Modelos atômicos

A palavra átomo dificilmente é nova para você. Ela aparece em noticiários, filmes, desenhos, músicas e, agora, vai aparecer muito na sala de aula. Mas o que são esses átomos e com que se parecem? É o que você vai descobrir (ou aprender ainda mais) a seguir.

O que são átomos?

Você já imaginou cortar um objeto ao meio infinitas vezes? Se você pudesse ignorar as barreiras do tamanho e continuar cortando, e cortando, e cortando... Até onde seria capaz de chegar? Haveria um limite?

Acredite, essa pergunta vem sendo feita por filósofos e cientistas desde o início dos tempos. 500 anos antes mesmo do nascimento de Cristo, pensadores como Leucipo e Demócrito já propunham que, mesmo ignorando as barreiras dimensionais, haveria um momento a partir do qual a matéria que constitui o mundo não poderia mais ser dividida. Essa proposição acompanhou a humanidade até que, em 1808, começou a ser estudada mais a fundo. Nascia então o conceito de um átomo.

A palavra tem origem nos termos gregos a e tomos, que significam, respectivamente, não e divisões, isto é, literalmente, aquilo que não pode ser dividido. Definiu-se então que, em algum momento, chegar-se-ia à menor porção possível de qualquer substância que se desejasse dividir, fosse ela sólida, líquida ou mesmo gasosa.

E, embora tenha passado por diversas mudanças e adaptações em função de novas descobertas, o conceito básico permanece o mesmo. Átomos são partículas tão incrivelmente pequenas, que um único grão de areia é formado por mais de 1 trilhão delas. Essas pequenas partículas são dotadas de propriedades e particularidades, e se combinam entre elas para formar tudo o que você conhece, inclusive nós mesmos.

Mas, antes de entendermos como isso acontece, é preciso voltar um pouco no tempo e estudar a história dessa porçãozinha de todas as coisas, para chegarmos ao que é hoje e, assim, visualizar melhor como tudo acontece.

O modelo atômico de Dalton - bola de bilhar

Na época dos filósofos antigos, quando se propôs um ponto de indivisibilidade da matéria, acreditava-se que as partículas que encontraríamos nesse ponto só poderiam ser de quatro tipos, considerados os quatro elementos básicos da formação de tudo: ar, água, fogo e terra. Quando chegou a vez do professor inglês John Dalton expor seus estudos sobre o assunto, em 1808, essa ideia já não era mais aceita. Dalton era meticuloso em seus estudos e suas teorias, baseadas em observações experimentais.

O que ele propôs foi que a matéria era constituída por microscópicas bolinhas de diferentes tipos, invisíveis a olho nu e que se combinavam e misturavam para formar as substâncias. Por isso, esse modelo ficou conhecido como o átomo bola de bilhar.

Como fruto de seus estudos, o professor postulou o seguinte:

• Todas as substâncias são formadas por partículas minúsculas chamadas átomos;
• Os átomos de diferentes elementos têm propriedades diferentes, mas todos os átomos do mesmo elemento são exatamente iguais;
• Os átomos não se alteram quando estão combinados, isto é, quando formam substâncias químicas;
• Os átomos são esferas maciças, permanentes e indivisíveis, não podendo ser criados nem destruídos;
• As reações químicas correspondem a uma reorganização de átomos;
• Os compostos são formados pela combinação de átomos de elementos diferentes em proporções fixas;
• A massa de um composto é igual à soma das massas de todos os átomos que o compõem.

Apesar de ainda necessitar diversos ajustes, as observações de Dalton quanto à natureza da composição da matéria apresentavam incrível precisão e algumas, inclusive, permanecem inalteradas até hoje. Suas ideias ainda davam forma à explicação de postulados anteriores como a lei da conservação das massas, de Lavoisier e a lei da composição definida, de Proust.

Dois anos mais tarde, foi publicada sua obra obra New System of Chemical Philosophy (novo sistema de filosofia química). A obra trazia, entre outros, testes que confirmavam suas teorias.

O modelo de Thomson - pudim de passas

Quase 100 anos mais tarde, em 1897, durante estudos sobre raios catódicos (que hoje sabemos tratarem-se de feixes de elétrons), o físico também inglês Joseph John Thomson percebeu que esses raios eram atraídos por campos magnéticos positivos externos. Em seus experimentos ele concluiu que fenômenos elétricos deveriam estar diretamente ligados à estrutura básica da matéria, e o átomo não poderia ser, então, uma simples esfera maciça, como sugeriu Dalton inicialmente, mas sim constituído por dois ingredientes: uma esfera principal, com carga elétrica positiva, e outras esferas mais leves, que se espalhavam uniformemente pela maior, com carga elétrica negativa, tal qual uvas-passas em um pudim. Dessa forma, sua proposição de modelo atômico ficou conhecida por átomo pudim de passas.



Em sua idealização de modelo atômico, Thomson deu a essas partículas menores o nome de corpúsculos. Esse foi, então, o primeiro modelo divisível do que era, até então, indivisível por definição. O físico dizia o seguinte:

• A matéria é constituída por esferas com carga elétrica positiva e, em sua estrutura distribuem-se, partículas mais leves com carga elétrica negativa;
• Essas partículas  menores denominam-se corpúsculos e são muito menores que o átomo de hidrogênio (H);
• Os corpúsculos distribuem-se de maneira uniforme na estrutura do átomo, assegurando equilíbrio elétrico e nulidade de carga ao conjunto;
• A relação carga/massa é a mesma para qualquer gás empregado nos testes dos raios catódicos, portanto os corpúsculos devem ser constituintes de qualquer tipo de matéria;
• Não é possível separar os corpúsculos do átomo sem que este sofra um serramento de fissão nuclear;

Não muito mais tarde, o próprio físico determinou que esses corpúsculos deveriam, na verdade, ser chamados de elétrons.

O modelo de Rutherford - planetário

Em 1908, o cientista físico e químico neozelandês Ernest Rutherford, realizou um experimento com partículas α (partícula de carga +2 liberada a partir do núcleo de um elemento radioativo). Sua experiência consistia em produzir um feixe dessas partículas a partir do elemento Polônio (Po) e direcioná-lo contra uma lâmina extremamente fina de ouro (apenas 10^-5 mm de espessura). Durante esse experimento ele constatou que:

a) a grande maioria das partículas atravessava a lâmina sem sofrer qualquer alteração em seu trajeto;
b) uma certa quantidade de partículas sofriam alguma alteração no trajeto após atravessar a lâmina;
c) uma pequena quantidade de partículas eram refletidas e retrocediam.

Com esses resultados, Rutherford foi capaz de chegar a algumas conclusões que resultaram nos postulados de um novo modelo atômico:

• Se a maioria das partículas atravessa a lâmina sem sofrer alterações, significa que há grandes espaços entre um átomo e outro;
• Os elétrons, previstos por Thomson não poderiam estar espalhados pelo núcleo, mas sim orbitando ao redor dele, como os planetas em um sistema solar (o que deu origem ao nome pelo qual o modelo ficou conhecido), em regiões que receberam o nome de eletrosferas.
• Como a quantidade de partículas α repelidas era muito pequena, isso significava que o núcleo do átomo, que corresponde a sua parte igualmente positiva, também é muito pequeno, tornando mínima a quantidade de partículas com a mesma carga que se encontravam.

Dessa forma, o átomo que Rutherford propunha recebia a forma de um sistema solar, da seguinte maneira:

Note que, nessa estrutura, o núcleo é formado por dois tipos de sub-partícula: uma positiva, chamada próton e uma sem carga, chamada nêutron. Contudo, os nêutrons, até então, eram somente uma previsão feita pelo cientista. Seu isolamento e a prova de sua existência só ocorreu em 1932, pelo físico britânico James Chadwick, colaborador de Rutherford.

O modelo de Rutherford-Bohr

Pouco tempo depois, em 1910, o físico dinamarquês Niels Henrick David Bohr aprimorou o modelo de Rutherford, propondo que as eletrosferas, tratavam-se de camadas, cada uma com um nível determinado e invariável de energia.

Em suas observações, Bohr postulou o seguinte

• Os elétrons descrevem órbitas circulares ao redor do núcleo em posições definidas (denominadas camadas) e com quantidades fixas de energia. Não é possível ocupar os espaços intermediários entre as camadas;
• Essas camadas são ao todo sete e a quantidade de elétrons que cada uma delas pode comportar também é fixa;
• Apesar de ser extremamente pequeno, ainda assim, a maior parte do átomo é somente espaço vazio: o diâmetro da órbita dos elétrons é cerca de mil vezes maior do que o núcleo;
• Elétrons podem absorver uma certa porção de energia (um quantum de energia), o que os faz saltar para uma camada mais externa e mais energética;
• Essa condição é instável, por isso, o elétron tende a perder essa energia extra, emitindo, no processo, luz ou calor e retornando, assim, para sua camada original.

Mesmo após esse modelo, outros novos foram propostos, com diferentes postulados que apresentavam explicações distintas para os fenômenos da natureza que observamos todos os dias, contudo, o modelo de Bohr é até hoje o mais popular e também o que estudaremos no ensino médio.