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Curso: Ciências EF: 9° ano > Unidade 1

Lição 1: Modelos atômicos
Ciências
Ciências EF: 9° ano
Matéria e energia: físico-química atômica e molecular
Modelos atômicos
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Descoberta do elétron e do núcleo

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O experimento dos raios catódicos de Thomson e o experimento das folhas de ouro de Rutherford

Principais pontos

  • Os experimentos de J.J. Thomson com tubos de raios catódicos mostrou que todos os átomos contêm partículas subatômicas minúsculas de carga negativa, ou elétrons.
  • O modelo atômico do pudim de passas de Thomson tinha elétrons carregados negativamente inseridos dentro de uma "sopa" carregada positivamente.
  • O experimento da folha de ouro de Rutherford mostrou que o átomo constitui-se principalmente de espaço vazio, com um núcleo minúsculo, denso e carregado positivamente.
  • Com base nesses resultados, Rutherford propôs o modelo nuclear do átomo.

Introdução: Consolidando a teoria atômica de Dalton

Em um artigo anterior sobre a teoria atômica de Dalton, discutimos os seguintes postulados:
  • Toda a matéria é feita de partículas indivisíveis chamadas átomos, que não podem ser criadas ou destruídas.
  • Átomos do mesmo elemento têm massa e propriedades físicas idênticas.
  • Compostos são combinações de átomos de 2 ou mais elementos.
  • Todas as reações químicas envolvem a reordenação de átomos.
As ideias de Dalton mostraram-se fundamentais para a teoria atômica moderna. Entretanto, demonstrou-se, mais tarde, que um de seus pressupostos subjacentes era incorreto. Dalton achava que os átomos fossem as menores unidades da matéria−esferas minúsculas e duras que não poderiam ser divididas. Esse pressuposto persistiu até que experimentos físicos mostraram que o átomo era composto de partículas ainda menores. Neste artigo, vamos discutir alguns dos principais experimentos que levaram à descoberta do elétron e do núcleo.

J.J. Thomson e a descoberto do elétron

No final do século XIX, o físico J.J. Thomson começou a fazer experimentos com tubos de raios catódicos. Tubos de raios catódicos são tubos de vidro lacrados dos quais a maior parte do ar foi retirada. É aplicada uma alta voltagem através de dois eletrodos em uma das extremidades do tubo, o que faz com que um feixe de partículas flua do cátodo (o eletrodo carregado negativamente) para o ânodo (o eletrodo carregado positivamente). Os tubos são chamados tubos de raios catódicos porque o feixe de partículas, ou "raio catódico", se origina no cátodo. É possível detectar o raio pintando um material conhecido como fósforo na extremidade do tubo, além do ânodo. O fósforo emite centelhas, ou luz, quando atingido pelo raio catódico.
Diagrama do tubo de raios catódicos de J.J. Thomson. O raio origina-se no cátodo e passa através de uma fenda no ânodo. O raio catódico é desviado da placa elétrica de carga negativa, e em direção à placa elétrica de carga positiva. O tamanho do desvio do raio pelo campo magnético ajudou Thomson a determinar a razão entre massa e carga das partículas. Imagem de Openstax, CC BY 4.0.
Para testar as propriedades das partículas, Thomson colocou duas placas elétricas ao redor do raio catódico. O raio catódico desviou-se da placa elétrica de carga negativa e foi em direção à placa elétrica de carga positiva. Isso indicou que o raio catódico era composto de partículas carregadas negativamente.
Thomson também colocou dois ímãs em cada lado do tubo, e observou que este campo magnético também desviava o raio catódico. Os resultados desses experimentos ajudaram Thomson a determinar a razão entre massa e carga das partículas do raio catódico, o que levou a uma fascinante descoberta−a de que a massa de cada partícula era muito, muito menor que a de qualquer átomo conhecido. Thomson repetiu seus experimentos usando diferentes metais como materiais de eletrodo, e descobriu que as propriedades do raio catódico permaneciam constantes independentemente do material catódico de onde se originavam. A partir destas evidências, Thomson chegou às seguintes conclusões:
  • O raio catódico é composto de partículas carregadas negativamente.
  • As partículas devem devem ser partes do átomo, pois a massa de cada partícula é apenas ∼12000 da massa de um átomo de hidrogênio.
  • Essas partículas subatômicas podem ser encontradas nos átomos de todos os elementos.
Apesar de inicialmente controversas, as descobertas de Thomson foram gradualmente aceitas pelos cientistas. Por fim, suas partículas de raios catódicos receberam um nome mais familiar: elétrons. A descoberta do elétron refutou a parte da teoria atômica de Dalton que pressupunha que os átomos fossem indivisíveis. Para dar conta da existência dos elétrons, um modelo atômico completamente novo seria necessário.
Verificação de conceito: Por que Thomson concluiu que os elétrons poderiam ser encontrados em átomos de todos os elementos?

O modelo do pudim de passas

Thomson sabia que os átomos tinham uma carga total neutra. Por isso, ele concluiu que deveria haver uma fonte de cargas positivas dentro do átomo para contrabalancear a carga negativa dos elétrons. Isso levou Thomson a propor que os átomos poderiam ser descritos como partículas negativas flutuando dentro de uma sopa de cargas positivas difusas. Esse modelo é frequentemente chamado de modelo do pudim de passas do átomo, devido ao fato de sua descrição ser bem similar ao de um pudim de passas, uma sobremesa inglesa popular (veja a imagem abaixo).
O modelo atômico do pudim de passas representa os elétrons como partículas carregadas negativamente mergulhadas em um mar de cargas positivas. A estrutura do átomo da teoria de Thomson é análoga a um pudim de passas, uma sobremesa inglesa (à esquerda). Imagem from Openstax, CC BY 4.0.
Considerando o que sabemos agora sobre a verdadeira estrutura dos átomos, este modelo pode parecer um pouco exagerado. Felizmente, os cientistas continuaram a investigar a estrutura do átomo, inclusive testando a validade do modelo do pudim de passas de Thomson.
Verificação de conceito: Thomson propôs um modelo atômico com cargas negativas distintas flutuando dentro de um "mar" de cargas positivas. Você consegue imaginar outro modelo que possa explicar os resultados experimentais de Thomson?

Ernest Rutherford e o experimento da folha de ouro

O segundo experimento mais inovador da história do átomo foi realizado por Ernest Rutherford, um físico da Nova Zelândia que passou a maior parte de sua carreira na Inglaterra e no Canadá. Em seu famoso experimento da folha de ouro, Rutherford disparou um fino feixe de partículas α (pronuncia-se partículas alfa) em uma folha bem fina de ouro puro. As partículas alfa são núcleos de hélio (24He2+), e são liberadas em vários processos de decaimento radioativo. Neste caso, Rutherford colocou uma amostra de rádio (um metal radioativo) dentro de uma caixa de chumbo com um pequeno orifício. A maior parte da radiação foi absorvida pelo chumbo, mas um feixe fino de partículas α passou pelo orifício em direção à folha de ouro. A folha de ouro tinha uma tela detectora ao seu redor que piscava quando atingida por uma partícula α.
No experimento da folha de ouro de Rutherford, um feixe de partículas α foi disparado em uma folha fina de ouro. A maioria das partículas α passou direto pela folha de ouro, mas um pequeno número desviou-se um pouco, e uma fração ainda menor desviou-se mais de 90∘ de sua rota. Imagem de Openstax, CC BY 4.0.
Com base no modelo do pudim de passas de Thomson, Rutherford previu que a maioria das partículas α passariam direto pela folha de ouro. Isso porque supunha-se que a carga positiva do modelo do pudim de passas estivesse espalhada por todo o volume do átomo. Portanto, o campo elétrico da "sopa" de carga positiva seria muito fraco para afetar a rota das partículas α, relativamente grandes e rápidas.
Os resultados do experimento, entretanto, foram surpreendentes. Enquanto a maioria das partículas α passou direto pela folha de ouro, algumas partículas α (aproximadamente 1 em 20.000) sofreram um desvio de mais de 90∘ de sua rota! O próprio Rutherford descreveu os resultados com a seguinte analogia: "Foi o evento mais incrível que aconteceu comigo em toda a minha vida. Foi tão incrível como se tivesse lançado uma concha de 15 polegadas em um lenço de papel e ela tivesse ricocheteado de volta e me atingido."
Com base no modelo atômico do pudim de passas, pressupôs-se que não havia nada denso o suficiente no interior dos átomos de ouro que desviasse as grandes partículas α de sua rota (veja imagem à esquerda). No entanto, o que Rutherford realmente observou não correspondia a esta previsão (veja imagem à direita)−seria necessário um novo modelo atômico!

O modelo nuclear do átomo

Com base em seus resultados experimentais, Rutherford chegou às seguintes conclusões sobre a estrutura do átomo:
  • A carga positiva deve localizar-se em um volume bem pequeno do átomo, que também deve conter a maior parte da massa do átomo. Isso explicava porque uma fração bem pequena das partículas α sofriam um desvio drástico, provavelmente devido à colisão rara com um núcleo de ouro.
  • Como a maioria das partículas α passou direto pela folha de ouro, o átomo deve ser composto de espaço vazio na sua maior parte!
O modelo nuclear do átomo. Imagem do átomo de Rutherford de Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0.
Isso levou Rutherford a propor o modelo nuclear, no qual um átomo consiste de um núcleo muito pequeno, carregado positivamente cercado por elétrons carregados negativamente. Com base no número de partículas α desviadas em seu experimento, Rutherford calculou que o núcleo ocupava uma fração muito pequena do volume do átomo.
O modelo nuclear explicava os resultados experimentais de Rutherford, mas também levantava outras questões. Por exemplo, o que faziam os elétrons no átomo? O que impedia os elétrons de caírem no núcleo, já que cargas opostas se atraem? Felizmente, a ciência estava pronta para enfrentar esse desafio! Físicos como Niles Bohr continuaram a realizar experimentos para testar o modelo nuclear do átomo, que eventualmente desenvolveu-se no modelo moderno da mecânica quântica.

Resumo

  • Os experimentos de J.J. Thomson com tubos de raios catódicos mostraram que todos os átomos contêm minúsculas partículas subatômicas com carga negativa, ou elétrons.
  • Thomson propôs o modelo do pudim de passas do átomo, com elétrons carregados negativamente inseridos em uma "sopa" carregada positivamente.
  • O experimento da folha de ouro de Rutherford mostrou que o átomo constitui-se principalmente de espaço vazio, com um núcleo minúsculo, denso e carregado positivamente.
  • Com base nesses resultados, Rutherford propôs o modelo nuclear do átomo.

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