Por quê átomos?
Autor: Helton alvares gonçalves | Publicado: 2012-11-28T09:49:00-08:00




&nbsp; As famosas questões metafísicas e físicas gregas, como: "de onde viemos?", "para onde vamos?", "de quê somos feitos?"... são sem dúvida as mais difíceis de responder, e o fato de ainda não termos as respondido evidencia o quão difíceis são. Todavia a questão que diz respeito a composição das coisas ao nosso redor e à nós mesmo é relativamente mais simples comparado às outras, mesmo nós tendo respondido ela parcialmente à pouquíssimo tempo (século passado).

HISTÓRIA:


&nbsp; &nbsp;As primeiras propostas diziam que a matéria era contínua e não tinha um limite, que fosse indivisível. Mas a ideia de descontinuidade foi defendida por Leucipo (500 a.C.), assim como por Demócrito (470-400 a.C.) e posteriormente por Epicuro (341-270 a.C.). Porém, Aristóteles (385-322 a.C.), considerava a matéria como contínua. A escola aristotélica dominou neste aspecto, fazendo com que a ideia de a matéria ser formada por partes menores chamadas de átomos, fosse esquecida por muitos séculos.

&nbsp; Após a Renascença (século XV e XVI), muitos homens de ciência retomaram as concepções atomistas. A teoria Atomista foi defendida por Diordano Bruno (1548-1600). Francis Bacon (1561-1625), não obstante criticar a doutrina de Demócrito, foi partidário de uma teoria corpuscular. Também Galileu Galilei (1564-1642) aceitou a teoria atomista. Gassendi (1592-1655) fez reviver as idéias de Epicuro e parece ter sido o primeiro a reconhecer o fato de muitas propriedades dos gases encontrarem uma explicação simples na hipótese de que seriam constituídos de minúsculas partículas. No século XVIII, o atomismo teve apoio de Isaac Newton (1642-1727). Bernoulli (1700-1781) considerava os gases como formado por um grande numero de particulas movendo-se em todas as direções e apressão exercida por eles como o resultado das colisões das partículas contra as paredes do recipiente onde se encontravam.

&nbsp; No fim do século XVIII os químicos começam a formular mais ou menos precisamente o conceito de substâncias puras e compostas. É neste período que Dalton em 1807 expôs os princípios da teoria atômica em sua obra A New System os Chemistry Philosophy. Ele postulou que a matéria é composta de átomos, que conservam toda sua individualidade em todos os processos químicos. E com o passar das décadas e séculos seu modelo atômico foi sendo modificado até os dias atuais, onde temos um modelo atômico conhecido como "O Modelo da Mecânica Quântica".

&nbsp; Pessoas que se envolveram nas modificações da teoria de Dalton: Rutherford, Thomson, Bohr, W. Heinsenber, Schörodinger, Max Planck, A. Einstein e outros em menor grau de envolvimento.

&nbsp; &nbsp;MODELO DA MECÂNICA QUÂNTICA:

No modelo da mecânica quântica o átomo é bem diferente daquele proposto por Dalton. O átomo é bem mais complexo pois não é só um partícula indivisível, mas sim uma junção de partículas subatômicas que obedecem leis matemáticas para se manterem unidas formando o que hoje conhecemos por átomos, alem destes aspectos pelas interpretações das equações de &nbsp;Schörodinger e Heinsenberg nao podemos ter certeza da posição de uma particula e de sua velocidade concomitantemente. Ou seja se sabemos onde uma partícula &nbsp;(no caso subatômica) está, então não sabemos nada a respeito de sua velocidade e vice versa. No modelo da mecânica quâtica o átomo é constituido por 3 particulas subatômicas: elétron, próton e nêutron.
O elétron tem carga elétrica negativa e o próton tem a mesma carga em módulo que o elétron, porém positiva e o nêutron não tem carga elétrica. Ambas as 3 partículas tem massa. Os prótons e os nêutrons podem ser, quando submetidos a altas energias de colisão, divididos em partículas menores chamados de quarks. Nunca se observou quarks livres, eles sempre estão em trios ou em pares formando particulas maiores e mais pesados que eles, como no caso o próton e o nêutron. Os átomos se distribuem no espaço de diferentes formas, mas antes de falar das formas dos átomos vamos falar de seus graus de liberdade: os átomos podem ter movimento de translação no espaço tri-dimenonal, totalizando 3 possiveis movimentos em cada eixo de coordenadas cartesianas ou uma combinação vetorial destes 3 possíveis movimentos, além do movimento de translação ele pode entrar em rotação, totalizando 3 rotações possiveis (uma em torno de cada eixo cartesiano do espaço tri-dimensional em que se encontra). Ou seja, a mecânica do átomo pode se submeter à um formalismo Hamiltoniano. Porém isto não é verdade para as partículas constituintes do átomo, e isto é importante saber, pois no momento em que tentamos modelar o átomo teoricamente para saber sua forma, como se comporta sob certas condições e coisas do tipo, precisamos de uma matemática adequada (a matemática é a linguagem da física, de certa forma). 
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&nbsp; Pensemos no átomo de Bohr:



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&nbsp; &nbsp;O modelo de Bohr como ilustrado, é um átomo onde o elétron circunda o núcleo do átomo numa órbita circular. A energia E do elétron é dada pela equação mostrada abaixo da figura, onde: h é a constante de planck, v é a frequencia da luz que entra ou que sai, Ei é a energia inicial do elétron, Ef é a energia final do elétron, me é a massa do elétron, qe é a carga elétrica do elétron, nf é o número quantico final do elétron, ni é o numero quantico inicial do elétron, e0 é a permissividade magnética no vácuo. E é a energia do fóton ou do elétron que transferirá para um fóton (ou onda eletromagnética). Neste modelo o átomo é esférico.

&nbsp; &nbsp;A interpretação do modelo seria a seguinte: quando a luz incide no átomo ou ele absorve energia de algum modo como por exemplo colisão com outro átomo, essa energia E é transferida para os elétrons mais externos do átomo e fazem com que ele pule de uma camada n para uma camada n+1 (n é o numero quântico de Bohr), mas como na Natureza tudo tende apra o estado de menor energia, qualquer pertubação no elétron excitado, faz com que ele espontaneamente caia para a camada n novamente e emita luz, com uma energia Ei-Ef=hv como h é a constante de Planck, a freqência da luz emitida é v. Assim o modelo de Bohr explica como átomos emitem ou absorvem luz. Porém o modelo de Bohr só é bom para átomos monoeletrônicos (com um só elétron) e íons monoeletrônicos, como por exemplo H (hidrogênio), He+ (cátion de hélio), Li2+( cátion de lítio),... Estes "pulos" que o elétron faz no átomo quando há diferença de energia são quantizados, ele praticamente pula de uma orbita pra outra, sem ter movimento intermediário entre elas, o que é bem diferente do que ocorre na mecânica clássica. Pela Mecânica Clássica o elétron deveria perder energia constantemente até cair no núcleo atômico do átomo, mas Bohr resolve isso com seus 4 postulados:

1) o elétron no átomo em estado estacionário tem energia bem definida e fixa
2) o elétron se move em movimento circular em torno do átomo
3) estados eletrônicos permitidos são aqueles em que o momento angular do elétron é quantizado em multiplos de h/2(pi) &nbsp; (pi=3,14159265358979...)
4)absorção/emissão de luz acarreta na transição entre estados ou niveis de energia.

HOJE EM DIA SABEMOS QUE O ELÉTRON NÃO SE MOVE EM CÍRCULOS EM TORNO DO NÚCLEO DO ÁTOMO.

&nbsp; &nbsp; &nbsp; Imagem ilustrativa de outros modelos atômicos

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O átomo de Rutherford é bem parecido com o de Bohr como podemos ver, porém ele não explicava tantas coisas quanto o modelo de Bohr. O modelo de Schödinger é bastante curioso, ele decorre da famosa equação de Schörodinger que abre ao mundo novos dados sobre o átomo que não eram observados na prática quotidiana dos físicos da época, e que previu algumas coisas, como por exemplo o spin, a transiçao eletrônica entre subníveis em vez de apenas níveis eletrônicos (números quânticos)... A Equação de Schödinger tem solução exata para o átomo de Hidrogênio, mas para outros átomos ela precisa ser aproximada.

Usando a notação de Dirac, o vetor de estados é dado, num tempo t por&nbsp;|ψ(t)&gt;.&nbsp;A equação de Schorödinger é:




Nas Equações, i é o número imaginário,&nbsp;ħ&nbsp;é a constante de planck dividida por &nbsp;2pi e o Hamiltoniano H(t) é um operador auto-adjunto atuando no vetor de estados. O Hamiltoniano representa a energia total do sistema. Assim como a força na segunda Lei de Newton, ele não é definido pela equação e deve ser determinado pelas propriedades físicas do sistema.





&nbsp;Esta ultima imagem dá uma visão melhor do átomo de schörodinger , temos estruturasmontadas em torno do núcleo do átomo que dão os lugares onde a chance de encontrar o elétron é maior (o elétron de uma camada arbitrária no caso). E a imagem anterior à esta mostra o elétron como sendo uma &nbsp;onda vibrante em torno do núcleo, isto decorre do fato de que podemos estudar o elétron como se ele fosse uma onda-partícula, pois o comportamento ondulatório das partículas subatômicas não pode ser desprezado (de Brouglie). De fato, na resolução da equação de Schörodinger, temos uma equação de onda associada a cada partícula, sendo assim, as partículas são descritas como ondas também. Portanto o modelo de Schödinger e da mecânica quântica, interpretam o átomo como sendo uma estrutura formada por parículas-onda (isto mesmo, particulas que são ao mesmo tempo onda).

No modelo de Bohr o átomo tinha um raio R bem denifido e era esférico, no modelo da mecânica quântica não tem sentido calcular um raio, pois como sabemos, neste outro modelo o átomo não tem uma forma muito definida, ele varia de forma conforme sua distribuição eletrônica. Não vou entrar em detalhes sobre este assunto, mas dependendo da distribuição eletrônica do átomo, ele pode ter uma forma tetaédrica, octaédrica,... a figura que ilustra as distribuições eletrônicas (logo acima), que possui orbitais 1s, 2s, 2p, 3s, formam um átomo com geometrica &nbsp;octaétrica &nbsp;e levemente esférica. Estudando mais afundo a distribuição eletrônica nos átomos é possível entender o porquê destas geometrias. E perceba &nbsp;que não chamamos mais de órbitas do elétron, para dizer onde o elétron está e sim, ORBITAIS, pois não sabemos onde ele está ,mas temos uma certeza de 90% da posição dele, por exemplo na figura acima , um eletron na primeira camada que está no orbital 1s, tem 90% de chance de ser encontrado na parte mais escura roxa e esferica. Os elétrons que estão no orbital 2p, tem 90% de chance de serem encontrados nas partes vermelhas da figura acima... Tenho uma figura que ilustra aproximadamente como é a distribuição dos elétrons de acordo com a camada em que se encontra:





&nbsp; Então a forma dos átomos no modelo da Mecânica Quântica é variável e depende de sua distribuição eletrônica.

&nbsp; &nbsp; &nbsp;DE ONDE SURGE A IDEIA DE NÚCLEO ATÔMICO


&nbsp;Rutherford foi o primeiro a perceber através de um experimento bastante simples, que o átomo era em sua maior parte, vazio. O experimento consiste em lançar particulas alfa (núcleo de hélio) numa fina folha de ouro e analisar o que ocorre com estas partículas. Ele percebeu que muitas atravessavam a fina camada de ouro, outras desviavam num angulo não muito obtuso, quase que passando reto pela folha de ouro, e algumas raras particulas batiam na folah de ouro e voltavam. Veja um esquema do experimento de Rutherford:

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&nbsp;Como a figura mostra, uma explicação muito plausível para o fenômeno era a de que o átomo era vazio em sua maior parte, tinha um núcleo "rígido" e uma região com elétrons circundantes, tais elétrons relativamente muito afastados do núcleo atômico.

&nbsp; &nbsp; As evidências foram testadas varias vezes e os resultados era sempre os mesmos, e a ideia de Rutherford foi melhorada por Bohr como ja vimos, e esta ultima por Heinsenberg e por Schörodinger, e até o momento uma infinidade de físicos e quimicos vem trabalhando para explicar o átomo cada vez com mais detalhes.

Não falei muito (na verdade nada) sobre o núcleo atômico, pois certamente esta postagem já ficou muito grande! E há mais coisas a se falar sobre o núcleo do que sobre os elétrons. Deixo este assunto negligenciado para outra postagem.