Na segunda metade do século XIX, o eletromagnetismo já estava praticamente todo formulado com as equações de Maxwell e com a experiência de Hertz que a confirmavam. Na década de 1870, os experimentos com descargas elétricas .em gases eram muito realizados e para isso, os cientistas utilizavam tubos de vidro lacrados que se podia retirar o ar de dentro deles.
Um desses cientistas William Crookes era um inglês não muito ortodoxo que acreditava poder se comunicar com os mortos e é mais lembrado hoje pela sua invenção do que veio a ser chamado de "tubo de Crookes", um tubo de vidro lacrado, contendo um gás com densidade muito baixa e dotado
de eletrodos em seu interior, próximos a cada uma das extremidades do tubo (pioneiro dos anúncios de néon). O gás brilha quando os eletrodos eram conectados a urna fonte de tensão. Gases diferentes brilham com cores diferentes, cada gás com uma cor típica. Experimentos realizados
com tubos contendo placas metálicas e
fendas mostraram que o gás brilhava por
causa de· algum tipo de "raio" que vinha do terminal negativo (1) (cátodo). Com a ajuda de colimadores (2) os raios ficavam mais estreitos impedindo que os elétrons atingissem as placas defletoras A e B. Por fim os raios quando incidiam na tela T, pintada com material fosforescente, faziam com que esta cintilasse. O dispositivo foi chamado de tubo de raios catódicos (figura 1). Esses raios podiam ser desviados na presença de campos elétricos ou magnéticos. Essa descoberta deu a indicação que os raios poderiam ser formados por partículas negativas.
Em 1897, o fisico inglês Joseph John Thomson, influenciado pelos trabalhos de Maxwell e o descobrimento dos raios X, mostrou que os raios catódicos eram de fato formado por partículas, menores e mais leves do que os átomos, que denominou de corpúsculos e todas, aparentemente, eram idênticas. Ele conseguiu criar feixes de raios catódicos bem estreitos, e mediu seu desvio na presença dos campos elétrico e magnético. Thomson raciocinou que o valor do desvio dependia de três coisas: da massa das partículas, da rapidez delas e de suas cargas. Mas como o ângulo de desvio dependeria dessas coisas?
Quanto maior fosse a massa das partículas, maior seria a inércia e menor o desvio sofrido. Quanto maior a rapidez delas, menor seria o desvio. Além disso, a partir dos experimentos, Thomson conseguiu estabelecer que as partículas tinham massa muito menores do que qualquer átomo. A partícula presente nos raios catódicos recebeu o nome de elétron (que significa âmbar em grego). Ele também conseguiu calcular a razão entre a massa e a carga da nova partícula. Devido a esse trabalho recebeu o premio Nobel de 1906.
Em 1907, através de suas experiências, o físico americano Robert Millikan, conseguiu determinar a carga elétrica do elétr
Toda essa Investigação e descoberta do. elétron levaram a uma nova maneira de olhar os constituintes da matéria. Até então, pensava-se que a matéria era constituída de átomos (algo que não poderia ser divido, ou seja, algo elementar), com a descoberta do elétron, o átomo perdeu seu status elementar e passou a ser visto de outra forma, o que instigou ainda mais a curiosidade humana na busca do elementar. Fazendo com que novas investigações sobre os constituintes da matéria fossem feitas.
Desta forma, entre 1895 e 1904 os cientistas haviam descoberto e desvendado a natureza dos raios X, da radioatividade, dos raios catódicos e da transmutação dos elementos. Passando por uma grande revolução na maneira de interpretar e ver a natureza.
Questões:
1) Considerando que os elétrons têm carga negativa como se explica a deflexão ao passar pelo campo elétrico existente entre as placas defletoras?
2) Como verificar a natureza dos raios catódicos? Discuta.
3) Indique uma aplicação para o tubo de raios catódicos. Discuta.
A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo
Depois da descoberta do elétron por Thomson, em 1897, a ciência passou por uma grande mudança. Pela primeira vez, estava comprovado que o átomo era composto e não elementar como se pensava antes. Mas como foi a evolução da idéia do átomo?
Tudo começou, há aproximadamente 2500 anos, quando o homem iniciou o seu questionamento sobre a estrutura da matéria, ou seja, qual era a matéria prima ou substância primordial que compunha o Universo. No início das investigações, as concepções filosóficas se dividiam em dois grupos. De um lado, os filósofos que acreditavam que o Universo era formado por um único elemento - monista; por outro, aqueles que acreditavam nos vários elementos que formam o Universo - pluralista.
Dentro da corrente monista, podemos destacar os seguintes filósofos: Tales de Mileto (624 - 546 a.C.), que acreditava que o elemento primordial era a água; Anaxímenes de Mileto (570-500 a.C.) seria o ar, uma vez que o mesmo se reduziria a água por compressão. Para Xenófenes da Jônia (570460 a.C.) era a terra. Porém, Heráclito de Éfeso (540-480 a.C.) era o fogo, o elemento primordial.
Em meados do século V a.c., surge um novo movimento que tenta explicar a matéria prima sendo uma porção única, subdividida em diminutas partes. Essa era a forma como Anaxágoras de Clazômena (500-428 a.C.) imaginava o Universo. Para ele, a matéria prima seria uma espécie de semente (horneomerias) contendo outras sementes em seu interior e, essas, por sua vez teriam outras e assim infinitamente, semente dentro de semente.
Ao contrário da visão de Anaxágoras, Leucipo de Mileto (460-370 a.C.) e seu discípulo Demócrito de Abdera (470-380 a.c.) acreditavam que todas as coisas eram formadas por um único tipo de partícula: o átomo (indivisíve1, em grego), eterno e imperecível, que se movimenta no vazio. Propunham também, uma explicação para as diversas propriedades das substâncias, através das diferenças geométricas na forma e na posição do átomo.
Paralelamente a essa idéia atomista, tinha-se a corrente pluralista, destacado-se Empédocles de Akragas (490-431 a.C.) que acreditava no Universo formado por quatro elementos: água, terra, . fogo e ar,· podendo combinar-se para formar as diversas substâncias. Esses elementos estariam em constante movimento que seria intermediado pelo amor ou amizade que os uniam, e do ódio ou inimizade que os separavam.
Mais tarde, Aristóteles de Estagira (384-322 a.c.), propunha outros elementos: frio, quente, úmido e seco, que agrupados de dois a dois, formavam os elementos de Empédocles da seguinte forma: seco e frio daria a terra; seco e quente, o fogo; úmido e quente, o ar e úmido e frio, a água.
Depois de algum tempo, a idéia atomista foi retomada por Epícuro de Samos (341-270 a.C.) e levada as últimas conseqüências por Titocaro de Lucrécio (96-55 a.C.) que acreditava que todos os objetos da natureza eram constituídos de átomos, inclusive o corpo e a alma.
Mas não eram somente os gregos que buscavam a matéria prima do Universo. Na China, Tsou Yen (360-260 a.C.) tinha uma concepção pluralista, tendo como elementos básicos a água, a madeira, o fogo, o metal e a terra. Porém, não eram meras substâncias, já que eram governados pelo dualismo básico dos princípios cósmicos YIN e YANG.
Na Índia, os hindus também tinham sua própria concepção, onde os elementos primordiais se ligavam aos sentidos: éter-audição . ar-tato fogo-visão, agua-paladar e terra-olfato. Além disso, acreditavam que os quatro elementos de Empédocles eram constituídos de átomos (indivisíveis e indestrutíveis). Por outro lado, devido ao carater religioso dessa filosofia, havia uma crença que a alma também seria um elemento primordial do Umverso.
Já nos primeiros séculos da era cristã, houve uma ascensão do Império árabe. Assim, entre os séculos X e XI, a ciência árabe teve seu período áureo, podendo fonnular sua própria concepção dos elementos primordiais. Para eles, estes elementos deveriam ser encontrados nos princípios ou nas qualidades das substâncias e, não na substância em si. Desta forma, o enxofre seria o princípio da combustão (fogo) e o mercúrio está ligado ao ~lemento líquido (água).
Depois da queda dos árabes, no final do século XI, as idéias gregas voltaram à tona. Desta forma, as concepções monistas e pluralistas continuaram a ser discutidas e defendidas pelos cientistas da Idade Média e Renascimento.
Entretanto, em 1647, o filosofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655) publicou um livro distinguindo pela primeira vez átomo de molécula (distinção estabelecida oficialmente no 10 Congresso Internacional de Química, em 4 de setembro 1860) e, parecia propor, que o átomo seria uma parte real da substância, porém invisível e indivisível.
Já em 1789, foi editada a primeira tabela periódica contendo 30 elementos, elaborada pelo químico francês Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Ele se baseava no princípio de que "cada elemento de um composto pesa menos do que o composto como todo".
Alguns anos depois, em 1814, o físico químico Jõns Jakob Berzelius (1779-1848) introduziu a nomenclatura atual dos elementos químicos.
Vários outros cientistas, como o inglês John Dalton (1766-1844), o francês Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) e o italiano Amadeo A vogadro (1776-1856), começaram a investigar melhor as substâncias com a finalidade de determinar as massas dos átomos e seus volumes. Desta forma, foram formuladas algumas leis que ajudaram a classificar melhor as substâncias na tabela periódica.
Foi então, que em 1869 o russo Dimitri Ivanovich Mendeleiev (18341907) e em 1870 o alemão Ju1ius Lothar Meyer (1830-1895) chegaram, independentemente, a tabela periódica dos 63 elementos, relacionando o peso atômico com suas propriedades, seguindo a. seqüência 2, 8, 8, 18, 18, 36 indicando cada período, o número de elementos que apresentavam as mesmas propriedades e assim, Mende1eiev previu a existência de mais alguns eleméntos que foram detectados posteriormente.
Mas, foi devido às expenencias relacionadas ao eletromagnetismo, que o caráter indivisível do átomo foi posto em dúvida. Para o fisico francês André Marie Ampere (17751836) e o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), era uma questão de tempo mostrar que o átomo tinha constituintes de carga elétrica. Em 1828, o fisico alemão Gustav Theodor Fechner (1801-1887), propôs o modelo de que o átomo consistia de uma parte central massiva que atraia gavitacionalmente uma nuvem de partículas quase imponderáveis. Esse modelo foi melhorando por seu conterrâneo Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), colocando a força elétrica no lugar da gravitacional.
A primeira evidência experimental sobre a estrutura do átomo foi verificada pelo fisico e químico Michael Faraday (1791-1867) ao descobrir, em 1833, o fenômeno da eletrólise (ação química da eletricidade). Ele observou que a passagem da Corrente elétrica através de soluções químicas fazia com que os metais de tais soluções se depositassem nas barras metálicas introduzi das nessas soluções. Essa evidência foi corroborada com a teoria iônica desenvolvida pelo químico Svante August Arrhenius (1859-1927) em 1884, segundo a qual os íons que constituíam a corrente através da solução, nada mais eram do que átomos carregados de eletricidade
Uma nova visão do átomo com a descoberta do elétron: o modelo atômico de Thomson
Com a descoberta do elétron por 1. 1. Thomson, o átomo não era visto mais corno constituinte elementar do Universo. Com isso, Thomson pode propor, e~ 1903, urna nova visão do átomo.
Seu modelo era descrito da seguinte maneira: o átomo era composto de uma carga positiva uniformemente distribuída em uma esfera de raio da ordem 10-10 m, "embebida" de elétrons que vibravam em seu interior. Essa forma garantida a neutralidade do átomo, evitando o colapso do átomo.
O modelo atômico de Thomson também ficou conhecido como o "Modelo do Pudim de Passas", no qual as passas representavam os elétrons e a pasta do pudim, a carga elétrica positiva
Questão
1) Que contribuição, o modelo atômico de Thomson, trouxe para a idéia de átomo?
A descoberta de Rutherford: Um novo modelo atômico
As experiências com descargas elétricas em gases, também evidenciaram a existência de pmtículas positivas. Em 1886, Eugen Goldstein (1850-1931), observou que quando o catodo de um tubo era perfurado em forma de canais, certos "raios" atravessavam o próprio catado em sentido contrário aos raios catódicos e, por isso receberam o nome de raios canais. Nove anos mais tarde, Jean Baptista Perrin (1870-1942), conclui que esses raios eram constituídos de partículas positivas, chegando a ser determinada a razão entre a carga (q) e a massa (m) por Thomson em 1907. Basicamente esses "raios" eram íons de Hidrogênio (ff}
No começo do século XX, dois modelos atômicos disputavam a atenção da comunidade científica. Um era o modelo de Thomson de 1903 e o outro, o modelo do japonês Hantaro Nagaoka (18665-1950) de 1904. Para Nagaoka, o átomo era formado por um caroço central positivo rodeado de anéis de elétrons girando com a mesma velocidade angular, semelhante ao planeta Satumo (por isso, ficou conhecido como modelo saturniano).
Esse impasse foi resolvido com as experiências realizadas por Rutherford, o inglês Ernest Marsden (1889-1970) e o alemão Hans Geiger (1882-1945), em 1908 sobre o espalhamento de partículas α pela matéria.
Rutherford e seus colaboradores, perceberam que as partículas a, emitidas por substâncias radioativas, possuíam urna alta energia e uma massa elevada, sendo assim um bom instrumento para sondar o interior de outros átomos.
Baseado nessas evidências, Rutherford montou uma experiência com o intuito de bombardear uma [ma folha de ouro com essas partículas a. Ele percebeu, através de cintilações luminosas produzidas em uma anteparo tratado com sulfeto de zinco (ZnS) que, a maioria das partículas atravessavam a folha sem sofrer desvios e outras sofriam pequenos desvios, mas para espanto dele, pouquíssimas partículas eram desviad3:s em ângulos superiores a 90°.
Para os pequenos desvios, o modelo de Thomson dava conta de explicar, mas como explicar os grandes desvios?
Rutherford pensou que se a carga positiva do átomo estivesse concentrada em urna única região, a força de repulsão seria muito grande para "impactos" frontais. Concluiu então, que os grandes desvios observados só poderiam resultar do encontro de uma partícula a com uma carga positiva concentrada em uma pequena região do átomo.
Em 1911, Rutherford propôs que o átomo se comportava como um sistema planetário em miniatura, formado de uma parte central positiva, à qual denominou núcleo, onde se concentrava praticamente toda a massa do átomo e, ao redor do núcleo, teria uma nuvem de elétrons girando, conhecida como eletrosfera. Com isso, o modelo atômico de Thomson foi derrubado.
Utilizando experiências parecidas com aquelas que levaram a confirmação de modelo planetário, só que agora utilizando cilindro contendo hidrogênio (gás) ao invés de uma folha de ouro, Rutherford acreditava que as partículas a seriam capazes de expulsar o núcleo de hidrogênio, pois possuem maior massa e são emitidas com energias elevadas. Realizando esta experiência, ele conseguiu detectar os núcleos em um anteparo fluorescente. Com isso, comprovou a existência de partículas positivas no núcleo, e propôs o nome próton (que significa primeiro, em grego) em 1920 ao núcleo de hidrogênio (núcleo mais leve).
Porém, surgiram outras questões devido a este modelo. Ao propor seu modelo, ele admitia que os elétrons giravam em tomo do núcleo, porque se estivessem parados seriam atraídos eletrjcamente pelo núcleo. Mas ao sugerir essa saída, ele caiu em outro
problema.
A eletrodinâmica clássica prevê que toda partícula carregada em movimento deve emitir energia. Desta forma, elétron, deveria ir perdendo energia, diminuindo sua velocidade e indo em direção ao núcleo, em um movimento espiralado, como mostra a figura ao lado. Mas isso não foi "observado". Então como resolver essa questão?
O Modelo atômico de Bohr
Para resolver os problemas enfrentados pelo atômico de Rutherford, o fisico dinamarquês Niels Bohr (1852-1962), em 1913, propôs um modelo um pouco diferente. Baseando-se na teoria quântica de Max Planck (1885-1957), Bom sugere alguns postulados para o movimento do elétron, aperfeiçoando o modelo de Rutherford.
Postulado de Bohr:
Os elétrons se movem ao redor do núcleo em números limitados de órbitas bem definidas chamadas órbitas estacionárias;
Movendo-se nessas órbitas, os elétrons não emitem e nem absorvem energia;
Ao saltar de uma órbita estacionária para outra, o elétron absorve ou emite uma quantidade de energia bem definida, chamada de quantum de energia.
Estava assim proposto mais um novo modelo atômico, que é o modelo atual.
Questões:
1) Algumas pessoas afirmam que todas as coisas são possíveis. É possível que o núcleo de Hidrogênio emita' unia partícula α? Justifique sua resposta.
2) Destaque as principais diferenças entre os modelos de Rutherford e Bohr.
3) Por que na experiência de Rutherford a maioria das partículas a atravessam a folha sem sofrer nenhum desvio?
Testes:
1) (Unb 97) A figura adiante ilustra uma das experiências mais fascinantes na evolução da teoria atômica da matéria, realizada por Rutherford, ao bombardear finas lâminas de ouro com partículas alfa. Cada partícula alfa nada mais é do que o núcleo de um átomo de hélio ionizado.
trajetória da partícula alfa
partícula 1 ...
-----0- iB ,~:.
------ ~----
- --- --- :;y::~- - ---- ---
- - F núcleo de Au
A partir do experimento descrito, julgue os seguintes itens e assinale a alternativa correta:
(1) Por terem carga positiva, as partículas alfa sofrem desvios de trajetória devido à presença dos núcleos atômicos. (2) No ponto B da figura, a força entre a partícula e o núcleo é a menor possível, porque ela é proporcional à
distância que os separa. .
(3) Rutherford teria obtido os mesmos resultados se, em vez de partículas alfa, tivesse usado nêutrons.
(4) O experimento de Rutherford usando C? estanho, em vez de ouro, seria inconclusivo, em virtude da enorme variação de cargas entre os diversos isótopos do elemento estanho.
(5) O momento linear da partícula alfa incidente não varia.
3) Com base no modelo de Bohr e seus postulados, explique o que ocorre quando um elétron:
ganha energia;
retoma para uma órbita mais próxima do núcleo.
4) Transforme em notação científica:
raio da Terra = 6 380 000 m
raio de Bohr = 0,000 000 000 0529 m
velocidade da luz no vácuo = 300 000 000 m.s-1
distância da Terra ao Sol = 150000000000 m
número de Avogadro = 0,000 000 000 000 0000000000602
5) (UFRGS) Dentre as afirmações apresentadas, qual é correta?
A energia de um elétron ligado ao átomo não pode assumir um valor qualquer.
A carga do elétron depende da órbita em que ele se encontra.
As órbitas ocupadas pelos elétrons são as mesmas em todos os átomos.
O núcleo de um átomo é composto de prótons, nêutrons e elétrons.
Em todos os átomos o número de elétrons é igual à soma dos pró tons e dos nêutrons
6) (UFRGS) Considerando as seguintes afirmações sobre a estrutura nuclear do átomo. I - O núcleo de um átomo qualquer tem sempre carga elétrica positiva.
li - A massa do núcleo de um átomo é aproximadamente igual à metade da massa de todo o átomo.
III - Na desintegração de um núcleo radioativo, ele altera sua estrutura para alcançar uma configuração mais estável.
Quais estão corretas?
Bloco II 55
7) (UFMG 99) No modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, a energia do átomo:
a) pode ter qualquer valor. b) tem um único valor fixo.
c) independe da órbita do elétron. d) tem alguns valores·possíveis.
8) (PUC MG 98) Analise as afirmações a seguir a escolha a opção correta. O modelo planetário de Rutherford foi aceito apenas parcialmente porque:
1- os elétrons deveriam perder energia orbitando em torno dos prótons.
II- os elétrons não têm massa suficiente para orbitarem emtorno dos prótons. III- os elétrons colidiriam entre si ao orbitarem em torno dos prótons.
se apenas as afirmativas I e II forem falsas.
se apenas as afrrmativas II e III forem falsas.
se apenas.as afrrmativas I e III forem falsas.
se todas forem verdadeiras.
se todas forem falsas.
