Evolução dos Modelos Atômicos: Da Antiguidade à Quântica

Modelo atômico (português europeu) ou modelo atómico (português brasileiro) é o modelo que se usa para representar o átomo. Atualmente, o modelo aceito para definir a estrutura atômica é o da mecânica quântica, também conhecido como mecânica ondulatória, modelo orbital ou da nuvem eletrônica.

Antiguidade e as Primeiras Ideias Atômicas

Na antiguidade, acreditava-se que, dividindo a matéria em pedaços cada vez menores, chegar-se-ia a um ponto em que partículas, cada vez menores, seriam invisíveis ao olho humano e, segundo alguns pensadores, indivisíveis. Graças a essa propriedade, receberam o nome de átomos, termo que significa “indivisíveis” em grego. Foi quando surgiu entre os filósofos gregos o termo atomismo.

Parmênides propôs a teoria da unidade e imutabilidade do ser, que estava em constante mutação através dos postulados de Heráclito. O atomismo foi a teoria cujas intuições mais se aproximaram das modernas concepções científicas sobre o modelo atômico.

No século V a.C., Leucipo de Mileto, juntamente com seu discípulo Demócrito de Abdera (400 a.C.), considerado o pai do atomismo grego, discorreram sobre a natureza da matéria de forma elegante e precisa. Demócrito propôs que a realidade, o todo, se compõe não só de átomos ou partículas indivisíveis de natureza idêntica, conforme proposto por Parmênides. Demócrito acreditava que o vácuo era um não-ente. Esta tese entrou em franca contradição com a ontologia parmenídea.

Heráclito postulava que o não-ente (vácuo) e a matéria (ente) desde a eternidade interagem entre si, dando origem ao movimento. Ele postulava que os átomos apresentavam as propriedades de:

• Forma;
• Movimento;
• Tamanho;
• Impenetrabilidade.

E, por meio de choques entre si, davam origem a objetos. Segundo Demócrito, a matéria era descontínua; portanto, ao contrário dos corpos macroscópicos, os corpos microscópicos, ou átomos, não se interpenetravam nem se dividiam, sendo suas mudanças observadas em certos fenômenos físicos e químicos como associações de átomos e suas dissociações. Ele acreditava que qualquer matéria seria resultado da combinação de átomos dos quatro elementos:

• Ar;
• Fogo;
• Água;
• Terra.

Aristóteles, ao contrário de Demócrito, postulou a continuidade da matéria, ou seja, que ela não era constituída por partículas indivisíveis. Em 60 a.C., Lucrécio compôs o poema De Rerum Natura, que discorria sobre o atomismo de Demócrito. Os filósofos, porém, adotaram o modelo atômico de Aristóteles, da matéria contínua, que foi seguido pelos pensadores e cientistas até o século XVI d.C.

John Dalton e o Primeiro Modelo Atômico Moderno

O professor da universidade inglesa New College de Manchester, John Dalton, foi o criador da primeira teoria atômica moderna na passagem do século XVIII para o século XIX. Em 1803, Dalton publicou o trabalho Absorption of Gases by Water and Other Liquids (Absorção de gases pela água e outros líquidos), no qual delineou os princípios de seu modelo atômico.

Segundo Dalton:

• Átomos de elementos diferentes possuem propriedades diferentes entre si;
• Átomos de um mesmo elemento possuem propriedades iguais e peso invariável;
• O átomo é a menor porção da matéria, e são esferas maciças e indivisíveis;
• Nas reações químicas, os átomos permanecem inalterados;
• Na formação dos compostos, os átomos entram em proporções numéricas fixas (1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 2:5 etc.);
• O peso total de um composto é igual à soma dos pesos dos átomos dos elementos que o constituem.

Em 1808, Dalton propôs a teoria do modelo atômico, onde o átomo é uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível, indivisível e sem carga. Todos os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos. Seu modelo atômico foi chamado de modelo atômico da bola de bilhar.

Em 1810, foi publicada a obra New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), e nesse trabalho havia testes que provavam suas observações, como a Lei de Dalton (lei das pressões parciais), entre outras relativas à constituição da matéria.

• Os átomos são indivisíveis e indestrutíveis;
• Existe um número pequeno de elementos químicos diferentes na natureza;
• Reunindo átomos iguais ou diferentes nas variadas proporções, podemos formar todas as matérias do universo conhecidas (como os diamantes).

Para Dalton, o átomo era uma partícula discreta e indivisível. Apesar de um modelo simples, Dalton deu um grande passo na elaboração de um modelo atômico, pois foi o que instigou a busca por algumas respostas e a proposição de futuros modelos.

Joseph John Thomson e a Descoberta do Elétron

Em 1897, Joseph John Thomson formulou a teoria segundo a qual a matéria, independente de suas propriedades, contém partículas de massa muito menores que o átomo do hidrogênio. Inicialmente denominou-as de corpúsculos, posteriormente conhecidas como elétrons.

A demonstração se deu ao comprovar a existência daqueles corpúsculos nos raios catódicos disparados na ampola de Crookes (um tubo que continha vácuo), depois da passagem da corrente elétrica. Através de suas experiências, Thomson concluiu que a matéria era formada por um modelo atômico diferente do modelo atômico de Dalton: uma esfera de carga positiva continha corpúsculos (elétrons) de carga negativa distribuídos uniformemente. Tal modelo ficou conhecido como pudim de passas.

Ernest Rutherford e o Modelo Planetário

As bases para o desenvolvimento da física nuclear foram lançadas por Ernest Rutherford ao desenvolver sua teoria sobre a estrutura atômica. O cientista estudou por três anos o comportamento dos feixes de partículas ou raios X, além da emissão de radioatividade pelo elemento urânio.

Uma das inúmeras experiências realizadas foi a que demonstrava o espalhamento das partículas alfa. Esta foi a base experimental do modelo atômico do chamado átomo nucleado, no qual elétrons orbitavam em torno de um núcleo. Durante suas pesquisas, Rutherford observou que para cada 10.000 partículas alfa aceleradas incidindo numa lâmina de ouro, apenas uma refletia ou se desviava de sua trajetória. A conclusão foi que o raio de um átomo poderia ser em torno de 10.000 vezes maior que o raio de seu núcleo.

Rutherford e Frederick Soddy ainda descobriram a existência dos raios gama e estabeleceram as leis das transições radioativas das séries do tório, do actínio e do rádio. O modelo atômico de Rutherford ficou conhecido como modelo planetário, pela sua semelhança com a formação do Sistema Solar. Em 1911, Ernest Rutherford propôs o modelo de átomo com movimentos planetários. Este modelo foi estudado e aperfeiçoado por Niels Bohr, que acabou por demonstrar a natureza das partículas alfa como núcleos de hélio.

Niels Bohr e os Níveis de Energia

A teoria orbital de Rutherford encontrou uma dificuldade teórica resolvida por Niels Bohr. A teoria de Rutherford apresentava uma dificuldade: se uma carga elétrica negativa (elétrons) girasse ao redor de um núcleo de carga positiva, esse movimento geraria uma perda de energia devido à emissão constante de radiação. Consequentemente, os elétrons se aproximariam do núcleo em movimento espiral e colapsariam sobre ele.

Em 1911, Niels Bohr publicou uma tese que demonstrava o comportamento eletrônico dos metais. Na mesma época, foi trabalhar com Ernest Rutherford em Manchester, Inglaterra. Lá obteve os dados precisos do modelo atômico, que iriam lhe ajudar posteriormente.

Em 1913, observando as dificuldades do modelo de Rutherford, Bohr intensificou suas pesquisas visando uma solução teórica. Em 1916, Niels Bohr retornou para Copenhague para atuar como professor de física. Continuando suas pesquisas sobre o modelo atômico de Rutherford.

Em 1920, nomeado diretor do Instituto de Física Teórica, Bohr acabou desenvolvendo um modelo atômico que unificava a teoria atômica de Rutherford e a teoria da mecânica quântica de Max Planck. Sua teoria consistia em que, ao girar em torno de um núcleo central, os elétrons deveriam girar em órbitas específicas com níveis de energia específicos. Realizando estudos nos elementos químicos com mais de dois elétrons, concluiu que se tratava de uma organização bem definida em orbitais. Descobriu ainda que as propriedades químicas dos elementos eram determinadas pelo orbital mais externo.

Mecânica Quântica: Schrödinger, De Broglie e Heisenberg

Erwin Schrödinger, Louis Victor de Broglie e Werner Heisenberg, reunindo os conhecimentos de seus predecessores e contemporâneos, acabaram por desenvolver uma nova teoria do modelo atômico, além de postular uma nova visão, chamada de mecânica ondulatória.

Louis Victor Pierre Raymondi (sétimo duque de Broglie) propôs que todo corpúsculo atômico pode comportar-se de duas formas: como onda e como partícula. Fundamentada na hipótese proposta por Broglie, de que todo corpúsculo atômico pode comportar-se como onda e como partícula, Heisenberg, em 1925, postulou o princípio da incerteza.

A ideia de órbita eletrônica acabou por ficar desconexa, sendo substituída pelo conceito de probabilidade de se encontrar num instante qualquer um dado elétron numa determinada região do espaço. O átomo deixou de ser indivisível como acreditavam filósofos gregos antigos e Dalton. O modelo atômico, portanto, passou a se constituir, na verdade, de uma estrutura mais complexa.

O Modelo Atômico Atual: Mecânica Quântica

Sabe-se que os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e que se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico. O núcleo atômico é situado no centro do átomo e constituído por prótons, que são partículas de carga elétrica positiva, cuja massa é aproximadamente 1.837 vezes superior à massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons.

O átomo é eletricamente neutro, por possuir números iguais de elétrons e prótons. O número de prótons no átomo se chama número atômico; este valor é utilizado para estabelecer o lugar de um determinado elemento na tabela periódica.

A tabela periódica é uma ordenação sistemática dos elementos químicos conhecidos. Cada elemento se caracteriza por possuir um número de elétrons que se distribuem nos diferentes níveis de energia do átomo correspondente. Os níveis energéticos ou camadas são denominados pelos símbolos K, L, M, N, O, P e Q. Cada camada possui uma quantidade máxima de elétrons:

• A camada mais próxima do núcleo (K) comporta somente dois elétrons;
• A camada L, imediatamente posterior, oito;
• M, dezoito;
• N, trinta e dois;
• O, trinta e dois;
• P, dezoito;
• Q, oito.

Os elétrons da última camada (mais afastados do núcleo) são responsáveis pelo comportamento químico do elemento, por isso são denominados elétrons de valência. O número de massa é equivalente à soma do número de prótons e nêutrons presentes no núcleo.

O átomo pode perder elétrons, carregando-se positivamente, e é chamado de íon positivo (cátion). Ao receber elétrons, o átomo se torna negativo, sendo chamado íon negativo (ânion). O deslocamento dos elétrons provoca uma corrente elétrica, que dá origem a todos os fenômenos relacionados à eletricidade e ao magnetismo.

No núcleo do átomo existem duas forças de interação: a chamada interação nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo, e a interação nuclear fraca, também conhecidas como força forte e força fraca, respectivamente. As forças de interação nuclear são responsáveis pelo comportamento do átomo quase em sua totalidade.

As propriedades físico-químicas de um determinado elemento são predominantemente dadas pela sua configuração eletrônica, principalmente pela estrutura da última camada, ou camada de valência. As propriedades que são atribuídas aos elementos na tabela se repetem ciclicamente, por isso se denominou como tabela periódica dos elementos.

Definições importantes:

• Os isótopos são átomos de um mesmo elemento com o mesmo número de prótons (podem ter quantidade diferente de nêutrons).
• Os isótonos são átomos que possuem o mesmo número de nêutrons.
• Os isóbaros são átomos que possuem o mesmo número de massa.

Através da radioatividade, alguns átomos atuam como emissores de radiação nuclear, e esta constitui a base do uso da energia atômica.