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Modelos atômicos

Este material é parte integrante do Jogo do Prêmio Nobel de Atomística
© Carlos Alberto dos Santos, Eliabe Maxsuel de Aquino, Farnésio Vieira Diniz

Os modelos atômicos considerados modernos são os modelos de Thomson e de Rutherford-Bohr. Passaram-se séculos entre os modelos da antiguidade e o modelo de Dalton, e um século entre este e os modelos modernos.
Os modelos de Thomson, Rutherford e Bohr são consequências das descobertas que se seguiram aos estudos dos raios catódicos. Para leituras mais aprofundadas sobre o assunto, visite esses endereços:

Joseph John Thomson (1856-1940)

Por volta de 1890, qualquer laboratório de física importante na Europa investigava os raios catódicos. Em novembro de 1895, quando estudava esses raios, Roentgen descobriu os raios-X. A descoberta foi tão impactante, que quase toda a comunidade de físicos passou a estudar e repetir os experimentos de Roentgen. E foi assim que Thomson descobriu o elétron, em 1897, com esse equipamento, cuja descrição não cabe aqui.

Logo depois dessa descoberta, precisamente em março de 1904, Thomson propôs seu modelo atômico, também conhecido como Modelo do Pudim de Ameixa. Para Thomson, havia três possibilidades para a constituição do átomo, que deveria ser eletricamente neutro:

Cada elétron estaria emparelhado com uma partícula positivamente carregas. Esse par sempre estaria junto no átomo.
Elétrons orbitariam uma região central com partículas de carga positiva, cuja carga total seria igual a soma das cargas dos elétrons.
Os elétrons ocupariam uma região do espaço contendo uma distribuição uniforme de cargas positivas.

Thomson escolheu a terceira alternativa como a mais provável, e é por isso que seu modelo é conhecido como Pudim de Ameixa. As cargas positivas formariam o pudim, e os elétrons seriam as ameixas.

Por volta de 1908, Rutherford e seus colaboradores, sobretudo Geiger e Marsden passaram a realizar experimentos com espalhamento de partículas alfa, que Rutherford havia identificado como sendo igual ao núcleo de hélio. Essa história você poderá conhecer lendo esse texto sobre a radioatividade. Não precisamos conhecer os detalhes desses experimentos. Basta saber que os resultados foram surpreendentes. Eles jogaram jatos de partículas alfa sobre uma finíssima folha de ouro. Esperavam que o feixe sofresse uma pequeno espalhamento, devido ao choque das partículas com os átomos de ouro. Mas, observaram que algumas partículas, menos de 1% do total sofriam grandes desvios, como ilustram as figuras abaixo.


Hans Geiger (1882-1945), à esquerda, e Ernest Rutherford (1871-1937) com o equipamento utilizado nos experimentos de espalhamento alfa. O outro colaborador de Rutherford nesses experimentos foi Ernest Marsden (1889-1970).	Esquema do experimento de espalhamento alfa. Mais de 99% das partículas atravessam a folha de ouro praticamente sem desvio. Menos de 1% sofre grandes desvios. As partículas são registradas numa tela fluorescente.

se o átomo fosse como previsto no modelo de Thomson, ou seja, se as cargas positivas e negativas fossem distribuídas uniformemente, as partículas alfa não sofreriam grandes desvios. Para resolver o mistério dos grandes desvios, Rutherford adotou a segunda hipótese de Thomson, segunda a qual o átomo é constituído de uma pequena região, chamada núcleo, com partículas positivas e muito pesadas, em comparação ao peso do elétron. Nesse modelo, a massa do átomo concentra-se praticamente no núcleo. Hoje sabemos que o núcleo contém prótons e nêutrons, com massas similares e aproximadamente 1800 vezes maiores do que a massa do elétron, mas o próton só foi descoberto, por Rutherford, em 1919, e o nêutron foi descoberto por James Chadwick (1891-1974), um dos colaboradores de Rutherford, em 1932.

Em março de 1912, Niels Bohr (1885-1962) chega a Manchester para fazer um estágio de pós-doutorado com Rutherford e logo começa a analisar os resultados obtidos com o espalhamento alfa, partindo do modelo proposto por Rutherford. Detalhes sobre essa história você pode ler nesse endereço: https://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/m_s04.html.
Veremos aqui apenas os fatos mais importantes.
A primeira coisa importante no modelo de Rutherford é uma decepção. Pela teoria clássica do eletromagnetismo, uma carga negativa orbitando em volta de uma carga positiva não poderia ficar nessa situação por muito tempo. Ela perderia energia e terminaria se juntando à carga positiva. Essa perda de energia resulta do fato de que qualquer carga elétrica acelerada irradia energia eletromagética. E o elétron girando em volta do núcleo é uma carga acelerada. Portanto, perderá energia resultando no colapso do núcleo. Se assim fosse, a matéria não existiria. Para resolver essa dificuldade, Bohr propôs o que para alguns é denominado Modelo de Bohr, e para outros trata-se do Modelo de Ruhterford e Bohr, ou simplesmente Modelo de Rutherford-Bohr.

Bohr teve a coragem de desafiar a física clássica, postulando determinados comportamentos atômicos não previstos até então. Postulado é uma afirmação que se faz sem necessidade de demonstração. Algo do tipo: isso é assim porque é. Não precisa demonstrar que é verdade.
Então, Bohr começou postulando que em determinadas circunstãncias o elétron pode estar acelerado e assim mesmo não emitir radiação eletromagnética. A circunstãncia em que isso ocorre ele chamou de estado estacionário do átomo, no qual o elétron gira em órbita indefinidamente.
Bohr também postulou que cada átomo tem várias órbitas estacionárias. Um elétron só sai de uma órbita estacionária em duas ocasiões. A primeira é quando ele recebe energia do exterior. Neste caso ele pode saltar para uma órbita mais afastada do núcleo. A segunda é quando ele espontaneamente salta para uma órbita mais próxima do núcleo. Neste caso, ele emite energia. A figura ao lado ilustra as duas situações. O elétron recebe energia por meio de uma radiação externa. Dependendo do átomo, essa radiação pode ser luz visível, ultravioeta ou raios-X, entre outras.
Com esses e outros postulados, que não precisam ser discutidos aqui, Bohr mostrou que cada órbita tem uma energia bem determinada, e que o salto de uma órbita para outra envolve a recepção ou emissão de energia igual à diferença de energia das duas órbitas. Veja os cálculos do Modelo de Rutherford-Bohr.

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