Modelo Atômico: o que é e o modelo de Sommerfeld e Chadwick

A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos. Ao decorrer dos anos, diversos modelos atômicos foram propostos.

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O primeiro foi sugerido em 1808 por Dalton e ficou conhecida como a Teoria Atômica de Dalton, onde os átomos eram considerados maciços, esféricos e indivisíveis, semelhantes a bolas de bilhar. Veja os principais postulados da Teoria de Dalton a seguir:

• Toda matéria é formada por átomos;
• Os átomos de um determinado elemento são idênticos em massa, apresentando propriedades químicas semelhantes;
• Átomos de diferentes elementos possuem diferentes massas e propriedades;
• Os átomos são maciços e indivisíveis, não podem ser criados e nem destruídos;
• Reações químicas comuns são apenas reorganização dos átomos;
• Os compostos são formados pela combinação de átomos de diferentes elementos em proporções fixas.

Outros experimentos realizados por diversos cientistas demonstraram que, na verdade, os átomos seriam formados por partículas ainda menores, que receberam o nome de partículas subatômicas.

Cada uma das três partículas subatômicas, que conhecemos como elétrons, prótons e nêutrons foram descobertas por diferentes cientistas em diferentes anos a partir de diversos experimentos que veremos a seguir.

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Joseph John Thomson realizou, em 1897, um experimento utilizando um tubo de raios catódicos, composto por uma ampola de vidro, onde dentro havia uma pequena quantidade de gás e dois eletrodos ligados a uma fonte elétrica externa.

Tubo de raios catódicos: C – cátodo (-) e A – ânodo (+)

Quando o circuito era ligado, os gases eram submetidos a elevadas voltagens (cerca de 10 kV). O cátodo (eletrodo negativo) produzia um feixe de raios, denominados raios catódicos, que se propagava em linha reta.

Em seguida, era colocado um campo elétrico externo, que desviava esses raios, que iam na direção e no sentido da placa carregada positivamente. Thomson percebeu que, não importava qual gás estava presente na ampola de vidro, o resultado era sempre o mesmo.

Ampola de vidro.

Com isso, ele concluiu que as emissões eram partículas (corpúsculos) menores que os átomos e eram eletricamente negativas. Essas partículas foram denominadas elétrons (e^-) e estavam presentes em toda e qualquer matéria e eram parte integrante delas.

Um novo modelo atômico foi, então, proposto por Thomson e denominado pudim de passas, onde o átomo era uma esfera formada por “pasta” positiva “recheada” de elétrons de carga negativa.

Este modelo introduziu a natureza elétrica da matéria e afirmava: “O átomo é maciço e constituído por um fluido com carga elétrica positiva, no qual estão dispostos os elétrons”. Além disso, o átomo seria eletricamente neutro.

Modelo atômico de Thomson (“pudim de passas”)

Em 1886, utilizando um aparelho semelhante ao de Thomson, o físico alemão Eugen Goldstein observou o aparecimento de um feixe luminoso no sentido oposto ao dos elétrons, concluindo, assim, que esse feixe apresentava carga positiva.

Alguns anos depois, em 1904, o cientista neozelandês Ernest Rutherford realizou o mesmo experimento que Goldstein, porém com o gás hidrogênio, e verificou a presença de partículas com carga elétrica positiva menores que os elétrons e com massa aproximadamente 1,836 vezes maior que a do elétron. Essas partículas receberam o nome de prótons (p⁺).

O experimento de Rutherford

No experimento realizado para verificar se os átomos eram realmente maciços, Rutherford bombardeou uma lâmina de ouro extremamente fina, de aproximadamente 1 micrômetro (0,0001 cm), com pequenas partículas de carga positiva (partículas alfa (α)) emitidas pelo elemento radioativo polônio. Atrás da lâmina de ouro, ficava o detector de partículas.

Experimento de Rutherford.

Ele observou que a maior parte das partículas α atravessava a lâmina de ouro com pequena ou nenhuma alteração em sua trajetória; algumas partículas sofriam desvio; e muito poucas batiam na lâmina e voltavam.

As observações que Rutherford fez durante o experimento levou às seguintes conclusões:

• A maior parte das partículas α atravessou a lâmina sem sofrer desvios, o que significa que a maior parte do átomo era vazia. Este espaço foi denominado eletrosfera e era ali que os elétrons se localizavam.
• Poucas partículas α (1 em 20.000) não atravessaram a lâmina e voltaram, o que significa que no átomo existia uma pequena região, que foi denominada núcleo, onde estava concentrada sua massa.
• Algumas partículas α sofreram desvios de trajetória ao atravessar a lâmina, o que significa que o núcleo do átomo era positivo, e isso acabava provocando uma repulsão nas partículas α, que também eram positivas.

Rutherford criou, então, um novo modelo atômico semelhante ao Sistema Solar. Assim, o átomo era constituído por duas regiões: uma região central de carga positiva, denominada núcleo, onde estaria concentrada praticamente toda a massa do átomo e onde se encontravam os prótons; e outra externa de carga negativa, envolvendo o núcleo e praticamente sem massa, denominada eletrosfera, onde estariam os elétrons em movimento ao redor do núcleo.

A eletrosfera tem seu tamanho cerca de 10 mil a 100 mil vezes maior que o núcleo.

Modelo de Rutherford

Estudos posteriores demonstraram que no núcleo atômico poderia haver mais de um próton, o que comprometeria a sua estabilidade devido às forças repulsivas entre os prótons, provocando a fragmentação do núcleo.

Como justificativa, Rutherford admitiu que no núcleo existiriam partículas com massa igual à dos prótons, porém sem carga elétrica. Essas partículas diminuiriam a repulsão entre os átomos e aumentariam a sua estabilidade. Essas partículas, que receberam o nome de nêutrons, foram descobertas em 1932 pelo físico inglês James Chadwick enquanto realizava experimentos com material radioativo.

A partir deste modelo, Rutherford não conseguia explicar muitas coisas. Uma delas era o fato de os elétrons girarem ao redor do núcleo.

Segundo as leis da Física, qualquer carga em movimento acelerado, tal como os elétrons ao girarem ao redor do núcleo, emite radiação, perdendo assim energia.

Na medida que os elétrons girassem ao redor do núcleo, eles emitiriam radiações e se aproximariam cada vez mais do núcleo até haver o choque e a destruição do átomo. Obviamente, isso não acontecia e ninguém naquela época sabia o porquê.

Outro fato que Rutherford não conseguia explicar eram os espectros atômicos, também chamados de espectros descontínuos. No século XVII, Isaac Newton observou que ao atravessar um prisma, os componentes da luz solar se dispersavam originando um conjunto de cores chamadas de espectro contínuo, já que a mudança de uma cor para outra era praticamente imperceptível.

Quando os átomos eram submetidos à baixa pressão e alta tensão, não emitiam um espectro contínuo, e sim algumas linhas coloridas. O restante permanecia totalmente escuro, considerando apenas o espectro visível ao olho humano. Naquela época, qualquer fonte luminosa possuía espectro contínuo e a Física Clássica não conseguia explicar a ocorrência do espectro descontínuo.

Espectro contínuo e descontínuo.

Em 1913, o cientista dinamarquês Niels Böhr propôs um novo modelo atômico, aprimorando o modelo de Rutherford, relacionando a distribuição de elétrons na eletrosfera com sua quantidade de energia.

Bohr baseou seu modelo atômico na teoria quântica de Max Planck, que afirmava que a energia não é emitida de forma contínua, e sim em “pacotes” chamados quantum de energia. Seguem os postulados de Böhr:

• Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo, chamadas órbitas estacionárias.
• Cada uma dessas órbitas tem energia constante, assim, ao moverem-se em uma órbita estacionária, os elétrons não emitiriam nem absorveriam energia.
• Os elétrons só podem ocupar os níveis que apresentarem determinada quantidade de energia (quantum), assumindo valores exatos de energia dependendo da órbita estacionária na qual se encontram. Os elétrons não podem ocupar estados intermediários.
• Os elétrons que estão situados em órbitas mais afastadas do núcleo apresentarão maior quantidade de energia.
• Quando um elétron absorve determinada quantidade de energia, salta para uma órbita mais energética. Para retornar à sua órbita original, o elétron deve liberar a mesma quantidade de energia que ele absorveu no salto quântico. Essa liberação de energia se dá na forma de onda eletromagnética (luz).

Observe a figura abaixo ilustrando o salto quântico do elétron.

O modelo atômico de Böhr denominou cada uma das órbitas permitidas para os elétrons de nível de energia. O elemento químico que contém a maior quantidade de elétrons apresenta esses elétrons distribuídos em 7 níveis (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7)

Esses níveis de energia, também chamados de camadas eletrônicas, são representados pelas letras K, L, M, N, O, P e Q.

O modelo de Böhr foi um grande passo na nova teoria quântica, mas tinha suas limitações:

• Funcionava somente para átomos com um só elétron (“hidrogenóides”);
• Não conseguia explicar a estrutura fina das linhas espectrais;
• Não conseguia explicar a ligação dos átomos para formar moléculas.

Surgiu assim, uma nova proposta feita pelo físico alemão Arnold Sommerfeld: a existência de subníveis dentro das camadas eletrônicas.

Em 1916, Sommerfeld sugeriu que as órbitas seriam elípticas, e não circulares, pois em uma elipse há diferentes excentricidades, gerando energias diferentes para uma mesma camada.

Ele percebeu que as raias obtidas por Böhr eram, na verdade, mais finas e supôs que os níveis de energia estariam divididos em regiões ainda menores denominadas subníveis de energia, que seriam representados pelas letras s, p, d, f... como mostra a figura abaixo.