Modelos Atômicos
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Modelos Atômicos


Introdução.

Este trabalho relata os "Modelos Atômicos", mostrando as suas características, estas características são: de como foi formado, contar um pouco da vida dos físicos que os formaram, quando foi fundado a primeira teoria atômica, etc.

Tentarei mostrar, estas características com a maior clareza possível e também através deste trabalho poderei abrilhantar um pouco mais o meu conhecimento, para melhor conhecer os átomos.


Desenvolvimento.

Descrever um objeto desconhecido e coberto com uma toalha, empregando apenas o tato, seria provavelmente uma tarefa difícil e demorada. Teríamos que ir apalpando e fazendo suposições. Aos poucos, iríamos formando uma idéia de como seria o tal objeto. No entanto, por mais que tentássemos, mamais poderíamos garantir que o objeto oculto é exatamente aquilo que imaginamos que seja, pelo simples fato de não poder vê-lo.

Esta situação ocorre com relação ao átomo.

Descobrir como ele realmente é, constitui uma tarefa extremamente difícil, pois, sendo muito pequeno, é impossível vê-lo, mesmo com os mais sofisticados aparelhos. Para descrevê-lo, recorre-se a um processo semelhante ao descrito acima; só que a forma de "apalpar" é bastante diferente.

Parece que o primeiro povo a tentar explicar racionalmente a constituição da matéria e seu comportamento foram os gregos.

Por volta de 450 a.C., Democrático e Leucipo imaginaram que a matéria seria constituída de pequenas esferas, denominadas átomos.

A idéia que fazemos a respeito de um objeto desconhecido a partir de evidências experimentais é chamada modelo. Os gregos não propuseram um modelo atômico, pois a idéia que faziam a respeito do átomo não se baseava em experimentos, mas antes, em reflexões filosóficas sobre a Natureza.

Por muito tempo, as tentativas de desvendar os segredos da constituição da matéria foram praticamente nulas. Somente por volta de 1807 (2000 anos depois) é que aparecem trabalhos consistentes sobre a constituição da matéria, sobretudo os de Dalton, que retoma a idéia que a matéria é constituída de átomos.


Dalton, John

Cientista inglês, nascido em 1766 na cidade de Eaglesfield e falecido em 1844 na cidade de Manchester, fundador da teoria atômica em Química. Padecia de cegueira para as cores e realizou um estudo sistemático deste fenômeno, que ficou conhecido como daltonismo. Em seu intento de chegar a uma relação entre a idéia de Newton - que era considerar o ar como um fluido elástico - e suas próprias experiências e cálculos sobre misturas de gases, formulou a sua lei das pressões parciais. A teoria de Dalton dos átomos químicos apareceu nos primeiros anos do séc. XIX e foi publicada em 1807, na terceira edição do System of Chemistry de Thomas Thomson. Esta teoria conduziu à lei das proporções múltiplas, à lei de composição constante e à lei de conservação da matéria.

O pai da teoria atômica moderna, como passou a ser chamado, enunciou que:

1)toda matéria é formada de átomos;

2) os átomos são indivisíveis;

3) os átomos não se transformam uns nos outros;

4) os átomos não podem ser criados nem destruídos;

5) os elementos químicos são formados por átomos simples;

6) os átomos de determinado elemento são idênticos entre si em tamanho, forma, massa e demais propriedades;

7) átomos de elementos diferentes são diferentes entre si em tamanho, forma, massa e demais propriedades;

8) toda reação química consiste na união ou separação de átomos;

9) átomos iguais entre si se repelem e átomos diferentes se atraem;

10) substâncias compostas são formadas por átomos compostos(as atuais moléculas);

11) átomos compostos são formados a partir de elementos diferentes, em uma relação numérica simples.

É fundamental lembrar que a teoria atômica de Dalton baseia-se em fatos experimentais, tornando as leis lógicas e coerentes. Aí reside a essência do método científico.

À divulgação das idéias de Dalton seguiu-se um período de intensa aplicação e comprovação da sua teoria. Apesar de começarem a ser evidenciais várias falhas, Dalton recusava sistematicamente tudo o que contrariasse suas afirmações. Graças ao prestígio, suas idéias mantiveram-se inalteradas por cerca de 50 anos.

Até quando o passo decisivo para a formulação do conceito que se tem hoje em dia do átomo foi dado por Ernest Rutherford.


Thomson, Sir Joseph John. (1856 - 1940).

Físico inglês, descobridor do elétron e detentor do Prêmio Nobel de Física de 1906 por seus estudos experimentais sobre a condução de eletricidade pelos gases. Nasceu em Cheetham Hill, perto de Manchester . Cursou o Trinity College de Cambridge, onde mais tarde foi professor. Em 1884, foi escolhido membro da Royal Society e pouco depois sucedeu Lord Raleigh no Laboratório Cavendish, cargo que ocupou até 1919. Juntamente com John H. Poynting, publicou em quatro volumes Text-book of Physics, onde aparecem seus estudos sobre Teoria Matemática da Eletricidade e do Magnetismo. Em 1896, lecionou em Princeton um curso de suas pesquisas sobre Descargas Elétricas nos Gases e, em 1904, em Yale, resumiu sua teoria sobre Eletricidade e Matéria. Em 30 de abril de 1897, trabalhando com raios catódicos conseguiu medir a relação e/m, entre a carga e massa do elétron, e calcular a carga e dessa importante partícula da matéria.


Rutherford, Ernest.

Um dos modelos atômicos aceitos pela Física moderna representa o átomo como um núcleo central rodeado por elétrons de carga negativa. Essa teoria resultou a série de experiências iniciadas por Ernest Rutherford em 1910.

Rutherford nasceu em Nelson, Nova Zelândia, a 30 de agosto de 1871. Cresceu e fez os primeiros estudos em sua cidade natal, em seguida freqüentou a Universidade de Wellington, onde em 1893 se graduou em matemática e física. No ano seguinte, ganhou por concurso uma bolsa de estudos que o levou à Universidade de Cambridge, na Inglaterra.

Em Cambridge, Rutherford trabalhou no Laboratório Cavendish sob a orientação de Joseph J. Thomson (1865 - 1940), o físico descobridor do elétron. Assim realizou pesquisas sobre o movimento de partículas elétricamente carregadas: os íons. Interessou-se especialmente pelas radiações emitidas pelo elemento rádio, então recém-descoberto por Maria e Pierre Curie.

Em 1899, já na Universidade McGill de Montreal, Canadá, pesquisando o urânio, constatou que um tipo de radiação emitido por esse elemento era facilmente bloqueado por uma folha fina de metal. Deu-lhe o nome de raios alfa, embora ainda desconhecesse sua natureza. Outra forma de radiação, mais penetrante e bloqueada com espessuras bem maiores de matéria, foi denominada como raios beta.

Tais descobertas foram importantes para o futuro trabalho de Rutherford em McGill, juntamente com seu colega Frederick Soddy. Ambos estabeleceram as bases da teoria da radiatividade. Um relato pormenorizado de suas pesquisas e conclusões encontra-se no livro de Rutherford intitulado "Substâncias Radiativas e Suas Radiações".


Nobel para Rutherford.

Deixando o Canadá em 1907, Rutherford foi trabalhar em Manchester, Inglaterra. Descobriu então que os raios alfa consistiam em um fluxo de átomos de hélio carregados positivamente, ou seja, átomos de hélio sem elétrons. Esta descoberta foi feita recolhendo o gás resultante da passagem de partículas radiativas através das paredes de uma câmara de vácuo, e demonstrando por processos espectroscópicos que o gás era hélio. Isto valeu a Rutherford o Prêmio Nobel de Química em 1908. Contudo, ainda mais importantes foram os experimentos que iniciou em 1910.


O mosquito na catedral.

Os cientistas do século XIX consideravam os átomos como pequenas esferas mais ou menos rígidas, indivisíveis e indestrutíveis. Entretanto, em 1887, depois de 20 anos de trabalho, J. J. Thomson sugeriu que os elétrons, aos quais chamava "corpúsculos"eram um constituinte universal da matéria. Apresentou então as primeiras idéias relativas à estrutura interna dos átomos, indicando que eles deveriam ser constituídos de cargas elétricas positivas e negativas distribuídas uniformemente.

O problema que Rutherford e seu assistente Geiger levantaram por volta de 1910 foi o seguinte: o átomo real se assemelharia ao modelo proposto por Thomson? Rutherford e Geiger colocaram uma folha de ouro, bastante fina, "interceptando"um feixe de partículas alfa com energia suficiente para penetrar através da folha e que era proveniente da desintegração espontânea de elementos radiativos naturais.

Observou-se que algumas partículas ficavam totalmente bloqueadas, outras não eram afetadas, mas a maioria ultrapassava a folha sofrendo desvios.

Os desvios relativamente grandes sofridos por umas poucas partículas só podiam ser explicados graças às forças de repulsão elétrica entre essas partículas (sabidamente positivas) e determinada parte (também positiva) dos átomos constituintes da folha. Pelas observações de Rutherford, essa parte concentrava-se em um pequeníssimo volume central carregado positivamente, no interior do átomo. Como este deve ser eletricamente neutro, deveriam existir cargas negativas (os elétrons de Thomson) girando ao redor desse centro, onde se concentravam uma grande massa e um intenso campo elétrico. O próprio Rutherford o denominou "nucleus", em 1912, e o comparou a "um mosquito numa catedral".

Concluiu assim que a matéria da folha metálica, e sem dúvida toda e qualquer matéria, é bastante rarefeita, constituída quase toda e espaços vazios, sendo o diâmetro do núcleo 10 mil vezes menor que o do átomo inteiro. Tal é o modelo de átomo nucleado, proposto por Rutherford, e que em linhas gerais vale até hoje.


Mil quilômetros por segundo.

Rutherford inspirou toda a moderna teoria atômica, ao afirmar que o átomo era nucleado e sua parte positiva se concentrava num volume extremamente pequeno, que seria o próprio. Os elétrons seriam extranucleares. O modelo de Rutherford corresponde a um sistema planetário em miniatura , no qual os elétrons - esses micro-satélites - se movem em órbitas circulares ou elípticas ao redor do micro-sol nuclear. Pelas leis clássicas do eletromagnetismo seria impossível pensá-los em repouso. Tal modelo seria, assim, um átomo eminentemente dinâmico, com os elétrons girando em redor do núcleo, movimetando-se em sua órbita sob a ação das forças elétricas.

Quando em 1912 o físico dinamarquês Niels Bohr foi trabalhar na Universidade de Manchester, partiu dessas conclusões para aplicar a elas a teoria quântica, que solucionou o impasse do modelo de Rutherford. Segundo Bohr, os elétrons dos átomos poderiam mover-se em certas órbitas estáveis, sem emitirem radiações, com velocidades que podem superar facilmente mil quilômetros por segundo.


O perfil humano.

Durante a I Guerra Mundial, já famoso, Rutherford deixou certa feita de comparecer a uma reunião de um comitê britânico de especialistas, convocado para estudar novos sistemas de defesa contra os submarinos alemães. Advertido por um colega, respondeu sem embaraço: "Fale baixinho, por favor. Estou realizando experiências que sugerem que o átomo pode ser desintegrado artificialmente. Se isto for verdadeiro, é de importância muito maior que uma guerra."

Em junho de 1919, enquanto em Versalhes se realizava a Conferência da Paz, no "Philosophical Magazine"saíam publicados os primeiros estudos sobre a desintegração nuclear. Na guerra, Rutherford perdeu um de seus colaboradores mais brilhantes, Moseley, que morreu nos Dardanelos em 1915. Moseley estabelecera de uma forma clara o conceito de número atômico. Outro prejuízo sofrido pela ciência, naquela guerra, foi o confisco da fonte de rádio, emprestada pelo Instituto de Rádio de Viena - 250 miligramas - a Rutherford. Foi confiscada como "propriedade inimiga", interrompendo importantes pesquisas.

Mais tarde, depois da guerra, Rutherford, preocupado com a situação de seus colegas austríacos do Instituto de Rádio de Viena, conseguiu levantar a soma para pagar a fonte de rádio, numa época na qual a Áustria atravessava violenta inflação, permitindo assim a continuação das pesquisas de seus colegas de outro país. Mais uma vez, ficou demonstrado que a ciência não tem fronteira.


A influência de Rutherford.

Poucos cientistas no mundo chegaram a ter tanta influência no desenvolvimento da ciência de Rutherford. Um de seus jovens colaboradores, Atkinson trabalhou mais tarde com Houtermans na descoberta do processo de produção de energia do Sol pela reação termonuclear. Chadwick, trabalhando no mesmo e famoso Laboratório Cavendish em Cambridge, descobriu o nêutron. Aston construiu e aperfeiçoou o espectrógrafo de massa, abrindo o campo para descoberta de novos isótopos. Shimizu construiu uma nova "câmara de neblina", um aperfeiçoamento da câmara de Wilson, que fotografava automaticamente o caminho das partículas.

Piotr Kapitza, que mais tarde se tornou nome importante na URSS - inclusive como um dos responsáveis pelo lançamento do "Sputnik" - , foi um dos colaboradores mais íntimos de Rutherford: trabalhou com ele de 1921 até 1934.

Em 1933, quando da inauguração de seu novo laboratório, Kaptiza usou como emblema, na porta de entrada, uma figura de crocodilo. E explicou: "O crocodilo é a ciência. O crocodilo não pode olhar para trás. Como a ciência, deve ir sempre para a frente com sua queixada". Por ocasião da transferência de Kaptza para a União Soviética, Rutherford demonstrou novamente sua imensa fé na internacionalização de ciência, ao conseguir a transferência de seu gigantesco laboratório de alta voltagem da Inglaterra para a URSS, por achar que ninguém melhor do que Kaptiza saberia utilizá-lo no progresso da pesquisa.

Rutherford, nessa época, era alvo de muitas honrarias. Em 1931 foi agraciado com o título de Lord. Morreu em Carbridge, no dia 19 de outubro de 1937.


A primeira reação nuclear.

A primeira reação nuclear foi obtida por Rutherford usando como projéteis partículas alfa emitidas pelo Radium C , que é um isótopo do bismuto de número de massa 214 (Bi 214). Como detector era utilizado um cristal de sulfureto de zinco (Zns).

O aparelho era extremamente simples, permitindo o estudo de qualquer corpo gasoso com facilidade. Uma das particularidades do detector usado - o sulfureto de zinco - era sua capacidade de emitir luz quando atingindo por radiação: uma cintilação extremamente fraca, que necessitava de microscópio para se tornar visível. A medida era feita em uma sala completamente escura.

A fonte de Bi 214 emitia partículas alfa em todas as direções com uma energia extremamente elevada. Era sabido que à medida que a partícula atravessava qualquer matéria - gás, líquido ou metal - ia perdendo energia completamente. Naturalmente, o percurso total dependia do material e da partícula alfa (em um metal, o percurso é sempre muito menor que em um gás; no alumínio é maior do que na prata, etc.). Rutherford observou que para certas substâncias não havia cintilações. Ao mesmo tempo, a experiência efetuada com ar acusava cintilações, indicando a chegada de partículas ao detector; isto permitia concluir que o que chegava ao detector, nestas circunstâncias eram os prótons (núcleos de hidrogênio). Estes tinham capacidade de atravessar uma maior espessura de matéria que as partículas alfa, e as características do fenômeno indicavam que se tratava de prótons.

Rutherford estava em face de algo surpreendente. De onde vinham os prótons? Foram feitas medidas cuidadosas, primeiro excluindo a possibilidade de existência do hidrogêneo no ar usado; depois, substituindo o ar (79% de hidrogêneo) por nitrogênio puro e verificando um aumento de pouco mais que 20% nas contagens. Não havia dúvida, o nitrogênio era o responsável pelas partículas que atingiam o detector eram prótons, e não partículas de características semelhantes. Agora não havia mais dúvidas.

Inicialmente, havia nitrogênio na câmara e eram lançadas sobre o nitrogênio partículas alfa, como projéteis. No choque entre as partículas alfa e os núcleos de nitrogênio apareciam prótons! Rutherford, na ocasião da realização desta experiência, acreditou ter chegado à desintegração do núcleo do nitrogênio.

Mais tarde, Blackett e Chadwick, assistentes de Rutherford, usando uma câmara de Wilson cheia de nitrogênio - na qual as partículas deixavam traços visíveis correspondentes ao caminho percorrido -, encontraram a solução correta. Foram tiradas e analisadas 23 mil fotografias. Apenas oito referiam-se ao fenômeno. Em cada uma delas foram encontrados três traços, todos diferentes: um grosso, correspondente a uma partícula alfa; e um fino, devido ao próton. Chegava-se assim ao reconhecimento exato do fenômeno: o que Rutherford tinha obtido era uma reação nuclear. Uma partícula alfa (núcleo do hélio), colidindo com o nitrogênio, dava origem a um núcleo mais pesado e a um próton.

O mesmo homem que havia estabelecido a natureza do núcleo com suas experiências encontrou também o meio de modificá-lo. Depois, complexas máquinas nucleares entraram em ação, desbravando a natureza na senda aberta por Lord Rutherford.

Mas até que houve uma idéia de um novo modelo atômico, fundado pelo Niels Bohr.


Böhr, Niels (1855 - 1962).

Físico dinamarquês nascido e falecido em Copenhague, que contribuiu para o desenvolvimento de muitos aspectos teóricos da Física Moderna. Niels Böhr tem seu nome ligado a um modelo atômico introduzido para aperfeiçoar a estrutura do átomo formulada por Ernest Rutherford.

Doutourou-se em 1911, em Copenhague. Integrou a equipe do Laboratório Cavendish, em Cabridge, onde trabalhou sob a orientação de J. J. Thompson, e, posteriormente, esteve em Manchester, onde colaborou com Ernest Rutherford. Retornando a Copenhague fundou um instituto de pesquisas física, do qual se tornou diretor, e que logo se transformou em um dos mais importantes centros de investigação do mundo: o Instituto Copenhague. Aí realizou os estudos que o tornariam célebre e que consistiram na aplicação dos princípios da Mecânica Quântica à estrutura do átomo, tentando colocá-la mais de acordo com os fenômenos de emissão e absorção de radiações. Prêmio Nobel em 1922, Böhr prosseguiu em sua brilhante carreira. Tal como Einsten, foi dos que advertiram os E.U.A. de que a Alemanha nazista estava a caminho da bomba atômica americana, lançada em Hiroshima e Nagasaki.

Os fatos relacionados com a descontinuidade dos espectros e os postulados de Planck sugeriam algumas perguntas. Por que o espectro de elementos no estado gasoso é sempre descontínuo? Por que o espectro do hidrogênio, elemento de um elétron apenas, é o mais simples? Por que a complexidade do espectro aumenta à medida que aumenta o número de elétrons?

Começou-se a perceber que a luz deveria ter origem na excitação eletrônica dos elétrons. Ou seja, em determinada condições, os elétrons ganhariam energia e passariam de sua órbita de origem para outra, mais externa. Ao retornarem, devolveriam a energia recebida na forma de ondas eletromagnéticas, que seriam responsáveis pela luz. Se o elemento dava origem a espectros descontínuos, deveria ser porque o elétron só admitia transposições energéticas possíveis portanto maior a quantidade de linhas no espectro. Se os elétrons sofressem infinitas transposições energéticas, emitiram infinitas ondas eletromagnéticas, e o espectro seria contínuo.

Em 1913, o físico dinamarquês Niels Böhr propôs um modelo para o átomo de hidrogênio que englobava as conclusão de Rutherford, os estudos feitos em relação ao espectro do átomo de hidrogênio e o postulado de Planck, que admitia a quantização de energia. Tomando para estudo o átomo de hidrogênio, que é o mais simples, os postulados de Böhr, em linhas gerais, foram seguintes:

a) o elétron do átomo de hidrogênio descreve sempre uma órbita circular ao redor do núcleo;

b) o elétron pode encontrar-se em uma série limitada de órbitas;

c) as órbitas foram chamadas por Böhr de estados estacionários e, portanto, diz-se que o elétron está em um estado estacionário;

d) as órbitas diferem pelos raios;

e) o elétron só pode ocupar as órbitas que tenham uma determinada quantidade de energia;

f) um elétron que permanece em uma órbita determinada não irradia nem absorve energia;

g) a passagem de um elétron de uma órbita para outra supõe absorção ou emissão de determinada quantidade de energia, conforme o elétron se mova de uma posição menos energética para outra mais energética, ou vice-versa;

h) a energia é emitida ou recebida em forma de irradiação e é calculada pela equação: E2- E1 = h . y onde E2 é a energia do elétron em posição energética maior, e E1 , em posição energética menor;

i) cada órbita é caracterizada por um número quântica (n), que pode assumir valores inteiros: 1,2,3,etc.

Racionalizando em função desse modelo, Böhr calculou o raio e as energias do elétron do átomo de hidrogêneo nas órbitas permitidas, e conseguiu mostrar, teoricamente, que era possível prever o espectro do hidrogênio, no qual ele baseava para construir sua teoria.


Conclusão.

Concretizando este trabalho pude concluir que o modelo atômico é compreendido por quatro modelos, sendo esses modelos o de Dalton, Thomson, Rutherford e Böhr.

O modelo de Dalton foi o primeiro modelo a ser fundado, Dalton achava que o átomo era em forma de uma bola de bilhar,sendo indivisível.

Já Thomson achava que átomo tinha a forma de um Pudim de Passas, ainda descrevendo que o átomo era dividido em cargas positivas (prótons) , negativas(elétrons) e neutras (neutrons).
Rutherford chegou a conclusão que o átomo era em forma de um Sistema Solar, formado por um núcleo que tem cargas positivas e neutras e também composta por cargas negativas que se encontram na eletrosfera.

O modelo de Böhr foi fundado com o propósito de complementar o modelo atômico de Rutheford.


Bibliografia.

  • NETTO, Carmo Gallo. Química. 6. ed. São Paulo: editora scipione, 1991.
  • BOHR, Niels. Enciclopédia Barsa. vol. 3. Rio de Janeiro: Encyclopaedia Britannica Editores ltda, 1977.
  • DALTON, John. Enciclopédia Barsa. vol. 5. Rio de Janeiro: Encyclopaedia Britannica Editores ltda, 1977.
  • THOMSON, Sir Joseph John. Enciclopédia Barsa. vol.13. Rio de Janeiro: Encyclopaedia Britannica Editores ltda, 1977.
  • RUTHERFORD, Ernest. Pesquisas de conhecer. Ciências e tecnologia. vol. 3. São Paulo: Círculo do livro S.A. , 1985.
  • QUÍMICA, curso completo: Telecurso 2° Grau / Fundação Roberto Marinho em convênio com a Fundação Padre Anchieta. - 2. ed. - São Paulo: Rio Gráfica, Educação e Cultura, 1980.