O início do século XX foi um período muito auspicioso para as ciências. Além de Ernest Rutherford e Niels Bohr darem à luz o Modelo Padrão da física de partículas, também foi um período de avanços no campo da mecânica quântica. Graças aos estudos em andamento sobre o comportamento dos elétrons, os cientistas começaram a propor teorias segundo as quais essas partículas elementares se comportavam de maneira a desafiar a física newtoniana clássica.
Um exemplo é o modelo de nuvens de elétrons proposto por Erwin Schrodinger. Graças a esse modelo, os elétrons não eram mais representados como partículas se movendo em torno de um núcleo central em uma órbita fixa. Em vez disso, Schrodinger propôs um modelo pelo qual os cientistas só podiam fazer suposições educadas sobre as posições dos elétrons. Portanto, suas localizações só poderiam ser descritas como parte de uma 'nuvem' ao redor do núcleo onde é provável que os elétrons sejam encontrados.
Física atômica até o século XX:
Os primeiros exemplos conhecidos da teoria atômica vêm da Grécia antiga e da Índia, onde filósofos como Demócrito postularam que toda a matéria era composta de unidades minúsculas, indivisíveis e indestrutíveis. O termo "átomo" foi cunhado na Grécia antiga e deu origem à escola de pensamento conhecida como "atomismo". No entanto, essa teoria era mais um conceito filosófico do que científico.
Não foi até o século XIX que a teoria dos átomos se articulou como uma questão científica, com os primeiros experimentos baseados em evidências sendo conduzidos. Por exemplo, no início dos anos 1800, o cientista inglês John Dalton usou o conceito de átomo para explicar por que elementos químicos reagiram de certas maneiras observáveis e previsíveis. Por meio de uma série de experimentos envolvendo gases, Dalton desenvolveu o que é conhecido como Teoria Atômica de Dalton.
Essa teoria expandiu as leis da conversação de massa e proporções definidas e chegou a cinco premissas: elementos, em seu estado mais puro, consistem em partículas chamadas átomos; os átomos de um elemento específico são todos iguais, até o último átomo; átomos de diferentes elementos podem ser diferenciados por seus pesos atômicos; átomos de elementos se unem para formar compostos químicos; átomos não podem ser criados ou destruídos em reação química, apenas o agrupamento muda.
Descoberta do elétron:
No final do século 19, os cientistas também começaram a teorizar que o átomo era constituído por mais de uma unidade fundamental. No entanto, a maioria dos cientistas aventurou-se que essa unidade seria do tamanho do menor átomo conhecido - o hidrogênio. No final do século 19, o dele mudaria drasticamente, graças a pesquisas realizadas por cientistas como Sir Joseph John Thomson.
Através de uma série de experiências usando tubos de raios catódicos (conhecido como tubo de Crookes), Thomson observou que os raios catódicos podiam ser desviados por campos elétricos e magnéticos. Ele concluiu que, em vez de serem compostas de luz, elas eram compostas de partículas carregadas negativamente que eram 10 vezes menores e 1800 vezes mais leves que o hidrogênio.
Isso efetivamente refutou a noção de que o átomo de hidrogênio era a menor unidade de matéria, e Thompson foi além, sugerindo que os átomos eram divisíveis. Para explicar a carga geral do átomo, que consistia em cargas positivas e negativas, Thompson propôs um modelo pelo qual os "corpúsculos" carregados negativamente eram distribuídos em um mar uniforme de carga positiva - conhecido como Modelo do Pudim de Ameixa.
Esses corpúsculos seriam mais tarde chamados de "elétrons", com base na partícula teórica prevista pelo físico anglo-irlandês George Johnstone Stoney em 1874. E a partir disso, nasceu o Modelo do Pudim de Ameixa, assim chamado por se assemelhar ao deserto inglês que consiste em bolo de ameixa e passas. O conceito foi apresentado ao mundo na edição de março de 1904 da revista britânica Revista Filosófica, a grande aclamação.
Desenvolvimento do modelo padrão:
Experimentos subsequentes revelaram vários problemas científicos com o modelo Pudim de Ameixa. Para iniciantes, havia o problema de demonstrar que o átomo possuía uma carga positiva uniforme uniforme, que passou a ser conhecida como "Problema de Thomson". Cinco anos depois, o modelo seria refutado por Hans Geiger e Ernest Marsden, que conduziram uma série de experimentos usando partículas alfa e papel alumínio - também conhecido como. o "experimento da folha de ouro".
Neste experimento, Geiger e Marsden mediram o padrão de dispersão das partículas alfa com uma tela fluorescente. Se o modelo de Thomson estivesse correto, as partículas alfa passariam pela estrutura atômica da folha sem impedimentos. No entanto, eles observaram que, enquanto a maioria disparava direto, alguns deles estavam espalhados em várias direções, com alguns voltando na direção da fonte.
Geiger e Marsden concluíram que as partículas encontraram uma força eletrostática muito maior do que a permitida pelo modelo de Thomson. Como as partículas alfa são apenas núcleos de hélio (com carga positiva), isso implicava que a carga positiva no átomo não estava amplamente dispersa, mas concentrada em um pequeno volume. Além disso, o fato de que aquelas partículas que não foram desviadas passavam sem impedimentos significava que esses espaços positivos eram separados por vastos abismos de espaço vazio.
Em 1911, o físico Ernest Rutherford interpretou os experimentos de Geiger-Marsden e rejeitou o modelo do átomo de Thomson. Em vez disso, ele propôs um modelo em que o átomo consistia principalmente de espaço vazio, com toda a sua carga positiva concentrada em seu centro em um volume muito pequeno, cercado por uma nuvem de elétrons. Isso veio a ser conhecido como o Modelo Rutherford do átomo.
Experimentos subsequentes de Antonius Van den Broek e Niels Bohr refinaram ainda mais o modelo. Enquanto Van den Broek sugeriu que o número atômico de um elemento é muito semelhante à sua carga nuclear, este último propôs um modelo do átomo do tipo Sistema Solar, em que um núcleo contém o número atômico de carga positiva e é cercado por um número igual. número de elétrons nas conchas orbitais (também conhecido como Modelo de Bohr).
O Modelo de Nuvem Eletrônica:
Durante a década de 1920, o físico austríaco Erwin Schrodinger ficou fascinado pelas teorias Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Arnold Sommerfeld e outros físicos. Durante esse período, ele também se envolveu nos campos da teoria e espectros atômicos, pesquisando na Universidade de Zurique e depois na Universidade Friedrich Wilhelm, em Berlim (onde sucedeu Planck em 1927).
Em 1926, Schrödinger abordou a questão das funções das ondas e elétrons em uma série de artigos. Além de descrever o que viria a ser conhecido como a equação de Schrodinger - uma equação diferencial parcial que descreve como o estado quântico de um sistema quântico muda com o tempo - ele também usou equações matemáticas para descrever a probabilidade de encontrar um elétron em uma determinada posição .
Isso se tornou a base do que viria a ser conhecido como Modelo da Nuvem de Elétrons (ou mecânica quântica), bem como a equação de Schrodinger. Baseado na teoria quântica, que afirma que toda a matéria tem propriedades associadas a uma função de onda, o Modelo de Nuvem de Elétrons difere do Modelo de Bohr, pois não define o caminho exato de um elétron.
Em vez disso, ele prevê a posição provável da localização do elétron com base em uma função de probabilidades. A função de probabilidade descreve basicamente uma região semelhante a uma nuvem onde é provável que o elétron seja encontrado, daí o nome. Onde a nuvem é mais densa, a probabilidade de encontrar o elétron é maior; e onde é menos provável que o elétron esteja, a nuvem é menos densa.
Essas regiões densas são conhecidas como "orbitais de elétrons", pois são o local mais provável em que um elétron em órbita será encontrado. Estendendo esse modelo de "nuvem" para um espaço tridimensional, vemos um átomo em forma de barra ou flor (como na imagem na parte superior). Aqui, as regiões que se ramificam são as que mais provavelmente encontrarão os elétrons.
Graças ao trabalho de Schrodinger, os cientistas começaram a entender que, no campo da mecânica quântica, era impossível saber a posição exata e o momento de um elétron ao mesmo tempo. Independentemente do que o observador saiba inicialmente sobre uma partícula, ele só pode prever sua localização ou momento sucessivos em termos de probabilidades.
Em nenhum momento eles serão capazes de determinar qualquer um deles. De fato, quanto mais eles souberem sobre o momento de uma partícula, menos saberão sobre sua localização e vice-versa. É o que é conhecido hoje como o "Princípio da Incerteza".
Observe que os orbitais mencionados no parágrafo anterior são formados por um átomo de hidrogênio (ou seja, com apenas um elétron). Ao lidar com átomos que têm mais elétrons, as regiões orbitais dos elétrons se espalham uniformemente em uma bola esférica difusa. É aqui que o termo 'nuvem de elétrons' é mais apropriado.
Essa contribuição foi universalmente reconhecida como sendo uma das contribuições importantes em termos de custos do século XX e que desencadeou uma revolução nos campos da física, mecânica quântica e de fato todas as ciências. A partir de então, os cientistas não estavam mais trabalhando em um universo caracterizado por absolutos de tempo e espaço, mas em incertezas quânticas e relatividade tempo-espaço!
Escrevemos muitos artigos interessantes sobre átomos e modelos atômicos aqui na Space Magazine. Aqui está o que é o modelo atômico de John Dalton ?, o que é o modelo atômico de pudim de ameixa ?, o que é o modelo atômico de Bohr ?, quem era Demócrito? E quais são as partes de um átomo?
Para obter mais informações, verifique o que é mecânica quântica? da Live Science.
Astronomy Cast também tem episódio sobre o tema, como Episódio 130: Radio Astronomia, Episódio 138: Mecânica Quântica e Episódio 252: Princípio da Incerteza de Heisenberg
