A estrutura do átomo: a ciência do início do século XX

Para conhecer a estrutura do átomo, precisamos saber o seguinte:

- quais são as partes do átomo;

- como é a organização dessas partes;

Ao final do século XIX, pensava-se que o átomo não era nada mais do que uma minúscula esfera indivisível (de acordo com a visão de Dalton).
 
Contudo, uma série de novas descobertas nos campos da química, eletricidade e magnetismo, radioatividade e mecânica quântica, no final do século XIX e início do século XX, mudou tudo isso. Aqui estão as contribuições que esses campos trouxeram:

- as partes do átomo:

a) química e eletromagnetismo ---> elétron (primeira partícula subatômica);

b) radioatividade ---> núcleo;

c) próton;

d) nêutron.

- como é a organização do átomo - a mecânica quântica conseguiu juntar todas as peças:

a) espectros atômicos ---> Modelo de Bohr sobre o átomo;

b) dualidade partícula-onda ---> Modelo quântico do átomo.

Química e eletromagnetismo: descobrindo o elétron

No final do século XIX, químicos e físicos estavam estudando a relação entre a eletricidade e a matéria. Eles colocavam correntes elétricas de alta voltagem através de tubos de vidro cheios de gases de baixa pressão (mercúrio, neônio, xenônio), em algo bem parecido com as luzes néon.

A corrente elétrica era transportada de um eletrodo (catodo), através do gás e para o outro eletrodo (anodo) na forma de um feixe chamado de raios catódicos. Em 1897, o físico britânico J. J. Thomson conduziu uma série de experimentos e obteve os seguintes resultados:

- ele descobriu que, se o tubo fosse colocado dentro de um campo elétrico ou magnético, os raios catódicos podiam ser desviados ou movidos (é assim que o tubo de raios catódicos (TRC) de sua TV funciona);

- ao aplicar somente um campo elétrico, somente um campo magnético ou uma combinação de ambos, Thomson conseguiu medir a razão da carga elétrica pela massa dos raios catódicos;

- ele descobriu que a mesma razão da carga pela massa de raios catódicos era vista independentemente de qual material se encontrava no tubo ou do material de que era feito o catodo;

Thomson chegou às seguintes conclusões:

- os raios catódicos eram feitos de partículas minúsculas e com carga negativa, que ele chamou de elétrons;

- os elétrons deviam se originar do interior dos átomos do gás ou do eletrodo de metal;

- já que a razão da carga pela massa era a mesma para qualquer substância, os elétrons eram uma parte básica de todos os átomos;

- como a razão da carga pela massa do elétron era muito alta, o elétron deveria ser muito pequeno;

Posteriormente, um físico americano chamado Robert Milikan mediu a carga elétrica de um elétron. Com esses dois números (carga e razão da carga pela massa), os físicos calcularam a massa do elétron como 9,10 x 10^-28 gramas. Para compararmos, uma moeda de um centavo americano possui uma massa de 2,5 gramas, o que faz que 2,7 x 10²⁷ elétrons pesem tanto quanto um centavo.

Duas outras conclusões se originaram da descoberta do elétron:

- como o elétron tem carga negativa e os átomos são eletricamente neutros, deve haver uma carga positiva em algum lugar do átomo;

- como os elétrons são muito menores do que os átomos, deve haver outras partículas com maior massa no átomo;

A partir desses resultados, Thomson propôs um modelo do átomo que era semelhante a uma melancia. A parte vermelha era a carga positiva, ao passo que as sementes eram os elétrons.

Radioatividade: descobrindo o núcleo, o próton e o nêutron

Mais ou menos na mesma época em que Thomson fazia experimentos com os raios catódicos, físicos como Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie e Ernest Rutherford estavam estudando a radioatividade. A radioatividade se caracterizava por três tipos de raios emitidos (veja Como funciona a radiação nuclear  para mais detalhes):

- partículas alfa - com carga positiva e grande massa. Ernest Rutherford demonstrou que essas partículas eram o núcleo de um átomo de hélio;

- partículas beta - com carga negativa e leves (posteriormente, descobriu-se que eram os elétrons);

- raios gama - com carga neutra e sem massa (ou seja, energia);

O experimento com radioatividade que mais contribuiu para nosso conhecimento a respeito da estrutura do átomo foi realizado por Rutherford e seus colegas. Rutherford bombardeou uma fina folha de ouro com um feixe de partículas alfa e olhou os feixes em uma tela fluorescente, percebendo o seguinte:

- a maior parte das partículas passava direto pela folha e atingia a tela;

- uma pequena parte (0,1%) era desviada ou dispersada para frente (em ângulos diferentes) da folha, ao passo que outras eram dispersadas para trás da folha;

Rutherford concluiu que os átomos de ouro eram, em sua maior parte, espaço vazio, o que permitia que a maioria das partículas alfa passasse por eles. No entanto, uma pequena região do átomo devia ser densa o bastante para desviar ou dispersar a partícula alfa. Ele chamou essa região densa de núcleo.

Era o núcleo que continha a maior parte da massa do átomo. Mais tarde, quando Rutherford bombardeou nitrogênio com partículas alfa, uma partícula com carga positiva e mais leve do que a partícula alfa foi emitida. Ele chamou essas partículas de prótons e percebeu que elas eram uma partícula fundamental do núcleo. Os prótons têm uma massa de 1,673 x 10^-24 gramas, cerca de 1.835 vezes mais do que um elétron.

No entanto, os prótons não poderiam ser a única partícula no núcleo, porque o número de prótons em qualquer elemento (determinado pela carga elétrica) era menor que o peso do núcleo. Então, devia existir uma terceira partícula com carga neutra. Foi James Chadwick, físico britânico e colega de trabalho de Rutherford, quem descobriu a terceira partícula subatômica: o nêutron.

Ele bombardeou uma folha de berílio com partículas alfa e percebeu que dela saía uma radiação neutra. Essa radiação neutra conseguia, por sua vez, tirar os prótons dos núcleos de outras substâncias. Chadwick concluiu que essa radiação era um fluxo de partículas com carga neutra e mais ou menos a mesma massa do próton. O nêutron tem massa de 1,675 x 10^-24 gramas.

Agora que as partes do átomo já eram conhecidas, como elas se organizavam para criar um átomo? O experimento de Rutherford com a folha de ouro indicou que o núcleo estava no centro do átomo e que o átomo consistia, em sua maior parte, de espaço vazio. Então, ele previu o átomo como o núcleo de carga positiva no centro, com elétrons de carga negativa circulando ao redor dele, assim como um planeta e suas luas.

Embora ele não tivesse evidências de que os elétrons circulassem em torno do núcleo, seu modelo parecia razoável, mas apresentava um problema. Conforme os elétrons se movessem em círculos, eles acabariam perdendo energia e emitindo luz. A perda de energia diminuiria a velocidade dos elétrons.

Assim como com qualquer satélite, esses elétrons com velocidade decrescente acabariam caindo no núcleo. Na verdade, calculou-se que um átomo de Rutherford duraria apenas bilionésimos de segundos antes de deixar de existir. Faltava alguma coisa.

Mecânica quântica: juntando todas as peças

Ao mesmo tempo em que descobertas eram feitas com a radioatividade, físicos e químicos estavam estudando como a luz interagia com a matéria. Esses estudos deram origem ao campo da mecânica quântica e ajudaram a resolver o problema da estrutura do átomo.

A mecânica quântica joga luz sobre o átomo: o modelo de Bohr

Físicos e químicos estudavam a natureza da luz transmitida quando correntes elétricas passavam através de tubos com elementos gasosos (hidrogênio, hélio, neônio) e quando elementos eram aquecidos (por exemplo, sódio, potássio, cálcio etc.) no fogo. Eles passavam a luz dessas fontes por um espectrômetro (um dispositivo que continha uma fenda estreita e um prisma de vidro).

Agora, quando passamos a luz solar por um prisma, o que vemos é um espectro contínuo de cores, como um arco-íris. No entanto, quando a luz dessas várias fontes passava pelo prisma, os cientistas encontravam um fundo negro, com linhas discretas.

Cada elemento possuía um espectro único e o comprimento de onda de cada linha dentro de um espectro tinha uma energia específica (consulte Como funciona a luz para mais detalhes sobre a relação entre o comprimento de onda e a energia).

Em 1913, um físico dinamarquês chamado Niels Bohr juntou as descobertas de Rutherford com os espectros observados e, em um momento de grande intuição, criou um novo modelo de átomo. Ele sugeriu que os elétrons orbitando ao redor do núcleo somente poderiam existir em certos níveis de energia (ou seja, distâncias) a partir do núcleo, em vez dos níveis contínuos que se esperariam com base no modelo de Rutherford.

Quando os átomos nos tubos de gás absorviam a energia da corrente elétrica, os elétrons ficavam excitados e pulavam dos níveis de baixa energia (próximos ao núcleo) para os de alta energia (mais distantes do núcleo).

Os elétrons excitados acabariam voltando a seus níveis originais e emitiriam energia na forma de luz. Como havia diferenças específicas entre os níveis de energia, apenas comprimentos de onda específicos de luz eram vistos no espectro (linhas).

A principal vantagem do modelo de Bohr era o fato de que ele funcionava. E explicava várias coisas:

- espectros atômicos - já citados

- comportamento periódico dos elementos - elementos com propriedades semelhantes tinham espectros atômicos parecidos:

- Cada órbita, do mesmo tamanho e energia (camada), conseguiria segurar um número determinado de elétrons.

- primeira camada = dois elétrons

- segunda camada = oito elétrons

- terceira camada e acima = oito elétrons

- ao preencher uma camada, os elétrons eram encontrados em níveis mais altos.

- as propriedades químicas baseavam-se no número de elétrons na camada mais distante do núcleo.

- elementos com camadas exteriores cheias não reagem com outros elementos.

- outros elementos pegariam ou dariam elétrons para ter a camada mais externa cheia.

Com a invenção dos lasers em meados do século XX, descobriu-se que o modelo de Bohr também seria útil para explicar seu comportamento.

O modelo de Bohr predominou até o surgimento de novas descobertas na mecânica quântica.