Juliana Cerqueira de Paiva. Modelos Atômicos Aula 2

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2 2 Modelo Atômico de Thomson Joseph John Thomson ( ) Por volta de 1897, realizou experimentos estudando descargas elétricas em tubos semelhantes a tubos de luzes fluorescentes, chamado de tubo de raios catódicos (o mesmo usado em monitores e televisões antigamente), dentro dos quais, havia gases rarefeitos (em baixa pressão). No século XIX, inúmeros físicos cientistas desenvolveram experiências sobre a condução de eletricidade através dos gases. Tais experiências eram realizadas na maioria das vezes com tubos de vidro, nos quais eram aplicadas duas placas metálicas denominadas de ânodo e cátodo, uma em cada extremidade, sobre elas se aplicava altas voltagens.

3 3 Durante a execução dos experimentos, os cientistas perceberam um fato inesperado: a corrente elétrica era indicada no amperímetro mesmo quando se alcançava alto nível de vácuo. Querendo descobrir a que se devia esse fenômeno, no ano de 1875, o físico e químico W. Crookes construiu um tubo curvo, produziu vácuo em seu interior e aplicou altas voltagens em suas extremidades, onde se localizava as placas metálicas. Ao fazer isso ele percebeu que uma determinada região do tubo apresentava uma luminescência esverdeada. Ele então suspeitou que essa luminescência era causada por algum tipo de radiação que o cátodo emitia. Essas radiações foram denominadas de raios catódicos, no entanto, Crookes não conseguiu determinar a natureza das mesmas. Durante muitos anos não aconteceram novas descobertas sobre os raios catódicos, nem tão pouco havia sido descoberta a natureza desses raios. No ano de 1897 J. J. Thomson realizou novas experiências que o levaram a concluir que os raios catódicos eram formados por partículas que possuem carga negativa. Tempos mais tarde, Thomson provou que esses raios eram desviados mediante a aplicação de campo elétrico. Assim, essas partículas foram denominadas de elétrons. Após descobrir a natureza dos raios catódicos, Thomson procurou determinar algumas propriedades das partículas que constituem o raio como, por exemplo, o valor da carga e a massa destas partículas. Mas não foi possível obter experimentalmente o valor dessas grandezas, o que ele conseguiu foi medir a razão entre a carga e a massa do elétron.

4 4 Em um tubo fechado a vácuo, contendo um gás rarefeito (submetido a baixas pressões), foram postos dois eletrodos com polos contrários (positivo e negativo) e estabelecendo entre eles uma diferença de potencial elétrico fornecido por uma fonte externa. Ao aplicar uma descarga elétrica, percebeu-se um feixe de luz ligando um polo ao outro. Experimentos realizados colocando um obstáculo material dentro do tubo e entre os polos, após a mesma descarga elétrica, viu-se a formação de uma sombra em direção ao polo positivo. Os cientistas atribuíram essa mancha aos raios provenientes do polo negativo, denominado cátodo. Então foram denominados raios catódicos, que nada mais são do que feixes de elétrons que atravessam o tubo atraídos pelo polo positivo, que é chamado de ânodo.

5 5 Após tal teste, Thomson sugeriu que os elétrons estariam mergulhados em uma massa homogênea, como ameixas em um pudim (Plum Pudding). O modelo de Thomson era conhecido como "modelo do pudim de passas" ou "Pudim de ameixas". O modelo tinha como hipótese a existência de configurações estáveis para os elétrons ao redor das quais estes oscilariam. Contudo, segundo a teoria eletromagnética clássica, não pode existir qualquer configuração estável num sistema de partículas carregadas se a única interação entre elas é de caráter eletromagnético.

6 Além disso, como qualquer partícula com carga elétrica em movimento acelerado emite radiação eletromagnética, o modelo tinha como outra hipótese que os modos normais das oscilações dos elétrons deveriam ter as mesmas frequências que aquelas que se observavam associadas às raias dos espectros atômicos. Mas não foi encontrada qualquer configuração para os elétrons de qualquer átomo cujos modos normais tivessem qualquer uma das frequências esperadas. De qualquer modo, o modelo de Thomson foi abandonado principalmente devido aos resultados do experimento de Rutherford. 6

7 As experiências de Thomson podem ser consideradas o início do entendimento da estrutura atômica. Suas experiências com o tubo de raios catódicos permitiu concluir irrefutavelmente a existência dos elétrons. Os corpos são eletricamente neutros, com a descoberta dos elétrons de cargas negativa, concluiu-se pela existência dos prótons. Isso dava um modelo de átomo constituído por uma esfera maciça, de carga elétrica positiva, que continha elétrons nela dispersas, esse modelo ficou conhecido como Pudim de Passas. Segundo Thomson, o número de elétrons que contem o átomo deve ser suficiente para anular a carga positiva da massa. Se um átomo perdesse um elétron, carregaria positivamente, pois teria uma carga positiva a mais em sua estrutura com relação ao número de elétrons, transformando-se em íons. A massa de elétrons é muito menor que a de átomos, desse jeito a massa do átomo seria praticamente igual à massa dos átomos sem carga, os neutros. 7

8 8 Experimento de Geiger-Marsden O experimento de Geiger Marsden, também conhecido como experimento da folha de ouro ou experimento de Rutherford, foi uma experiência científica realizada por Hans Geiger e Ernest Marsden em 1909 com o objetivo de investigar a estrutura do átomo. O experimento foi realizado sob a supervisão de Ernest Rutherford nos laboratórios de Física da Universidade de Manchester, no Reino Unido. Os resultados do experimento demonstraram pela primeira vez a existência do núcleo atômico, o que não era consistente com o modelo atômico de Thomson, proposto em 1904 por Joseph John Thomson.

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10 10 Modelo Atômico de Rutherford O modelo atômico de Rutherford (também conhecido como modelo planetário do átomo), é um modelo atômico concebido pelo cientista Ernest Rutherford. Para montar sua teoria, Rutherford analisou resultados de seu experimento que ficou conhecido como "experiência de Rutherford". Nesta experiência, utilizando uma fonte radioativa para emitir partículas alfas, um contador Geiger, e uma fina folha de ouro, ele mediu o numero de partículas alfa que atravessaram esta folha. Porém, ele percebeu que embora muitas das partículas atravessam a folha (como já era previsto pelo modelo atômico em rigor naquela época), um número muito pequeno de partículas alfa eram refletidas ou sofriam desvio por esta folha. Com base nisto, Ernest Rutherford montou a sua teoria.

11 Em 1911, Rutherford apresentou a sua teoria para o seu modelo atômico, afirmou que o modelo vigente até então, também conhecido como "pudim de passas", que foi feito por J. J. Thomson, estava incorreto. Rutherford afirmou com seu experimento, que o átomo não era apenas uma esfera maciça de carga elétrica positiva incrustada com elétrons. Segundo Rutherford, o átomo teria na verdade um núcleo de carga elétrica positiva de tamanho muito pequeno em relação ao seu tamanho total, sendo que este núcleo, que conteria praticamente toda a massa do átomo, estaria sendo rodeado por elétrons de carga elétrica negativa, os quais descreveriam órbitas helicoidais em altas velocidades. 11

12 12 Falha no modelo de Rutherford A falha do modelo de Rutherford é mostrada pela teoria do eletromagnetismo, de que toda partícula com carga elétrica submetida a uma aceleração origina a emissão de uma onda eletromagnética. O elétron em seu movimento orbital está submetido a uma aceleração centrípeta e, portanto, emitirá energia na forma de onda eletromagnética. Essa emissão, pelo Princípio da conservação da energia, faria com que o elétron perdesse energia cinética e potencial, caindo progressivamente sobre o núcleo, fato que não ocorre na prática. A falha foi corrigida pelo modelo atômico de Bohr, de seu aluno e colega de trabalho Niels Bohr, que dizia que considerava a ideia de um modelo atômico planetário bonita demais para estar errada. Assim, com o auxílio das descrições quânticas da radiação eletromagnética propostas por Albert Einstein e Max Planck, conseguiu completar a teoria de Rutherford, ficando assim conhecida como modelo atômico-molecular de Rutherford-Bohr.

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