A teoria atômica percorreu um longo caminho nos últimos milhares de anos. Começando no século V aC com a teoria de Demócrito dos "corpúsculos" indivisíveis que interagem mecanicamente, passando para o modelo atômico de Dalton no século 18 e amadurecendo no século 20 com a descoberta de partículas subatômicas e da teoria quântica, a jornada da descoberta foi longa e sinuosa.
Indiscutivelmente, um dos marcos mais importantes ao longo do caminho foi o modelo atômico de Bohr, que às vezes é chamado de modelo atômico de Rutherford-Bohr. Proposto pelo físico dinamarquês Niels Bohr em 1913, este modelo descreve o átomo como um núcleo pequeno, carregado positivamente, cercado por elétrons que viajam em órbitas circulares (definidas por seus níveis de energia) ao redor do centro.
Teoria atômica do século XIX:
Os primeiros exemplos conhecidos da teoria atômica vêm da Grécia antiga e da Índia, onde filósofos como Demócrito postularam que toda a matéria era composta de unidades minúsculas, indivisíveis e indestrutíveis. O termo "átomo" foi cunhado na Grécia antiga e deu origem à escola de pensamento conhecida como "atomismo". No entanto, essa teoria era mais um conceito filosófico do que científico.
Não foi até o século XIX que a teoria dos átomos se articulou como uma questão científica, com os primeiros experimentos baseados em evidências sendo conduzidos. Por exemplo, no início dos anos 1800, o cientista inglês John Dalton usou o conceito de átomo para explicar por que elementos químicos reagiram de certas maneiras observáveis e previsíveis. Por meio de uma série de experimentos envolvendo gases, Dalton desenvolveu o que é conhecido como Teoria Atômica de Dalton.
Essa teoria expandiu as leis da conversa de massa e proporções definidas e chegou a cinco premissas: os elementos, em seu estado mais puro, consistem em partículas chamadas átomos; os átomos de um elemento específico são todos iguais, até o último átomo; átomos de diferentes elementos podem ser diferenciados por seus pesos atômicos; átomos de elementos se unem para formar compostos químicos; átomos não podem ser criados ou destruídos em reação química, apenas o agrupamento muda.
Descoberta do elétron:
No final do século 19, os cientistas também começaram a teorizar que o átomo era constituído por mais de uma unidade fundamental. No entanto, a maioria dos cientistas aventurou-se que essa unidade seria do tamanho do menor átomo conhecido - o hidrogênio. No final do século 19, isso mudaria drasticamente, graças a pesquisas conduzidas por cientistas como Sir Joseph John Thomson.
Por meio de uma série de experimentos usando tubos de raios catódicos (conhecido como tubo de Crookes), Thomson observou que os raios catódicos podiam ser desviados por campos elétricos e magnéticos. Ele concluiu que, em vez de serem compostas de luz, elas eram compostas de partículas carregadas negativamente que eram 10 vezes menores e 1800 vezes mais leves que o hidrogênio.
Isso efetivamente refutou a noção de que o átomo de hidrogênio era a menor unidade de matéria, e Thompson foi além, sugerindo que os átomos eram divisíveis. Para explicar a carga geral do átomo, que consistia em cargas positivas e negativas, Thompson propôs um modelo pelo qual os "corpúsculos" carregados negativamente eram distribuídos em um mar uniforme de carga positiva - conhecido como Modelo do Pudim de Ameixa.
Esses corpúsculos seriam mais tarde chamados de "elétrons", com base na partícula teórica prevista pelo físico anglo-irlandês George Johnstone Stoney em 1874. E a partir disso, nasceu o Modelo do Pudim de Ameixa, assim chamado por se assemelhar ao deserto inglês que consiste em bolo de ameixa e passas. O conceito foi apresentado ao mundo na edição de março de 1904 da revista britânica Revista Filosófica, a grande aclamação.
O modelo de Rutherford:
Experimentos subsequentes revelaram vários problemas científicos com o modelo Pudim de Ameixa. Para iniciantes, havia o problema de demonstrar que o átomo possuía uma carga positiva uniforme uniforme, que passou a ser conhecida como "Problema de Thomson". Cinco anos depois, o modelo seria refutado por Hans Geiger e Ernest Marsden, que conduziram uma série de experimentos usando partículas alfa e papel alumínio - também conhecido como. o "experimento da folha de ouro".
Neste experimento, Geiger e Marsden mediram o padrão de dispersão das partículas alfa com uma tela fluorescente. Se o modelo de Thomson estivesse correto, as partículas alfa passariam pela estrutura atômica da folha sem impedimentos. No entanto, eles observaram que, enquanto a maioria disparava direto, alguns deles estavam espalhados em várias direções, com alguns voltando na direção da fonte.
Geiger e Marsden concluíram que as partículas encontraram uma força eletrostática muito maior do que a permitida pelo modelo de Thomson. Como as partículas alfa são apenas núcleos de hélio (com carga positiva), isso implica que a carga positiva no átomo não esteja amplamente dispersa, mas concentrada em um volume minúsculo. Além disso, o fato de que aquelas partículas que não foram desviadas passavam sem impedimentos significava que esses espaços positivos eram separados por vastos abismos de espaço vazio.
Em 1911, o físico Ernest Rutherford interpretou os experimentos de Geiger-Marsden e rejeitou o modelo do átomo de Thomson. Em vez disso, ele propôs um modelo em que o átomo consistia principalmente de um espaço vazio, com toda a sua carga positiva concentrada em seu centro em um volume muito pequeno, cercado por uma nuvem de elétrons. Isso veio a ser conhecido como o Modelo Rutherford do átomo.
O modelo Bohr:
Experimentos subsequentes de Antonius Van den Broek e Niels Bohr refinaram ainda mais o modelo. Enquanto Van den Broek sugeriu que o número atômico de um elemento é muito semelhante à sua carga nuclear, este último propôs um modelo do átomo do tipo Sistema Solar, em que um núcleo contém o número atômico de carga positiva e é cercado por um número igual. número de elétrons nas conchas orbitais (também conhecido como Modelo de Bohr).
Além disso, o modelo de Bohr refinou certos elementos do modelo de Rutherford que eram problemáticos. Isso incluía os problemas decorrentes da mecânica clássica, que previam que os elétrons liberariam radiação eletromagnética enquanto orbitam um núcleo. Devido à perda de energia, o elétron deve ter entrado rapidamente em espiral para dentro e colapsado no núcleo. Em resumo, esse modelo atômico implicava que todos os átomos eram instáveis.
O modelo também previu que, à medida que os elétrons entrassem em espiral para dentro, suas emissões aumentariam rapidamente em frequência à medida que a órbita se tornasse menor e mais rápida. No entanto, experimentos com descargas elétricas no final do século 19 mostraram que os átomos emitem apenas energia eletromagnética em certas frequências discretas.
Bohr resolveu isso propondo que os elétrons orbitam o núcleo de maneiras que sejam consistentes com a teoria quântica de radiação de Planck. Nesse modelo, os elétrons podem ocupar apenas certos orbitais permitidos com uma energia específica. Além disso, eles só podem ganhar e perder energia pulando de uma órbita permitida para outra, absorvendo ou emitindo radiação eletromagnética no processo.
Essas órbitas estavam associadas a energias definidas, que ele chamou de conchas de energia ou níveis de energia. Em outras palavras, a energia de um elétron dentro de um átomo não é contínua, mas "quantizada". Esses níveis são, portanto, rotulados com o número quântico n (n = 1, 2, 3 etc.), que ele afirmou poder ser determinado usando a fórmula de Ryberg - uma regra formulada em 1888 pelo físico sueco Johannes Ryberg para descrever os comprimentos de onda das linhas espectrais de muitos elementos químicos.
Influência do modelo de Bohr:
Embora o modelo de Bohr tenha sido inovador em alguns aspectos - mesclando a constante de Ryberg e a constante de Planck (também conhecida como teoria quântica) com o modelo de Rutherford - ele sofreu algumas falhas que experimentos posteriores ilustrariam. Para iniciantes, supunha-se que os elétrons tivessem um raio e uma órbita conhecidos, algo que Werner Heisenberg refutaria uma década depois com seu Princípio da Incerteza.
Além disso, embora tenha sido útil para prever o comportamento dos elétrons nos átomos de hidrogênio, o modelo de Bohr não foi particularmente útil na previsão dos espectros de átomos maiores. Nestes casos, onde os átomos têm múltiplos elétrons, os níveis de energia não eram consistentes com o que Bohr previu. O modelo também não funcionou com átomos de hélio neutro.
O modelo de Bohr também não pôde explicar o Efeito Zeeman, um fenômeno observado pelos físicos holandeses Pieter Zeeman em 1902, onde as linhas espectrais são divididas em duas ou mais na presença de um campo magnético externo estático. Por causa disso, vários refinamentos foram tentados com o modelo atômico de Bohr, mas esses também se mostraram problemáticos.
No final, isso levaria o modelo de Bohr a ser substituído pela teoria quântica - consistente com o trabalho de Heisenberg e Erwin Schrodinger. No entanto, o modelo de Bohr continua sendo útil como uma ferramenta instrucional para apresentar aos alunos teorias mais modernas - como a mecânica quântica e o modelo atômico de casca de valência.
Seria também um marco importante no desenvolvimento do Modelo Padrão da física de partículas, um modelo caracterizado por "nuvens de elétrons", partículas elementares e incerteza.
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre teoria atômica aqui na Space Magazine. Aqui está o modelo atômico de John Dalton, o que é o modelo de pudim de ameixa, o que é o modelo de nuvem de elétrons ?, quem era Demócrito? E quais são as partes do átomo?
Astronomy Cast também tem alguns episódios sobre o assunto: Episódio 138: Mecânica Quântica, Episódio 139: Níveis de energia e espectros, Episódio 378: Rutherford e átomos e Episódio 392: O modelo padrão - introdução.
Fontes:
- Niels Bohr (1913) “Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas, Parte I”
- Niels Bohr (1913) “Sobre a constituição de átomos e moléculas, sistemas da parte II que contêm apenas um único núcleo”
- Encyclopaedia Britannica: Modelo atômico de Borh
- Hiperfísica - Modelo Bohr
- Universidade do Tennessee, Knoxville - O Modelo Borh
- Universidade de Toronto - O Modelo Bohr do Atom
- NASA - Imagine o universo - Histórico: átomos e energia luminosa
- Sobre Educação - Modelo Bohr do Atom
