MODELOS ATÔMICOS

Dalton, Thompson, Rutherford e Bohr devem ser nomes facilmente reconhecíveis a você graças as aulas de química. Esses cientistas tem em comum o fato de terem desenvolvido, cada um com suas particularidades, um MODELO ATÔMICO.

Suponha que você queira comparar o desempenho que seus amigos desenvolvem no Counter Strike. Para isso, é preciso fazer um levantamento de dados (a exemplo do número de partidas, vitórias e derrotas), pontuação e horas de jogo. Com essas informações, você pode classificar seus colegas. Monte fatores como coeficiente de vitória (número de vitórias por número de partidas), coeficiente de derrota e multiplique pela pontuação e horas de jogo. Execute essa operação para cada amigo; quem apresentar o maior valor provavelmente será o melhor jogador.

Acabamos de construir um MODELO para entendermos o funcionamento de um fenômeno (proficiência em Counter Strike). Poderíamos tornar o modelo mais preciso ao incluirmos outras variáveis que possam interferir na fluidez da gameplay (a velocidade da internet de cada amigo, por exemplo).

Da mesma forma que nosso modelo de Counter Strike mostrou-se capaz de evoluir, a ideia do átomo alterou-se conforme a evolução da ciência. Cada nova observação trouxe "ajustes" ao modelo atômico, sendo cada uma associada ao cientista responsável.

Começamos com John Dalton, correto? Não exatamente.

Thomson montou um experimento no qual um feixe de raios catódicos era disparado entre duas placas metálicas, uma carregada positivamente e outra negativamente. A foto abaixo ilustra a montagem do experimento.

Ao passar por entre as placas, o feixe era desviado em direção à placa positiva. Com os dados do experimento, Thomson descobriu que as partículas presentes no feixe não eram átomos, pois tinham uma massa muito menor (apenas 0.05% da massa do hidrogênio). Thomson acabara de realizar uma das mais importantes descobertas da ciência: o ELÉTRON.

Thomson sabia que átomos tinham carga neutra, então, o átomo deveria compensar os elétrons com cargas positivas. Surgia assim, mais um modelo para o átomo que, para Thomson, lembrava um pudim de passas, onde as passas são os elétrons mergulhados no pudim de cargas positivas.

Se Thomson tivesse proposto esse modelo hoje, muito provavelmente ficaria conhecido como "Modelo do Cookie", dada sua incrível semelhança! Porém, como essa maravilha gastronômica só foi inventada em torno de 1930, o modelo de Thomson ficou conhecido como "modelo do pudim de passas" mesmo.

Por causa dessa analogia o modelo de Nagaoka ficou conhecido como MODELO PLANETÁRIO ou ainda, MODELO SATURNINO.

O experimento requeria uma folha extremamente fina. Isso porque ele precisava que as partículas alfa a atravessassem. O ouro sendo dúctil, pode ser deformado para se fazer a folha fina de que Rutherford e seus alunos precisavam. O experimento é esquematizado na figura a seguir:

Rutherford sabia que, segundo o modelo do pudim de passas, as partículas alfa deveriam simplesmente atravessar os átomos maciços da folha de ouro. O filme foi colocado ao redor da montagem justamente para detectar as partículas na direção do feixe. Contudo, não foi isso que Rutherford observou: algumas partículas alfa eram defletidas para antes da folha de ouro.

Curioso não? Essa deflexão é causada pela força elétrica de repulsão. Como as partículas alfa tem carga positiva, o experimento indicava que uma pequena parcela delas passava por uma região de densidade de carga positiva. Por densidade de carga, queremos dizer, carga por unidade de volume, que neste caso, resulta na força repulsiva responsável pelos desvios na trajetória. Ainda assim, a maior parte das partículas alfa atravessava diretamente a folha de ouro, como se nada estivesse em seu caminho. Eureca! Rutherford havia descoberto a essência da estrutura atômica: o VAZIO.

Então você está me dizendo que Rutherford fez os alunos dele usarem uma folha de ouro no experimento para descobrir "o vazio"?

Sim, isso mesmo. Rutherford pode concluir que o átomo é vazio em cerca de 99% de seu volume, onde estão os elétrons. No centro desse vazio, porém, deveria existir um núcleo, pequeno, massivo e de carga positiva. Agora sim, não parece mais tão vazio assim não? Na verdade, Rutherford acabava de comprovar o modelo de Nagaoka.

O modelo de Rutherford trouxe uma imagem mais real do que seria um átomo. Evoluímos de uma simples esfera maciça até uma estrutura composta por um pequeno núcleo com elétrons ao redor... ótimo progresso! Conseguimos entender de forma qualitativa a estrutura atômica apresentada até agora.

Mas e a parte quantitativa? Como calcular as energias dos elétrons? E agora, fim da linha? Niels Bohr veio para afirmar que não.

Aposto que você ficou curioso quanto aos precisos cálculos espectroscópicos possibilitados pelo modelo de Bohr, não é? Eu também ficaria. Espectroscopia é um nome atraente. Ela diz respeito a um estudo do espectro de algum material, em outras palavras, trata-se da MEDIDA DA LUZ. Mas qual luz?

Quando fornecemos energia para um elemento químico, o elétron de uma órbita interna (menos energética) do átomo absorve a energia e realiza o chamado SALTO QUÂNTICO * para uma órbita mais externa. A natureza, porém, não gosta de agitação, ela sempre da preferência ao equilíbrio. Desse modo, após um curto período, o elétron realiza outro salto quântico, voltando para a órbita menos energética (a que ele estava anteriormente).

Muito bem! Mas e quanto à energia excedente? Para onde vai? Sabemos que energia não pode ser criada, nem destruída, apenas transformada. Aqui não é diferente: a energia excedente é convertida em um fóton (ou seja, em luz). Veja o modelo esquematizado a seguir:

Com isso você já estará pronto para responder o nosso RadQuiz e seguir para a próxima seção. Aos curiosos e aos que desejam se aprofundar um pouco mais, apresentaremos, ainda nessa página, um modelo atômico que não é apresentado no ensino médio. Trata-se do modelo quântico e não iremos nos aprofundar nele, nossa abordagem será qualitativa, apenas para apresentá-lo.

A ideia se encaixou perfeitamente porque as ondas estacionárias, assim como as órbitas de Bohr, são quantizadas. Isso é mostrado esquematicamente nas figuras a seguir:

Mas isso ainda não parece exatamente com a órbita de um elétron ao redor do núcleo não é? Porém se imaginarmos essa onda estacionária não como uma corda retilínea mas como um círculo...

COMPORTAMENTO ONDULATÓRIO DO ELÉTRON

A) As condições de quantização são obedecidas: o elétron pode existir naquela órbita;

B) As condições de quantização não são obedecidas: o elétron não pode existir naquela órbita

Fantástico! Entendemos que o modelo quântico deve considerar o comportamento onda-partícula da matéria, o qual é descrito por ondas estacionárias. Ainda sim, o que descrevemos não é o modelo quântico mais completo.

Você se lembra de que falamos sobre diversos autores que contribuíram para o desenvolvimento da teoria quântica? O modelo de ondas estacionárias é de autoria de Louis de Broglie, sendo também o mais intuitivo. Todavia, quando ouvimos falar de quântica, o modelo "carro-chefe" é o de Schrödinger. Mas qual seria o pilar para a representação quântica do átomo? Talvez você não goste da resposta, talvez odeie. É uma equação:

É visível a diferença entre os orbitais do modelo quântico e o de Bohr. A principal característica que os distingue é a essência PROBABILÍSTICA da teoria quântica. Isso quer dizer que o elétron pode estar em qualquer posição dos orbitais da figura, ao mesmo tempo que não está em nenhum especificamente. A frase anterior pareceu confusa? Pois ela é!

Sabemos que a lua existe quer observemos ela ou não. Contudo, o mesmo não é válido para sistemas quânticos. Em um átomo, o elétron passa a "existir" somente quando o observamos (ou interagimos com ele) e por um curto período. No restante do tempo, o elétron se comporta como um fantasma (dado seu comportamento ondulatório), tendo chance de estar em todos os pontos do orbital, mas não estando em nenhum.

Agora sim! Concluímos a parte de modelos atômicos. Mesmo não fazendo parte da ementa do ensino médio, o modelo quântico é bastante esclarecedor. Ele pode ser aplicado a todas as partículas de física nuclear. Representamos as partículas alfa como 4 bolinhas, sendo 2 prótons e 2 nêutrons. Em função da natureza probabilística... a forma "real" da partícula alfa seria algo próximo de uma esfera porque as funções de onda dos prótons e dos nêutrons se sobrepõe. Mas isso é assunto para um curso mais avançado. Aqui nós não queremos formar especialistas, apenas, compartilhar conhecimento. Falando em conhecimento, vamos consolidar o conhecimento adquirido nesta seção com uma tabela de revisão dos modelos atômicos.

SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Currículo Paulista Etapa Ensino Médio. São Paulo, 2020, 301 p.

SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Habilidades Essenciais de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2020-2021. São Paulo, 2020, 10 p.