História do Átomo

Representação do Átomo

Ao longo dos anos, o modelo atômico passou por várias alterações. Muitos cientistas têm contribuído para importantes descobertas e melhorar o seu conhecimento sobre o átomo.

Nossa compreensão do mundo físico tem crescido a um ritmo incrível nos últimos 200 anos.

A chave para os avanços na química tem sido o nosso conhecimento crescente sobre átomos.

Nesta unidade, vamos olhar para algumas das primeiras descobertas históricas que nos ajudaram a construir um “modelo de trabalho” útil do átomo.

John Dalton

A Evidência unidade para Partículas mostrou como os antigos gregos tinham idéias sobre partículas e os átomos. Mas não foi até o início do século XIX de que uma teoria de átomos tornou-se ligada a uma forte evidência experimental. Foi então que um cientista Inglês chamado John Dalton apresentou suas idéias sobre átomos.

A partir de suas experiências e observações, ele sugeriu que os átomos eram como bolas pequenas, duras.

Um elemento é uma substância produzida a partir de apenas um tipo de átomo. Um elemento não pode ser decomposto em substâncias mais simples. Elementos tiveram seus próprios átomos que diferem de outras pessoas em massa. Dalton acreditava que os átomos eram os blocos de construção fundamentais da natureza e não pode ser dividida. Em reações químicas, os átomos se rearranjam e combinam com outros átomos de novas maneiras.

Em muitos aspectos, as ideias de Dalton ainda são úteis ainda hoje. Por exemplo, eles nos ajudam a compreender os elementos, compostos e moléculas.

JJ Thomson

No final do século XIX, um cientista chamado JJ Thomson descobriu o elétron.

Isto é uma pequena partícula carregada negativamente, que é muito, muito menor do que qualquer átomo.

Os elétrons são partículas minúsculas, com carga negativa que orbitam o núcleo de um átomo em níveis de energia.

Ernest Rutherford

O desenvolvimento seguinte veio cerca de 10 anos mais tarde.

Dois dos alunos de Ernest Rutherford, Hans Geiger e Ernest Marsden, estavam fazendo um experimento na Universidade de Manchester com a radiação. Eles estavam usando as densas partículas, positivamente carregados (chamados partículas alfa) como “balas” para atirar em uma parte muito fina de folha de ouro. Eles esperavam que as partículas invadisse o seu caminho em linha reta através dos átomos de ouro que não foi perturbada pela carga positiva difusa e e espalhou por todo o átomo que o modelo de Thomson descreveu.

Em 1911, Ernest Rutherford interpretou esses resultados e sugeriu um novo modelo para o átomo. Ele disse que o modelo de Thomson não podia estar certo. A carga positiva deve ser concentrada em um pequeno volume no centro do átomo, caso contrário, as partículas alfa que são pesadas disparados contra a folha nunca poderia ser repelidos de volta para sua fonte. Neste modelo, os elétrons orbitavam em torno do núcleo denso (centro do átomo).

Niels Bohr

O próximo passo importante veio em 1914, quando o físico dinamarquês Niels Bohr reviu o modelo novamente.

O núcleo é o centro de um átomo, contendo prótons e nêutrons. Núcleo em determinados níveis de energia fixa (ou conchas). A energia deve ser dado quando os elétrons ‘animado’ caem de um alto nível de energia para uma baixa.

Resumo

Nossas idéias sobre a natureza dos átomos têm progredido ao longo dos últimos dois séculos (e continuam a desenvolver hoje).
John Dalton introduziu uma nova forma da antiga idéia grega de átomos no início do século XIX.
Em 1897, JJ Thomson descobriu o elétron e sugeriu o modelo “pudim de ameixa” do átomo.
Em 1911, Rutherford sugeriu que os elétrons orbitam o núcleo atômico como os planetas ao redor do sol.
Em 1914, Bohr modificou o modelo de Rutherford, introduzindo a idéia de níveis de energia.

Podemos pensar o átomo como um núcleo de carga positiva com elétrons com carga negativa que orbitam o núcleo em níveis de energia (ou conchas).

História do Átomo – Modelos

No século V a.C., o filósofo grego Demócrito imaginou a matéria constituída por pequenas partículas indivisíveis – átomos.

Só muito mais tarde, no séc. XVII é que é confirmada a existência do vazio.

Modelo atômico de Dalton

Modelo atômico de Dalton

Dalton, no séc. XIX, retomou a ideia dos átomos como constituintes básicos da matéria. Para ele os átomos seriam partículas pequenas, indivisíveis e indestrutíveis.

Cada elemento químico seria constituído por um tipo de átomos iguais entre si. Quando combinados, os átomos dos vários elementos formariam compostos novos.

Modelo atómico de Thomson (Modelo do Pudim de Passas)

Modelo atómico de Thomson

Em 1897 Thompson descobriu partículas negativas muito mais pequenas que os átomos, os electrões, provando assim que os átomos não eram indivisíveis.

Formulou a teoria de que os átomos seriem uma esfera com carga eléctrica positiva onde estariam dispersos os electrões suficientes para que a carga total do átomo fosse nula.

Modelo atómico de Rutherford

Modelo atómico de Rutherford

Mais tarde Rutherford demonstrou que a maior parte do átomo era espaço vazio, estando a carga positiva localizada no núcleo (ponto central do átomo), tendo este a maior parte da massa do átomo. Os electrões estariam a girar em torno do núcleo.

Rutherford também descobriu a existência dos protões, as partículas com carga positiva que se encontram no núcleo.

Este modelo atómico de Rutherford não explicava porque é que os electrões não caem no núcleo, devido à atração que apresentam pelas cargas positivas aí existentes.

Modelo atômico de Bohr

Bohr apresentou alterações ao modelo de Rutherford: os electrões só podem ocupar níveis de energia bem definidos, e os electrões giram em torno do núcleo em órbitas com energias diferentes.

As órbitas interiores apresentam energia mais baixa e à medida que se encontram mais afastadas do núcleo o valor da sua energia é maior.

Quando um electrão recebe energia suficiente passa a ocupar uma órbita mais externa (com maior energia) ficando o átomo num estado excitado. Se um electrão passar de uma órbita para uma outra mais interior liberta energia.

Os electrões tendem a ter a menor energia possível – estado fundamental do átomo.

História do Átomo – Origem

A primeira noticia sobre alguém que tivesse se preocupado com o universo minúsculo data do século VI a.C.

Conta-se que o filósofo Tales (640-546 a.C.), que vivia na cidade grega de Mileto, afirmava que todas as substâncias se originam na água, e, tanto quanto possivel, retomam à égua. Tales e outros filósofos gregos da Antigüidade defendiam a idéia de que todas as coisas tinham uma origem única, que chamavam de arché. Na concepção de Tales, essa origem seria a água.

Somos obrigados a reconhecer que isso diz muito pouco, mas uma coisa é certa: fica evidente que havia por trás da afirmação um questionamento, uma indução à investigação. É claro que isso não aconteceu por acaso pois tem muito a ver com o espirito dos gregos, que na Antigüidade propiciaram um bom avanço ao conhecimento.

A nota histórica seguinte data do século V a.C., e vem de Abdera, porto maritimo da Ásia Menor, situado na costa norte do mar Egeu, fundado por refugiados gregos. O filósofo Leucipo ali se fixou por volta de 478 a.C. Ele defendia que o universo é constituido por elementos indivisiveis cujo movimento produz ou destroi os objetos, por união ou separação – e pelo vazio.

Leucipo não deixou registros de suas idéias, e sua teoria sobreviveu graças a seu seguidor, Demócrito (460-370 a.C.), que melhorou o conceito, afirmando que o universo é formado por um número infinito de elementos invisiveis, por serem muito pequenos e indivisiveis, pois se fossem divisiveis ao infinito, confundir-se-iam com o vazio.

As teorias de Leucipo e Demócrito deram origem ao conceito de que a matéria é constituida por particulas muito pequenas e indivisiveis, chamadas de átomos (do grego, a: ‘não’ e tomo: ‘divisivel’). O conceito deles estava certo, no que diz respeito ao tamanho, mas incorreto no que se refere à indivisibilidade. Todavia, foram necessários mais de dois mil anos para que alguém conseguisse provar que não estavam completamente certos, como veremos mais adiante.

O filósofo grego Aristóteles (384-322 a.C.), de Estagira, também propôs uma teoria para a constituição da matéria, considerada inadequada nos dias atuais, diante de tudo que se conhece através das ciências. Simpatizante das idéias de outros filósofos (Anaximandro, Heráclito, Empédocles e Platão), Aristóteles acreditava que a base do mundo material era uma entidade para nós misteriosa, por ele clamada de “matéria primitiva”, que não era percebida enquanto náo tomasse forma.

A forma viria a sematerializar no que ele definiu cano os quatro elementos básicos: fogo, ar, terra e água.

Tais elementos eram representados por qualidades fisicas, assim denominadas: calor, frio, secura e umidade.

A convicção de que a essência das coisas materiais estaria em alguma entidade etema, imutável, à parte da matéria, era a base do pensameMo metafisico grego (metafisica: palavra de origem grega que designa o pensamento que não se refere diretamente às coisas materiais).

Os filósofos metafiicos acreditavam que os nossos sentidos não seriam capazes de conhecer completamente as coisas e que os conhecimentos que adquirimos através delas são incompletos, falhos. Eles pensavam que a existência do mundo material só seria completamemente compreendida com o conhecimento das essências. Nelas deveria estar a verdadeira origem de tudo.

Para eles, essas essências se materializariam em objetos constituidos pelos quatro elementos, para compor o mundo fisico. Por defender essa postura, Aristóteles não apoiou a teoria atomista, que considerava materialista e simplória, e ainda condenou-a, atacando as idéias de Leucipo e Demócrito. Ele não admitia a possibilidade de existirem espaços vazios, como propunha Leocipo.

O conceito aristotélico atravessou o tempo, perdurando por muitos séculos e exercendo notável influência no periodo a seguir. As idéias de Leucipo e Demócrito tiveram repercussões no Ocidente, defendidas pelos filósofos Epicuro (341-271 a.C.) e Leucrécio (97-54 a.C.), mas acabaram sendo soterradas, permanecendo na obscuridade por qusse dois mil anos.

O quimico inglês John Dalton (1766- 1844), no inicio do século XIX, estudando resultados de experiências não somente suas, mas também de outros colegas, teve a feliz idéia de resgatar os conceitos de Leucipo e Demócrito, e formulou três postulados:

I – A matéria é constituida por particulas extremamente pequenas, os átomos, que não se subdividem e preservam sua individualidade nas transformações quimicas.
II – Átomos identicos constituem um mesmo elemento quimico, de tal forma que cada elememento se caracteriza pelo peso de seu átomo.
III – Os compostos quimicos são fomados pela união de átomos de diferentes elementos, em proporções numéricas simples e determinadas.

Perto do final do século XIX, o ingiês Wi!liam Crookes (1832-1919) inve’nou uma ampola que permitiu realizar descargas elétricas através do ar a baixa pressão em seu interior (ar rarefeito). Quando se estabelece a corrente elétrica através do gás, são produzidos raios, ditos raios católicos, que vão incidir na extremidade da ampola que contém o pólo positivo da fonte de a’lta tensão. Com isso, aparece uma luminosidade no vidro.

Em 1897, o inglês Joseph John Thomson (l856-1940), usando uma ampola de Crookes modificada, realizou uma experiência que lhe permitiu concluir que as cargas elétricas atraidas pelo polo positivo estão concentradas em pequenas particulas, que ficaram depois conhecidas por elétrons.

Mais do que isso, Thomson foi o primeiro a propor um modelo atômico que levava em consideração as cargas (positivas e neegativas). De acordo com sua concepção, o átamo seria constituído por uma quantidades de cargas positivas homogeneamente distribuídas numa esfera, com elétrons (negativos) recheando seu interior. Para maior clareza, comparou sua idéia a um pudim que estivesse recheado de passas. É por isso que o modelo atômico de Thomson é conhecido como o modelo do pudim de passas.

De 1907 a 1911, o físico neozelandês Emest Rutherford (1871-1937), ex-assistente de J. J. Thomson na Universidade de Cambridge, realizou na Universidade de Manchester uma série de experiências que contribuíram, definitivamente, para entender o átomo tal como se conhece hoje.

Usando uma fonte que emite partículas alfa (partículas que possuem carga elétrica positiva), Rutherford fez com que elas incidissem sobre uma finissima lâmina da ouro.

Verificou que três coisas aconteciam: muitas particutas passavam direto através da lâmina, outras poucas eram desviadas e algumas eram rebatidas para trás.

A partir do observado. Rutherford concluiu que o átomo possui um núcleo muito pequeno e compacto, onde se concerrtram cargas elétricas positivas. Ao redor desse núcleo, circulam os elétrons que possuem cargas elétricas negativas. É importante destacar que o número de prótons e elétrons precisa ficar empatado para que o átomo esteja no estado neutro, também conhecido como estado fundamental.

Mas não ficou só nisso: concluiu também que o núcleo é muito pequeno e que as órbitas descritas pelos elétrons são tão grandes, em comparação com o núcleo, que o átomo é praticamente vazio. Em outras palavras, é como se o núcleo fosse a bola colocada no centro de um grande estádio de futebol (Fonte Nova ou Maracaná), e os elétrons ficassem dando voltas pelo lado de fora do estádio vazi. (Esta comparação está faa de escala).

O modelo de Ruthsrford fez com que a humanidade adentrasse o século XX com uma idéia bastante realista da estrutura atômica. A exemplo do que acontece com os planetas ao redor do Sol, Rutherford imaginou que os elétrons gravitassem em torno do núcleo em órbitas circulares. Só que essa hipótese contrariava uma lei clássica da física.

De acordo com as leis de Maxwell para o eletromagnetismo, ae o elétron se movimentasse em torno do núcleo, ele estaria constantemente irradiando luz, o que o levaria a perder sua energia e colidir com o núceo.

Em 1913, o fisico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) resolveu o impasse, propondo uma reformulação no modelo de Ruthertord. A partir de axperiências reaiizadas com hidrogênio, Bohr supôs que os elétrons giram em tormo do núcleo em órbitas definidas e que as leis da física clássica não se aplicam aos átomos.

Propôs ainda que os elétrons se distribuem em camadas, batizadas por letras (K, L, M, N, O, P, Q ), que podem abrigar números limitados de elétrons. A tabela a seguir mostra o número máximo de elétrons em camadas que é aceito nos dias de hoje (com comprovações esperimentais).

Depois de 1913, o modelo planetário resultante dos estudos de Rutherford e Bohr se consolidou, e, embora se conheça muito mais atualmente a respeito da estrutura atômica, ele não foi abandonado porqus ajuda a compreender os fatos. Graças a esses brilhantes cientistas, temos uma idéia bastante consistente de como se comportam as particulas no interior da matéria.

Em 1916, Sommerteld provou que os elétrons giravam em torno do núcleo realizando órbitas elípticas.

E de que são feitos os núcleos? Foi o próprio Rutherford, em 1919, que abriu mais um caminho para responder a essa pergunta. Rutherford oonseguiu, pela primeira vez, provocar a transformação de um elemento em outro, ou seja, a transmutação de um núcleo estável em outro tipo de núcleo.

Na experiência original, fazia-se um feixe de particulas alfa passar através de uma camada de nitrogênio gasoso. Ruthertord observou que um núcleo de nitrogênio, ao ser atingido por uma particula alfa, capturava essa particula transformando-se num núdeo de oxigênio e emitindo uma particula diferente da que incidira.

A particula emitida, cuja massa é:

mp = 1,6725 x 10-27 kg e cuja carga é +e (ou seja igual e contrária à do elétron), foi chamada de próton.

Essa experiência foi extremamente importante não só porque mostrou a possibilidade de transformar um elemento em outro mas também porque permitiu a conclusão de que o próton é uma das particulas que constituem o núcleo atômico.

Com o desenvolvimento das ciências, algumas definições interessanes apareceram. Assim, chama-se número atômico ao númem de prótons que existe no núcleo de um átomo. Retomando o conceito de Dalton, pode-se dizer que átomos de mesmo número atómico pertencem ao mesmo elemento químico.

Exemplo: lodos os átomos do elemento químico oxigênio possuem 8 prótons no núcleo. Isso eqüivale a dizer que o número atómico do oxigênio é 8. A propósito. o número atômico é simbolizado pela letra Z. Logo, o oxigênio tem Z = 8.

Até aproximadamente 1930, os cientístas já estavam razoavelmente habituados com a idéia de que os átomos possuiam prótons e elétrons. Sabiam, inclusive, que o próton é bem maior que o elétron (um próton eqüivale, em massa, a aproximadamente 1 840 elétrons).

Todavis, não conseguiam explicar o porquê de átomos de um mesmo elemento químico possuirem massas diferentes. Essa questão se acentuou quando o cientista F. W. Astan constatou experimentatmente que o gás neônio possuia dois tipos de átomos com massas atômicas diferentes.

Para isso ficar mais bem entendido, vamos dizer assim: os dois átomos possuem o mesmo número de prótons (10) e o mesmo número de elétrons (10). O que os leva a ter massas diferentes?

Como não poderia deixar de ser, quem deu uma explicação para essa diferença foi Emest Rutherford. Ele supôs que deveria haver no núdeo uma outra particula, além dos prótons. Presumindo que essa particula não tinha carga, os cientistas passaram a fazer inúmeras experiências que comprovassem sua existência.

Em 1932, Chadwick fez uma descoberta de importância excepcional. Bombardeando berílio com partículas alfa, ele descobriu que os núcleos desses elementos se dasintegravam e emitiam uma particula, até então não observada.

Essa particula devia ser aquela que fora prevista por Rutherford o nêutron, como foi chamada essa partiala, revelou ser eletricamente neutra e possuir massa um pouco maior que a do próton:

mn = 1,6748 x 10-27 Kg

Hoje em dia, para nos referirmos indiferentemente a um nêutron ou a um próton, usamos a palavra núcleon.

A descoberta do nêutron permitiu elucidar a estrutura do núdeo. Ele é constituído de um certo número de prótons e de nêutrons, que exercem mutuamente entre si forças atrativas de um novo tipo, chamadas forças nucleares.

Com a descoberta do nêutron foi possível explicar o que acontece com o neônio.

Era o seguinte: um dos átomos que Aston estudou tinha 10 prótons e 10 nêutrons, perfazendo 20 partículas no núcleo. O outro exemplar tinha 10 prótons e 12 nêutrons, perfazendo 22 partículas no núdeo. Com essas constatações, ficou comprovado que o número de nêutrons pode variar em átomos de um mesmo elemento químico.

Segundo uma teoria proposta pelo fisico norte-amedcano Murray GellMann, em 1964, existem partículas chamadas quarks, com carga menor que a do elétron.

Apesar de essa teoria ter recebido inúmeras confirmações, nenhuma experiência conseguiu até agora observar um quark livre. Os quarks existem, mas se apresentam sempre ligados por forças extremamente poderosas para formar outras particulas chamadas hádrions (prótons e nêutrons, por exemplo). Admite-se a existência de cerca de 18 quarks.

No modelo original de Gell-Mann, todos os hádrions poderiam ser construídos com três tipos de quarks e seus antiquarks. Nesse meio tempo, entretanto, os físicos tiveram de postular quarks adicionais, de modo a poder explicar a grande variedade de padrões de hadrions. Os três quarks originais foram designados, arbitrariamente, por u, d e s, iniciais de “up” (para cima), “down” (para baixo) e “strange” (estranho). A primeira extensão do modelo, que emergiu da aplicação detalhada da hipótese quark a todo o conjunto de dados relativos a partícufas, foi a exigência de que cada quark aparecesse em três variedades ou “cores” diferentes. O uso do termo cor é, naturalmente, muito arbitrário e nada tem a ver com o significado habitual de cor. De acordo com o modelo quark colorido, os prótons e nêutrons consistem em três quarks de cores diferentes.

A introdução da cor elevou a nove o número total de quarks e, mais recentemente, foi postulado um quark adicional, novamente aparecendo em três cores. Com a inclinação usual dos físicos para nomes fantasiosos. esse novo quark foi designado por c, inicial de “charm” (charme). Isso elevou a doze o número total de quarks – quatro tipos, cada um deles aparecendo em três cores. Para distinguir os diferernes tipos de quarks de diferentes cores, os físicos logo introduziram o termo “sabor”, e falam agora de quarks de diferentes cores e sabores.

Durante a última década, o modelo quark teve de ser ampliado e refinado oonsideravelmente à medida que novas partículas iam sendo descobertas em experiências de colisão efetuadas com energias progressivamente mais altas. Como foi anteriormente analisado, exigiu-se que cada um dos três quarks, postulados originalmente e rotulados com os sabores “para cima”, “para baixo” e “‘estranho”, aparecesse em três diferentes cores; então foi postulado um quarto quark, aparecendo igualmente em três cores e rotulado com o sabor “charme”. Mais recentemente, dois novos sabores foram acrescentados ao modelo, e denotados por t e b, iniciais de top (topo) e bottom (fundo), ou, mais poéticamente, de true (verdadeiro) e beatiful (belo); isso elevou a dezoito o número total de quarks – seis sabores e três cores. Alguns físicos, e isso não deve causar surpresa; não acham nada simpátco esse alto número de “pedras fundamentais”. Sugeriram, então, que chegara a hora de pensar em componentes menores, que fossem “realmeme elementares” e com os quais os próprios quarks seriam feitos.

É interessante ressattar que cada quark tem o seu próprio anti-quark.

O núcleo contém dois tipos de hádrions: os prótons e os nêutrons.

Ambos são constituídos de dois tipo de partículas: os quarks u (de carga +2e/3) e os quarks d (de carga -1e/3). Nesse modelo corpuscular, os slétrons e os quarks são as particulas fundamentais do átomo.

O próton é formado por dois quarks u ( de carga +2e/3) e um quark d (de carga -1e/3).

Por esta razão o próton tem carga + e unitária:

O nêutron, por sua vez, é constituÍdo de um quark u (de carga +2E/3) E doIs quarks d (cada um com carga -1E/3).

Fonte: www.absorblearning.com/web.rcts.pt