A evolução dos modelos atômicos

John Dalton descreveu os átomos como esferas simples, como bolas de bilhar. Mas, hoje sabe-se que os átomos têm estrutura interna: eles são formados por partículas subatômicas, ainda menores. Abordaremos as três partículas subatômicas mais importantes: o elétron, o próton e o nêutron. Ao entender a estrutura interna dos átomos, você verá como um elemento difere de outro e como suas propriedades estão relacionadas às estruturas dos átomos.

A natureza elétrica da matéria

A primeira evidência experimental da estrutura interna dos átomos foi obtida em 1897. O físico britânico J. J. Thomson investigava os raios catódicos, os raios emitidos quando uma grande diferença de potencial (alta voltagem) é aplicada entre dois contatos de metal, chamados de eletrodos, em um tubo de vidro sob vácuo (Fig. 1A.2.1). Ao observar a direção do desvio do feixe causado por um campo elétrico aplicado aos eletrodos, Thomson demonstrou que os raios catódicos são fluxos de partículas negativas oriundas do interior dos átomos do eletrodo de carga negativa, o catodo. Thomson descobriu que as partículas carregadas, que depois foram chamadas de elétrons, eram as mesmas, independentemente do metal usado no catodo.

Figura 1A.2.1

Thomson conseguiu medir o valor de $e/m$, a razão entre a carga do elétron, $e$, e sua massa, $m$. Os valores de $e$ e $m$, porém, não foram conhecidos até mais tarde, quando outros pesquisadores, principalmente o físico americano Robert Millikan, conduziram experimentos que permitiram a determinação de $e$.

Millikan projetou uma aparelhagem engenhosa, na qual pôde observar pequenas gotas com carga elétrica (Fig. 1A.2.2). A partir da intensidade do campo elétrico necessária para vencer a gravidade que age sobre as gotículas, ele determinou as cargas das partículas. Como cada gotícula de óleo tinha mais de um elétron extra, ele considerou que a carga de um elétron era igual à menor diferença de carga entre as gotículas. O valor aceito hoje, $e = \pu{1,6e-19}$, é obtido por metodologia muito mais sofisticada. A carga de $-e$ é considerada “uma unidade” de carga negativa, e $e$, denominada carga fundamental, é considerada “uma unidade” de carga positiva. A massa do elétron foi calculada pela combinação desta carga com o valor de $e/m$ medido por Thomson. O valor adotado hoje é $\pu{9,1e-31 kg}$.

Figura 1A.2.2

Embora os elétrons tenham carga negativa, um átomo tem carga total zero: ele é eletricamente neutro. Isso significa que o átomo deve conter carga positiva suficiente para neutralizar a carga negativa. Mas onde estaria essa carga positiva? Thomson sugeriu um modelo atômico que ficou conhecido como o “modelo do pudim de passas”, segundo o qual um átomo é como uma esfera de material gelatinoso com carga positiva sobre a qual os elétrons estão suspensos, como passas de uva em um pudim.

O modelo nuclear do átomo

Esse modelo, entretanto, foi descartado em 1908 por outra observação experimental. Ernest Rutherford sabia que alguns elementos, incluindo o radônio, emitem partículas de carga positiva, que ele chamou de partículas $\alpha$ (partículas alfa). Ele pediu a dois de seus estudantes, Hans Geiger e Ernest Marsden, que fizessem passar um feixe de partículas através de uma folha de platina muito fina, cuja espessura era de apenas uns poucos átomos (Fig. 1A.2.3). Se os átomos fossem realmente uma gota de gelatina com carga positiva, as partículas $\alpha$ passariam facilmente pela carga positiva difusa da folha, com pequenos e raros desvios em sua trajetória.

Figura 1A.2.3

As observações de Geiger e Marsden espantaram a todos. Embora quase todas as partículas $\alpha$ passassem e sofressem eventualmente um desvio muito pequeno, cerca de 1 em cada $\pu{20000}$ sofria um desvio superior a $\pu{90}\degree$, e algumas poucas partículas voltavam na direção da trajetória original. “Foi quase inacreditável”, declarou Rutherford:

• “Foi como se você disparasse uma bala de canhão de 15 polegadas contra um lenço de papel e ela rebatesse e o atingisse”.

Os resultados do experimento de Geiger-Marsden sugeriam um modelo nuclear do átomo, no qual um centro muito pequeno e denso de carga positiva, o núcleo, era envolvido por um volume muito grande de espaço praticamente vazio que continha os elétrons. Rutherford imaginou que quando uma partícula $\alpha$ com carga positiva atingia diretamente um dos núcleos muito pequenos, porém pesados, de platina, a partícula sofria um desvio muito grande, como uma bola de tênis se chocando com uma bala de canhão parada, Fig. 1A.2.4. Trabalhos posteriores realizados por físicos nucleares mostraram que o núcleo de um átomo contém partículas, chamadas de prótons, cada uma com carga $+e$, que são responsáveis pela carga positiva, e nêutrons, partículas sem carga com massa praticamente idêntica à massa dos prótons. Como prótons e nêutrons têm massas semelhantes e a massa do elétron é muito menor, quase toda a massa de um átomo deve-se a seu núcleo. A carga total do núcleo do átomo de número atômico $Z$ é $+Ze$ e, para tornar os átomos eletricamente neutros, deve haver $Z$ elétrons ao redor do núcleo para que eles tenham carga total negativa igual a $-Ze$.

Figura 1A.2.4