dessa experiência, Rutherford observou os seguintes resultados:

• a grande maioria das partículas atravessam a lâmina sem sofrer qualquer desvio; o que indicava que o átomo apresentava grandes “espaços vazios”.

• apenas algumas partículas desviaram ou até retrocederam. Partindo das observações realizadas, Rutherford trouxe uma nova proposta de modelo atômico, que apresenta as seguintes características:

• um pequeno núcleo denso e positivo;

• uma enorme região periférica, repleta de espaços vazios, onde encontram-se os elétrons, que orbitam ao redor desse núcleo;

OBSERVAÇÃO

Dalton, Thomson e Rutherford afi rmavam que a matéria é eletricamente neutra, mas nenhum deles se aprofundou em investigar essa neutralidade mais a fundo. Por mais que não seja uma informação muito divulgada, a descoberta dos nêutrons, bem como a neutralidade da matéria, foi explicada por James Chadwick, em 1932.

Sua experiência consistiu em bombardear uma amostra de berílio com partículas alfa. Nesse experimento, identificou-se um tipo de radiação, que, após uma série de cálculos matemáticos, James foi capaz de inferir que essa radiação era formada por nêutrons, que, como comprovado por ele, apresentavam massa semelhante aos prótons, partículas positivas que constituem o núcleo do átomo.

Com esse experimento, James ganhou o Nobel de Física em 1935.

MODELO DE BOHR

O modelo de Rutherford, apesar de amplamente aceito pela comunidade científica, apresentava algumas inconsistências. Seu modelo não explicava, por exemplo, como uma partícula, que, por estar orbitando ao redor do núcleo, e, portanto, perdendo energia, não colidiria com o núcleo do átomo.

Como solução deste problema, o físico dinamarquês Niels Bohr trouxe a ideia de quantização da energia. Para ele, o núcleo do átomo era rodeado de camadas, onde estariam localizados os elétrons. Essas camadas, também chamadas de órbitas, apresentavam uma quantidade de energia definida.

Os elétrons estão alocados em cada uma das camadas, com suas energias específicas, orbitando ao redor do núcleo. Quanto mais afastado desse núcleo, maior a energia.

Os elétrons podem migrar para uma camada de maior energia ao receberem energia. Esse estado, chamado de excitado, é instável. Sendo assim, os elétrons tendem a retornar para sua camada de origem, liberando o excesso de energia na forma de luz.

Assim, pode-se dizer que as principais características do modelo de Bohr, enunciados em seus postulados, são:

• Os elétrons se movem ao redor do núcleo em órbitas circulares;

• A energia de cada elétron é quantizada;

• Cada elétron está localizado em uma órbita específica, chamada de estacionária;

• A transição eletrônica ocorre quando um elétron recebe energia, alcançando o estado excitado, que, por ser instável, faz com que o elétron retorne ao seu nível de origem, liberando energia no processo.

OBSERVAÇÃO

O modelo atômico de Bohr também é conhecido como modelo de Rutherford-Bohr, uma vez que Bohr, aluno de Rutherford, trouxe ideias que parecem complementar o modelo de seu mentor. A ideia constantemente associada a esse modelo é a analogia com o sistema solar, onde o núcleo seria sol, e os planetas seriam os elétrons, que orbitam ao redor dessa região central, em diferentes “camadas”.

O modelo de Rutherford-Bohr, associado as ideias trazidas por Sommerfeld do átomo realizar trajetórias elípticas além das circulares, é o modelo atômico mais utilizado atualmente.

MODELO ATÔMICO ATUAL

Atualmente, o átomo é encarado como um sistema eletricamente neutro, formado basicamente por prótons, elétrons e nêutrons dispostos da seguinte forma:

Prótons + Nêutrons → Núcleo

Elétrons → Eletrosfera (em torno do núcleo)