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Modelos Atômicos – Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr



INTRODUÇÃO

No final do século XIX e início do século XX, os estudos sobre os modelos atômicos revolucionaram a maneira de compreender o Universo. Um novo mundo microscópico começava a ser desvendado.

A Ciência de uma forma geral estava recebendo uma ferramenta poderosíssima que futuramente tornaria a vida humana mais fácil e serviria também de ponto de partida para um novo mundo tecnológico que começava a se desenhar.

Até então, como precursor deste novo modelo ainda perduravam as ideias aristotélicas e dos filósofos pré-socráticos. Foi com Demócrito e Leucipo que surgiu a primeira teoria sobre a natureza da matéria – o atomismo. Mais tarde foi introduzida a teoria do flogístico – que era conhecido como o espírito ígneo = que se desprendia das reações de combustões. No entanto acabou sendo derrubada com dados experimentais. O mistério ainda continuava: de que a matéria era constituída? Novas ideias surgiriam.

O MODELO ATÔMICO DE DALTON (1803)

modelo atomico de dalton

John Dalton

•   A matéria é constituída de átomos que não podem ser divididos;

•  Átomos de um mesmo elemento apresentam massas iguais e átomos de elementos químicos diferentes apresentam massas diferentes;

•  Propôs inicialmente a ideia de reação química: átomos de diferentes elementos podem combinar-se entre si em várias proporções simples, porém nessas combinações químicas, cada átomo guarda a sua identidade;

modelo-atomo-Dalton

Modelo Atômico de Dalton (Bola de Bilhar)

•   Propõe a ideia inicial de molécula – compostos químicos consistem em uma combinação de dois ou mais elementos em uma razão fixa.

A contribuição de Dalton para a Química foi extremamente importante, com suas ideias simples, porém decisivas para o entendimento de reações químicas e de moléculas. Embora este tenha proposto algumas formulações incorretas, fornecia então um novo estímulo para novas pesquisas em que o mundo macroscópico poderia ser explicado pelo mundo microscópico através de dados experimentais em conjunto com o raciocínio lógico. O seu modelo caracteriza o átomo como uma esfera maciça, invisível, indestrutível e indivisível. É o modelo atômico conhecido como o da “bola de bilhar”.

MODELO ATÔMICO DE THOMSON (1897) 

Joseph John Thomson

Joseph John Thomson

A eletricidade é um fenômeno que nos acompanha diariamente. A propriedade de atração dos corpos é conhecida desde a antiguidade. O nome eletricidade vem do termo grego elektron = o que atrai.

Em 1833, o químico e físico inglês, Michael Faraday, realizou uma série de experimentos de eletrólise (processo químico de decomposição de substâncias através da passagem de corrente elétrica).

Observou que a massa depositada de uma dada substância era proporcional a quantidade de eletricidade empregada. Em 1891 George Stoney propôs o nome de elétron para a unidade natural de eletricidade, naquele tempo ainda desconhecida, mas, já demonstrada por dados experimentais.

Já era sabido que quando ocorre passagem de eletricidade a um gás rarefeito preso em um tubo, uma incandescência cuja cor depende apenas da quantidade de corrente que passa através do tubo é emitida. Além disso, que a irradiação do eletrodo negativo produzia a luminosidade quando colidia com a outra extremidade do tubo de vidro.

Tais raios produziam sombras como se caminhassem em linha reta. Como o eletrodo negativo já era chamado catodo, estes raios foram denominados “raios catódicos”.

O inglês Willian Crookes inventou a ampola de raios catódicos que consistia em tubo de vidro que contava com uma bomba de vácuo. Quando o ar ou um outro gás submetido à baixa pressão e submetido a alta tensão, estes raios saiam do anodo e viajavam na direção do catodo. Crookes acreditava que estes raios constituíam um fluxo de moléculas. 

Modelo Atômico de Thomson

Modelo Atômico de Thomson

O físico inglês Joseph John Thomson realizou uma série de experiências com a ampola de Crookes, testando o ar rarefeito e posteriormente outros tipos de gases. Em uma delas inseriu dois pólos (de um imã = um campo eletromagnético) na região da ampola onde passavam os raios catódicos e verificou-se que estes raios sofriam desvios na direção do pólo positivo, logo estes raios tinham natureza negativa.

Nesses experimentos ele determinou a relação entre carga e massa dos raios, de carga negativa. Ele verificou que essa relação apresentava sempre o mesmo valor, independente do material utilizado nos eletrodos ou do gás presente no tubo. Estes resultados levaram Thomsom a concluir que os raios catódicos eram constituídos de cargas elétricas negativas transportadas por partículas da matéria, estes raios foram denominados elétrons.

Thomsom, em 1897, propõe que os elétrons eram partes dos átomos e elabora o seguinte modelo: o átomo é um fluido carregado positivamente na qual estariam incrustados os elétrons, numa distribuição uniforme de cargas. Por analogia podemos imaginar um panetone com frutas cristalizadas em que a massa do panetone seria o fluido de carga positiva e as frutas os elétrons incrustados.

No entanto este modelo ficou conhecido como pudim de passas, onde as passas incrustadas representariam os elétrons e a massa do pudim representaria a parte positiva.

Este modelo serviu para confirmar definitivamente a ideia de divisibilidade da matéria e sua natureza elétrica.

MODELO DE RUTHERFORD (1911) 

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford

O esforço de diversos cientistas nessa época gerava grande atenção a qualquer fenômeno que aparecia, por mais simples que fosse. Vários fatos aconteceram naturalmente e novas descobertas surgiam até culminar com um novo modelo proposto por Ernest Rutherford. Dentre estes fatos, é possível enumerar:

•  Em 1895, o físico alemão Wilhelm Roentgem utilizando tubos de raios catódicos descobriu os raios X, raios que apresentavam um tipo de radiação capaz de ultrapassar determinados materiais e impressionar uma chapa fotográfica;

•  Em 1897, o físico francês, Antoine Henry Becquerel descobriu que o elemento urânio emitia raios que tinham a capacidade de atravessar objetos opacos.

•  Pierre e Marie Curie isolaram outros novos elementos como o rádio e o polônio, com a mesma propriedade, que foi denominada de radioatividade, em 1898.

•  Rutherford contribui em uma etapa posterior demonstrando que uma parte da radiação de certos elementos radioativos eram partículas carregadas positivamente movendo-se em grande velocidade e que foram denominadas de partículas alfa (α). Posteriormente comprovou-se que estas partículas correspondiam a núcleos de Hélio duplamente ionizados.

Rutherford decidiu usar partículas alfa como projéteis para bombardear lâminas metálicas bem finas. Vários tipos de lâminas de metais diferentes foram utilizadas. Rigorosamente as partículas alfa não são visíveis, porém geram um “clarão” visível ao chocar com um anteparo coberto com sulfeto de zinco. O aparelho de Rutherford consistia em fragmento de polônio (elemento emissor de partículas alfa) e uma placa espessa de chumbo contendo um orifício, uma lâmina fina de metal e um anteparo coberto com sulfeto de zinco. Vários tipos de metais foram testados, sendo que o ouro foi o elemento que se prestou melhor para as observações. Os dois assistentes de Rutheford, Geiger e Marsden montaram o aparato e efetuaram as primeiras experiências.

Esperava-se que colocando uma fina lâmina de ouro entre o chumbo e o anteparo, as partículas alfa atravessariam a lâmina em linha reta, sofrendo no máximo pequenos desvios. Porém uma pequena fração destas partículas sofreu grandes desvios e algumas como se estivem ricocheteadas. Os seus assistentes escreveram: “Se levarmos em conta a massa da partícula alfa e sua grande velocidade (1,8 x 109 cm/seg) não deixa de ser surpreendente o fato de que algumas das mesmas possam girar dentro de uma camada de ouro de 6 x 10-5 cm de um ângulo de 90° ou mais”. Ao analisar tal observação Rutherford disse: “É quase tão

Modelo Atômico de Rutherford

Modelo Atômico de Rutherford

inacreditável como se atirássemos uma granada de 15 polegadas contra uma folha de papel e ela nos atingisse de volta”.

Para explicar os desvios com ângulos superiores a 90° ou o fato de a partícula alfa ricochetear Rutherford concluiu que não mais poderia se pensar numa distribuição uniforme de cargas, como previa o modelo atômico de Thomson. Assim, Rutherford propõe que no átomo as cargas estão concentradas em duas regiões distintas: um pequeno centro denso e carregado positivamente, que foi denominado núcleo e a região de espaços vazios rodeada de elétrons em movimento que foi denominada eletrosfera. Ele também comprovou que para cada 10000 (dez mil) partículas alfa que atravessavam a lâmina em linha reta uma era desviada e com esta dedução ele provou que o diâmetro do átomo é de 10.000 a 100.000 vezes maior que o seu núcleo. Por analogia, pode-se imaginar o estádio de futebol do Maracanã como o átomo: o núcleo seria a bola no centro do gramado e a eletrosfera seria todo o restante do estádio (gramado, arquibancada e estacionamento).

Os resultados experimentais permitiram que Rutherford concluísse que:

• O átomo apresenta mais espaço vazio do que preenchido (o que explica o fato da maioria das partículas alfa atravessarem a lâmina metálica sem sofrer grandes desvios).

• A maior parte da massa do átomo concentra-se em uma região minúscula dotada de carga positiva e central que foi denominada de núcleo. Posteriormente tais cargas positivas seriam denominadas de prótons.

Este modelo foi satisfatório para esclarecer o fenômeno da dispersão das partículas alfa em uma folha metálica, porém o comportamento dos elétrons ainda estava por ser desvendado de uma forma mais clara. Segundo Rutherford seu modelo poderia ser comparado a um minúsculo sistema solar, em que o Sol faria o papel do núcleo. Os elétrons descreveriam órbitas em torno do núcleo movendo-se em espaços vazios em órbitas fixas, tal quais os planetas em torno do Sol.

O próprio Rutherford reconheceu uma imperfeição em sua analogia, pois falhava em explicar a estabilidade do átomo, ao considerar apenas a mecânica Newtoniana. Uma partícula carregada como o elétron ao descrever uma órbita poderia perder energia e cair no núcleo. Este impasse começou a ser desvendado com o modelo de Bohr, visto à seguir.

MODELO DE BOHR (1913) 

Niels Henrik Bohr

Niels Henrik Bohr

No início do século XX, o estudo de diversos fenômenos físicos possibilitou debates acirrados entre cientistas para explicar fenômenos que possuíam diferentes explicações para o mesmo processo.

As evidências experimentais e os estudos teóricos foram gradativamente demonstrando que no fantástico universo eletrônico dos átomos, o comportamento de partículas segue leis diferentes daquelas aplicadas aos corpos de grandes dimensões.

Na tentativa de explicar a estabilidade do átomo com núcleo e elétrons em movimento ao redor desse núcleo, o dinamarquês Niels Henrik Bohr, propôs os seguintes postulados (postulado = afirmação aceita como verdadeira, sem demonstração):

•  Os elétrons descrevem órbitas circulares em torno do núcleo, tais órbitas foram denominadas níveis ou camadas;

•  Cada um destes níveis apresenta um determinado valor de energia;

•  Quanto mais distante do núcleo maior será a energia do nível;

•  Não é permitido ao elétron permanecer entre dois níveis de energia;

Os elétrons apresentam energia quantizada (pacotes com determinados valores de energia). Assim, ele só mudará de nível se receber a energia correta, exatamente igual à diferença de energia entre um nível e outro.

• O elétron ao receber energia (energia elétrica , luz, calor etc), torna-se excitado e salta de um nível interno para outro mais externo e no seu retorno ao nível anterior ele emite parte desta energia na forma de onda eletromagnética (luz visível, radiação ultravioleta, calor etc).

O modelo atômico de Bohr consegue explicar com eficiência o espectro de hidrogênio, o teste de chama e os fogos de artifício (neste caso a energia da pólvora é suficiente para excitar os elétrons).

Bohr conclui também que a energia envolvida em tais emissões varia de átomo para átomo porque seus elétrons ocupam diferentes níveis de energia que possuem frequências diferentes, logo terão comprimentos de onda diferentes, implicando na emissão de cores diferentes. Em resumo: apresentam saltos quânticos diferentes.

Toda matéria quando aquecida a uma temperatura suficientemente elevada emite energia na forma de radiação (luz). Por exemplo, se um indivíduo fizer a luz de uma lâmpada comum de filamento incandescente passar através de um prisma ela será decomposta em várias cores, tal como as cores do arco-íris. Esta decomposição é conhecida como espectro luminoso da luz

Modelo Atômico de Bohr

Modelo Atômico de Bohr

visível. Um outro tipo de decomposição ocorre quando é colocado um CD ou um DVD na direção da luz.

Bohr montou um aparato semelhante a um tubo catódico aprisionando gás hidrogênio dentro do mesmo. Ao aquecer este tubo ou fazendo passar por ele uma faísca elétrica, este passou a emitir luz.

Este tubo foi estrategicamente colocado entre fendas e um prisma. A luz foi filtrada e refletida em uma tela branca e ele verificou a presença de linhas finas de cores diferentes – estas linhas foram denominadas de espectro descontínuo do átomo de hidrogênio. Ao variar a tensão na lâmpada estas linhas espectrais ficavam mais próximas umas das outras até que aparecia uma região contínua, como se fosse uma mistura de todas estas cores.

O avanço dos estudos quânticos permitiu determinar que só é possível a presença de determinado número de elétrons em cada nível energético. Em decorrência de tal observação foi possível estabelecer o número máximo de elétrons em cada um dos níveis energéticos ou camadas eletrônicas.

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5 Comentários »

  1. Chiara 3 de dezembro de 2015 at 19:15 - Reply

    Matéria bem eficiente. Gostei muito! ! :)

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  2. Johnny 15 de janeiro de 2016 at 14:33 - Reply

    Me tirou muitas duvidas, me confundia muito com os conceitos.

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  3. Bruno 22 de maio de 2016 at 4:34 - Reply

    Melhor introdução que li na minha vida… Aquela pitada de “mistério” HAHA

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  4. Bruno 14 de junho de 2016 at 21:44 - Reply

    Meus parabéns , ficou um ótimo trabalho , me ajudou muito , agradeço de coração

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  5. Luiz Otávio Gomes Tavares 21 de junho de 2016 at 14:52 - Reply

    gostei é muito bom tem me ajudado muito nos meus estudos. Apesar da minha idade ser avançada estou com 58 anos mas quero terminar o meu médio.

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