PIBID QUÍMICA UFOP E.E. CÔNEGO BRAGA. Planejamento de aulas sobre modelos atômicos

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1 PIBID QUÍMICA UFOP E.E. CÔNEGO BRAGA Planejamento de aulas sobre modelos atômicos Proposta: Como muitos alunos têm uma visão estereotipada da Ciência e do cientista, abordaremos os modelos atômicos em uma perspectiva histórica de modo a evidenciar características da Ciência que possam desmistificar algumas visões dos alunos. Por exemplo, muitos estudantes acreditam que a Ciência ocorre de maneira linear, sem erros e imprevistos. Esta visão também acontece com os modelos atômicos. Os alunos acreditam que estes modelos seguem uma ordem cronológica, que as ideias surgem em um único momento da história e que os cientistas que elaboraram os modelos tinham sempre a intenção de refutar um modelo já existente. Neste sentido, com o auxílio da história da Química, mais especificamente a História da evolução dos modelos atômicos, buscaremos esclarecer para os alunos aspectos importantes da Ciência, como o caráter não linear da mesma e a importante relação evidencia-modelo, ressaltando que as evidências devem ser capazes de sustentar o modelo para que ele seja aceito. Aula 1 A ideia da constituição da matéria antes do modelo de Dalton Objetivo: Esta aula tem como objetivo fazer os alunos tomarem conhecimento das ideias dos gregos sobre constituição da matéria de modo que percebam que há muito tempo já havia se pensado em átomos, salientando o caráter não linear da Ciência, bem como ressaltar o papel relevante das evidências para a aceitação de um modelo, uma vez que nesta época as evidências para o modelo atomístico da matéria não suportavam este modelo. Por outro lado, a teoria dos quatro elementos apresentava fortes evidências que eram capazes de suportar este modelo, e por isto ele prevaleceu por muito tempo. Desenvolvimento da aula: Parte 1: Os alunos irão se reunir em grupo para realizar a leitura do texto abaixo, e responder as questões que são referentes ao texto.

2 A constituição da matéria para os filósofos gregos O conhecimento da estrutura intima da matéria tem contribuído de forma significativa para o progresso tecnológico da humanidade. Como em muitos campos do conhecimento, que posteriormente viriam a se transformar nas diversas ciências (física, química, biologia, etc.), nas investigações que conduziriam ao entendimento da estrutura intima da matéria, os gregos tiveram precedência. Quando dizemos investigações, entenda-se o uso do raciocínio, e não a realização de experimentos, visto que naquela época o trabalho manual era associado à escravidão, sendo digno do homem livre apenas o trafego pelo mundo das ideias. Na busca de um elemento primordial a partir do qual toda a matéria visível seria derivada, muitas foram as proposições efetuadas. Os filósofos gregos Leucipo (480?-430? a.c. ), Demócrito ( 460?-370 a.c) e Epicuro ( 341?-270? a.c) tinham a ideia de que ao dividir a matéria inúmeras vezes, chegaríamos a uma partícula indivisível, que foi denominada átomo. Entre os átomos havia espaços vazios. No entanto, a concepção filosófica que prevaleceu até o século XVI foi proposta por Aristóteles ( a.c.). Para esse filósofo, a matéria seria contínua. Assim Aristóteles negava a existência de átomos e espaços vazios entre eles. Aristóteles admitiu que os quatro elementos fundamentais eram: frio, quente, úmido e seco. Esses princípios agrupados dois a dois produziriam, por sua vez, os quatro elementos de Empédocles. Assim: seco+frio = terra; seco+quente = fogo; úmido+ frio = água; e úmido +quente = ar. A ideia dos quatro elementos forneceu suporte para a ideia de transmutação, usada pelos alquimistas, onde acrescentando ou retirando determinados princípios de uma determinada substância, seriamos capazes de convertê-la em outra. Além disso, o modelo dos quatro elementos possuía coerência e poder explicativo, características essenciais de qualquer hipótese científica. Deste modo, as evidencias da época davam suporte a este modelo, o que não ocorria com o modelo de átomo. Por exemplo, ao queimarmos um pedaço de madeira, podemos observar o desprendimento de gotículas de água, a formação do fogo, e a liberação de substancias gasosas (na interpretação de Aristóteles o ar), restando ao final as cinzas (terra). Assim, os resultados experimentais encontravam -se em concordância, ou seja, podem ser explicados pelo modelo aristotélico. Nesse

3 Questionário: 1. O texto apresenta duas ideias dos filósofos gregos para explicar a constituição da matéria, uma associada ao filósofo Aristóteles, e a outra associada a Demócrito, Leucipo e Epicuro. Em sua opinião, qual destas ideias é mais próxima da concepção que a ciência moderna tem sobre a natureza íntima da matéria? Explique. 2. Por que a ideia de Aristóteles foi a mais aceita naquela época? 3. Em sua opinião, o que leva a aceitação de Modelos e Teorias na ciência? Explique. Parte 2: Discussão do texto e das respostas dos alunos Cada grupo será questionado sobre suas respostas a fim de promover uma discussão, salientando a importância das evidências para a aceitação de um modelo. A partir das respostas dos alunos também será possível discutir a não linearidade da Ciência, uma vez que uma ideia próxima da que temos atualmente já havia sido pensada há muito tempo atrás e, no entanto não foi aceita nesta época. Aula 2: Modelo de Dalton Objetivo: Compreender o modelo atômico de Dalton bem como as evidências para a elaboração deste modelo. Desenvolvimento da aula:

4 Parte 1: Leitura do texto sobre Dalton e seu modelo atômico Os alunos devem ler o texto abaixo que contará brevemente sobre a vida de Dalton e sobre seu modelo atômico. E em seguida, responder a questão ao final do texto. O modelo atômico de Dalton John Dalton ( ) nasceu em Eaglesfild, Inglaterra, filho de um tecelão e de uma pequena proprietária de terras. Seus pais eram quakers (os quakers acreditam que as pessoas tem a capacidade de sentir a presença de Deus sem nenhum intermediário). Para eles, todos os indivíduos são dotados de uma Luz Interior, que é o Espírito Santo. Ao se converter, o sujeito aceita essa voz. Eles acreditam que a Bíblia seja o testemunho da Palavra de Cristo. Por serem simples, não aprovam gastos supérfluos, títulos de honra, diferenças entre classes sociais e vestes caras. Além disso, prezam por uma sociedade igualitária, sem discriminação (entre sexos ou cor de pele), assim como John o seria pelo resto de sua vida. Tendo ensinado numa escola para jovens a partir de 1778, John passou a trabalhar na lavoura quando a escola fechou. Em 1793, John foi nomeado professor de matemática e filosofia natural no New College, em Manchester, cidade onde viveria pelo resto de sua vida. Aposentando-se em 1799, John conquistava o necessário para sua sobrevivência dando aulas particulares. Sua educação formal não chegou ao nível universitário, mas ele sempre demonstrou muita determinação e grande predileção por Matemática. Era daltônico (o distúrbio da vista que determina a incapacidade de perceber certas cores, especialmente o vermelho, foi batizada de daltonismo em sua homenagem.)

5 Estudando os gases da atmosfera, Dalton descobriu a Lei das Pressões Parciais. Esta lei diz que se dois gases denominados A e B estão em um mesmo recipiente, não há repulsão entre A e B (somente entre A e A e entre B e B). Esta Lei levou Dalton a propor um modelo atômico para o átomo. Pois, segundo ele a independência de um gás em relação a outro, seria devido aos diferentes tamanhos das partículas que os constituíam. Assim, em 1803 John Dalton retomou a hipótese atômica para explicar o comportamento dos diversos gases. Dalton acreditava que a matéria seria constituída por átomos indivisíveis e espaços vazios, assim como Leucipo, Demócrito e Epicuro acreditavam. Desta forma surgiram pela primeira vez os símbolos atômicos, fórmulas atômicas e pesos relativos do que ele ainda chamava de partículas últimas.

6 Figura 2 - Versão elaborada dos símbolos criados por Dalton para os elementos e seus compostos. Em 1803 Dalton já possuía as seguintes ideias: A matéria é constituída por partículas últimas ou átomos; Os átomos são indivisíveis e não podem ser criados nem destruídos (Princípio de Conservação da Matéria - Lavoisier); Todos os átomos de um mesmo elemento são idênticos e apresentam o mesmo peso; Átomos de elementos diferentes têm pesos diferentes; Os compostos são formados por um número fixo de átomos de seus elementos constituintes (Lei das Proporções Fixas -Proust); Se existir mais de um composto formado por dois elementos diferentes, os números dos átomos de cada elemento nos compostos guardam entre si uma razão de números inteiros (Lei das Proporções Múltiplas-Dalton)

7 O peso 1 do átomo de um elemento é constante em seus compostos - se a reagir com b para formar ab e c reagir com d para formar cd, então se ab reagir com cd os produtos serão ad e cb (Lei das Proporções Recíprocas - Richter). A primeira comunicação oral de Dalton a respeito de sua teoria foi lida por ele na Sociedade Literária e Filosófica de Manchester em 21 de outubro de Sua publicação deveu-se inicialmente a seu amigo Thomas Thomson ( ) que, após ouvi-la do autor em 1804, decidiu apresentá-la, com o devido crédito, em seu livro System of Chemistry, publicado em Figura 3 - Modelo original do átomo de John Dalton. Questões: 1. Quais as principais características do modelo atômico de Dalton? 2. Como discutimos, anteriormente à proposição do modelo atômico de Dalton, alguns filósofos gregos já haviam pensado no átomo para explicar a natureza da íntima da matéria. Em sua opinião, por que uma ideia que não tinha sido aceita anteriormente (como a teoria dos filósofos gregos) pode ser retomada e aceita (como o modelo atômico de Dalton)? Explique.

8 Parte 2: Discussão Haverá uma discussão sobre este modelo atômico, e deverá ser retomado o fato de que a ideia de átomos vem da Grécia antiga, e que agora as evidências suportavam o modelo de átomos, o que não ocorreu anteriormente. Apontando também a não linearidade da Ciência. Aula 3: Existência de cargas na matéria e o Modelo atômico de Thomson Objetivos: Esta aula tem como objetivo realizar um experimento para que os alunos cheguem à conclusão que existem cargas na matéria. Isto servirá para mostrar a limitação do modelo de Dalton. Os alunos também irão elaborar um modelo que seja suportado pelas evidências que eles tiveram contato durante o experimento. Outro objetivo é que eles entendam o modelo de Thomson, e as evidências que levaram a elaboração do modelo. Parte 1: Atividade Experimental Os alunos realizarão uma atividade experimental para chegarem à ideia de cargas na matéria, a atividade será realizada em grupo. Os alunos vão recortar uma folha de papel em pedaços pequenos e aproximarão uma régua dos mesmos. Observar e anotar o que aconteceu. A régua deverá ser atritada com um papel toalha e novamente aproximada dos pedaços de papel. Observar e anotar o que aconteceu. Em seguida os alunos devem amarrar um canudinho a uma linha, e pendura-la em um suporte, para que o canudinho possa girar livremente. O canudinho deverá ser atritado com o papel toalha. Posteriormente um bastão de vidro também deve sofrer atrito com o papel toalha. Em seguida, os alunos irão aproximar o bastão do canudinho que também foi atritado. Observar e anotar o que aconteceu. Repetir este experimento usando um pente limpo que tenha acabado de passar no cabelo.

9 Parte 2: Os alunos responderão as questões abaixo a fim de chegar a ideia da existência de cargas na matéria. Posteriormente eles devem construir um modelo que represente o que vivenciaram. É importante ressaltar que, para a construção do modelo esperamos que o aluno se preocupe em propor um modelo que seja coerente com as evidencias experimentais, e não com o modelo mais atual de átomos. 1. Em quais experimentos vocês constataram a atração entre os materiais? 2. Em quais experimentos vocês constataram a repulsão entre os materiais? 3. O que foi necessário para que ocorresse a atração ou repulsão entre os materiais? Por que isto foi necessário? 4. Como você explica a atração ou repulsão entre os materiais? 5. Desenhe, no nível submicroscópico, o que aconteceu com os materiais quando: a) O canudinho e o bastão de vidro não tinham sido atritados. b) O canudinho e o bastão de vidro foram atritados. c) O canudinho e o pente foram atritados. 6. O modelo atômico de Dalton pode ser usado para explicar estes resultados? Justifique. 7. Proponha um modelo para o átomo que seja coerente com os resultados da atividade realizada. Parte 3: Discussão sobre a atividade a fim de chegar a um consenso sobre a existência das cargas. A discussão será conduzida com base nas respostas dadas na atividade experimental. Parte 4: Texto sobre Thomson Os alunos realizarão a leitura do texto abaixo sobre Thomson e as principais evidências que levaram a elaboração do modelo. O modelo atômico de Thomson Na atividade experimental realizada anteriormente, vocês observaram a natureza elétrica da matéria. Isto permite a construção de um modelo para o átomo como uma partícula constituída por cargas positivas e negativas.

10 Ao longo do século XIX muitos cientistas se ocuparam de investigar a eletricidade e emissão de luz pela matéria em determinadas condições. O interesse por descargas elétricas em tubos com ar à baixa pressão remonta aos experimentos de Faraday ( ), em Essas descargas foram chamadas por E. Goldtein ( ), em 1876, de raios catódicos. Assim, os tubos de raios catódicos, conhecidos como ampola de Crookes, começaram a fazer parte da paisagem dos laboratórios científicos da época. Figura 1. Ampola de Crookes Estes raios eram obtidos no catodo de um tubo com ar à baixa pressão, atingiam a parede do tubo no lado oposto, produzindo incandescência, viajavam em linha reta e eram desviados por um imã. Em 1895, Jean Perrin ( ) demonstrou que esses raios eram partículas com carga elétrica negativa. Em 1897, J. J. Thomson ( ) comprovou a natureza corpuscular dos raios catódicos. Joseph John Thomson nasceu em Cheetham Hill em 18 de dezembro de Thomson iniciou sua vida acadêmica com 14 anos em Manchester, no Owens College, onde ingressou para cursar engenharia. Em Owens ele desenvolveu um grande interesse pela física, bem como pelas leis de combinações químicas e pelas teorias atômicas da matéria, principalmente pelas ideias de John Dalton. No trabalho de Thomson sobre os raios catódicos, podemos destacar a diferença em relação aos trabalhos anteriores sobre o tema, pois primeiramente ele testou tubos contendo quatro diferentes gases e utilizou três metais diferentes na constituição dos eletrodos, chegando sempre aos mesmos valores para a relação entre a carga e a massa das partículas. Ele demonstrou que essas partículas eram as mesmas, independente da constituição dos gases que estivessem no tubo. Isto mostrava que os raios catódicos eram um componente universal de toda matéria. O nome elétron, que havia sido sugerido por G. J. Stoney ( ) em 1894 para designar os raios catódicos, acabou por ser adotado. Com a descoberta do elétron como partícula universal pertencente a todos os átomos, a lei de Dalton de que o átomo seria indivisível caiu por terra. Um dos primeiros a pensar num átomo constituído por elétrons e cargas positivas foi Lord

11 Kelvin ( ). Em 1903, J. J. Thomson recuperou o modelo proposto por Lord Kelvin, em que as partículas com carga negativa, denominadas elétrons, se encontravam incrustadas numa esfera de carga positiva. Uma analogia muito utilizada para representar o modelo atômico de Thomson é um bolo inglês, também conhecido como pudim de passas. Como o pudim de passas não faz parte de nossa realidade, preferimos aqui utilizar a imagem do panetone. Nessa analogia a massa do panetone corresponderia aquilo que Thomson chama de esfera contendo a carga positiva uniformemente distribuída. As passas seriam os elétrons incrustados nesta esfera. Figura 2 Nesta analogia a massa do panetone corresponde a esfera contendo a carga positiva uniformemente distribuída. As passas seriam os elétrons incrustados nesta esfera. Parte 5: Vídeo sobre ampola de Crookes e modelo atômico de Thomson Os alunos irão assistir a um vídeo que demonstra como a ampola de Crookes funciona, e como Thomson chegou à conclusão da existência dos elétrons a partir de experimentos com a mesma. Parte 6 : Questionário Os alunos se reunirão em grupos para responder as questões que posteriormente irão nortear uma discussão.

12 1. Aponte as principais características do modelo atômico de Thomson. 2. Com base nas informações dadas no texto e no vídeo, por que você acredita que os estudos que levaram ao modelo de Thomson foram conduzidos? Será que ele queria refutar o modelo de Dalton, ou ele tinha outros objetivos? Justifique sua resposta. Parte 7: Discussão Com base nas respostas dadas as questões anteriores será promovida uma discussão, a fim de esclarecer para os alunos o modelo de Thomson e mostrar que Thomson não tinha a intenção de refutar o modelo de Dalton. Mostrando assim o caráter não linear da Ciência e ressaltar o papel das evidências para a validação de modelos. Aula 4: Radioatividade e o Modelo atômico de Rutherford Objetivos: Fazer com que os alunos compreendam as principais características do modelo atômico de Rutherford, e o contexto que originou este modelo. Além disso, também é um objetivo da aula fazer com que os alunos entendam as principais evidencias que o levaram a propor o modelo. Outro objetivo se trata de trabalhar com os alunos algumas características da Ciência, tais como a colaboração entre cientistas, e também desmistificar a visão do cientista como do sexo masculino, uma vez que Marie Curie está envolvida no contexto histórico sobre a radioatividade. Parte 1: Texto sobre raio x e radioatividade Como Rutherford trabalhava no estudo da radioatividade quando propôs o modelo, apresentaremos inicialmente como os trabalhos sobre radioatividade eram conduzidos na época, de modo que os alunos compreendam o contexto que levou Rutherford a propor o modelo. A descoberta do Raio X e da radioatividade

13 Como discutido anteriormente, ao longo do século XIX muitos cientistas se preocuparam em estudar os fenômenos de emissão de luz e eletricidade e também os gases. Wilhelm Conrad Röntgen na noite de 8 de novembro de 1895, trabalhava com uma válvula com a qual estudava a condutividade de gases. A sala estava totalmente às escuras. A certa distância da válvula havia uma folha de papel, usada como tela, tratada com platinocianeto de bário. Röntgen viu, com espanto, a tela brilhar, emitindo luz. A válvula estava coberta por uma cartolina negra, e nenhuma luz ou raio catódico poderia ter vindo dela. Surpreso, fez várias investigações. Colocando diversos objetos entre a válvula e a tela, viu que todos pareciam transparentes. Não demorou a ter a surpresa maior: viu na tela os ossos de sua mão. Por não saber a origem destes raios, denominou-os de raios x. Físicos e estudiosos ligados à medicina começaram a investigar os novos raios, pois afinal, agora seria possível ver dentro do corpo humano sem ter que usar para isto um bisturi. Por fim, os trabalhos de Max von Laue e de Friedrich e Knipping esclareceram que os raios misteriosos eram resultado da colisão de raios catódicos (elétrons) contra os elétrons do cátodo. Figura 1 - Apenas um mês após Roentgen tirar a primeira radiografia, o professor Michael I. Pupin, da Universidade de Columbia, radiografou a mão de um caçador que sofrera um acidente com sua espingarda. As bolinhas negras representam cerca de 40 pedaços de chumbo que estavam ali alojadas. Entre os cientistas que se surpreenderam com as descobertas de Röntgen estava o matemático francês Henri Poincaré. Em 20 de janeiro de 1896, ele mostrava a seus colegas da Academia de Ciências da França as fotografias que Röntgen lhe enviara. Um deles, Henri Becquerel, perguntou-lhe de que parte da válvula emergiam os raios, e Poincaré respondeu que estes provavelmente eram emitidos da área da válvula oposta ao cátodo, a área em que o vidro se tornara fluorescente.

14 Figura 2 Antonie Henrie Becquerel Becquerel tinha interesse pela fosforescência e pela fluorescência, e a descoberta de Röntgen o levou a fazer observações para verificar se substâncias fosforescentes ou fluorescentes emitiam raios X. Em 24 de fevereiro de 1896, Becquerel cobriu uma chapa fotográfica com 2 papéis grossos e negros, e em cima do papel colocou um composto de urânio (substância fosforescente) e expos ao sol por várias horas. Quando revelou a chapa fotográfica, percebeu a silhueta da substância fosforescente. Ele então acreditou que os raios x fossem emitidos pelo composto de urânio. Alguns dias depois o tempo havia mudado em Paris, e tinha pouco sol. Becquerel então guardou as chapas fotográficas em uma gaveta, com o sal de urânio envolto em um papel em cima das chapas. Ao revelar as chapas, no 1º dia de março, ele teve uma surpresa ao perceber que mesmo ao abrigo da luminosidade a silhueta do sal de urânio apareceu com grande nitidez nas chapas, o que levou Becquerel a pensar que o fenômeno também ocorria no escuro. No entanto, dois anos depois, Pierre e Marie Curie pesquisavam o raio de Becquerel em outros elementos, descobrindo que o rádio e o polônio também emitiam estes raios. As descobertas posteriores mostraram que a origem destes raios não eram a mesma dos raios x, o que mostra um equívoco nas ideias de Becquerel. O termo radioatividade foi introduzido por Marie Curie, pelo fato de que o rádio apresenta uma radiação cerca de 900 vezes maior do que a do urânio, e devido a isto este termo passou a ser utilizado para denominar esta radiação. Marie era polonesa, e na impossibilidade de frequentar a Universidade de Varsóvia, por ser mulher,ela mudou-se para Paris em 1891, onde começou a estudar Ciências Físicas na Universidade de Sorbbone. Ela licenciou-se em 1893 em Ciências Físicas e um ano mais tarde em matemática. Em 1895, casou-se com Pierre Curie. Nesse mesmo ano, Pierre tornou-se doutor em Ciências Físicas. Em setembro de 1897 nasceu Irene, a primeira filha do casal e em dezembro desse mesmo ano Marie começou a trabalhar na sua tese sobre os raios de Becquerel. Em 10 de dezembro

15 de 1903, Pierre e Marie Curie, associados a Henri Becquerel, receberam o prêmio Nobel de Física pela descoberta da radioatividade. Marie se tornou a primeira mulher a receber este prêmio. Figura 3 Pierre e Marie Curie Questões: 1. O texto nos mostra que vários cientistas se envolveram nos estudos do raio x e da radioatividade. Em sua opinião, a colaboração entre os cientistas ajudou nestas descobertas? Explique. 2. Com base no texto acima, você acredita que mesmo tendo se equivocado com relação às radiações emitidas pelo urânio, Becquerel teve alguma contribuição para o conhecimento da radioatividade? Justifique. Parte 2: Discussão do texto Após os alunos responderem as questões, será promovida uma discussão, com base nas respostas dos alunos. De modo a evidenciar algumas características da Ciência, e mesmo sobre o que é raio x e radioatividade. Pretende-se abordar a importância da colaboração entre os cientistas para a produção científica, bem como a existência de equívocos por parte dos cientistas. Também discutiremos a respeito do destaque de Marie Curie na Ciência, evidenciando a possibilidade da mulher na Ciência. Neste momento da aula, também será discutido com os alunos que os estudos da radioatividade aconteciam na mesma época em que Thomson propunha seu modelo, mostrando a dinamicidade da Ciência.

16 Parte 3: Texto e questões sobre o experimento de Rutherford O experimento de Rutherford Como discutido anteriormente, muitos cientistas se preocuparam com os estudos com relação à radioatividade. A partir de 1909, Geiger ( ) e Marsden ( ), dois estudantes que trabalhavam sob a orientação de Rutherford começaram a realizar experimentos, em que um feixe de partículas alfa, com massa relativamente grande e com carga positiva, interagia com uma massa muito fina de ouro. A trajetória das partículas, depois da interação com o metal, era observada por meio da cintilação produzida pela partícula alfa num anteparo fluorescente de sulfeto de zinco. O modelo atômico aceito na época era o de Thomson. No modelo de Thomson, a carga estava uniformemente distribuída entre os átomos. Questão Considerando o que foi dito acima, o que você acha que aconteceria com a trajetória das partículas alfa, de acordo com o modelo atômico de Thomson? Elas passariam pela lâmina de ouro, ou seriam repelidas?justifique. Ao realizarem os experimentos, Geiger e Marsden observaram que uma grande quantidade de partículas alfa atravessava a lâmina de ouro. Uma pequena quantidade de partículas alfa eram repelidas ou então sofriam desvios. Questão Estes resultados podem ser explicados pelo modelo atômico de Thomson? Justifique. Proponha um modelo que represente a estrutura do átomo e que seja coerente com as observações feitas por Rutherford e seus alunos Geiger e Marsden. Parte 4: Discussão do texto e questões sobre o Modelo de Rutherford Neste momento será realizada uma discussão, com o objetivo de auxiliar os alunos a entender que o modelo de Thomson é limitado, e não é capaz de suportar as evidências obtidas no experimento realizado por Geiger e Marsden. Também será

17 discutido sobre as abrangências e limitações dos modelos propostos pelos alunos, bem como se eles são coerentes com as evidências. A partir destas discussões será apresentado aos alunos o modelo atômico de Rutherford. Assim, será explicado que as evidências obtidas no experimento de Geiger e Marsden levaram Rutherford a pensar em um modelo no qual o átomo seria uma partícula constituída por cargas positivas que estariam em um núcleo responsável pela massa do átomo e pelos elétrons, que estariam localizados ao redor do núcleo. Além disso, experiências semelhantes a que discutimos indicam que o núcleo de um átomo tem um diâmetro de aproximadamente cm, sendo o diâmetro do átomo cerca de vezes maior. Nesse sentido, será discutida com os alunos a existência dos Nêutrons para estabilizar estas cargas positivas em um núcleo tão pequeno. Aula 5: Ondas eletromagnéticas e espectro eletromagnético Objetivo: Fazer com que os alunos compreendam sobre ondas eletromagnéticas e espectro eletromagnético, pois para a compreensão do modelo de Bohr, que será trabalhado em seguida, estes conteúdos são pré- requisitos. Evento 1: Vídeo decomposição da luz solar Este vídeo mostra a difração ocorrida na luz branca pela passagem por um prisma. Questão: Como vocês explicariam as diferentes cores observadas quando a luz branca passa pelo prisma? Evento 4: Discussão sobre o experimento a fim de chegar a ideia de espectro eletromagnético Neste momento deverá ser discutido que a luz do sol é um tipo de onda eletromagnética e pode ser decomposta nas cores que podemos ver. Estabelecer em seguida a analogia da corda. Esta analogia consiste em movimentar a corda com menor ou maior intensidade, sendo que no primeiro caso, as ondas produzidas terão maior comprimento de onda e menor frequência. Com o aumento da intensidade, as ondas produzidas terão menor comprimento de onda e maior frequência. Desta forma, relacionamos a intensidade com que a corda foi movimentada com a energia eletromagnética da onda.

18 Espera-se que com a movimentação diferenciada da corda, e com questionamentos da professora eles possam chegar à relação acima citada. Compreendendo desta forma a relação entre comprimento de onda e frequência. Deverá ser ressaltado que a luz visível é apenas um tipo de onda eletromagnética, que possui uma faixa de comprimento de onda e frequência característica. Em seguida, será projetada a imagem do espectro eletromagnético abaixo. Reforçando para os alunos a ideia de diferentes tipos de radiação eletromagnética. Figura1- Espectro eletromagnético Evento 2: Vídeo do teste da chama Neste vídeo, são queimadas algumas substâncias. Todas possuem cloreto em sua consitituição. Ao entrarem em contato com a chama, cada substância apresenta uma cor característica. Neste momento, espera-se que os alunos observem que cada substância ao entrar em contato com a chama possui uma cor diferente, para na aula posterior discutir que esta cor está relacionada à absorção de energia quantizada pelos elétrons dos átomos, que vão para um estado excitado, e quando retornam ao estado fundamental, liberam esta energia na forma de luz (que pode ser a luz visível). Passar fórmulas das substâncias no quadro. Evento 3: Questões 1. Por que foi necessário a chama para que as substâncias emitissem cor? O que a chama está fornecendo às substâncias?

19 2. Por que cada substância apresenta uma cor diferente quando entra em contato com a chama? Observem que todas as substâncias queimadas possuem cloro em sua constituição. Pensando neste sentido, o que pode ser responsável pelas cores diferentes? Na questão 1, espera-se que os alunos relacionem a chama com a energia necessária para que alguma transição ocorra no átomo, sendo que esta energia deverá estar relacionada com a cor observada. Na questão 2, espera-se que os alunos relacionem as cores diferentes a substâncias diferentes presentes nas substâncias que foram aquecidas. Como já estudamos anteriormente, a luz do sol é um tipo de onda eletromagnética e pode ser decomposta nas cores que podemos ver. Estas cores fazem parte do espectro eletromagnético, em uma região chamada de UV visível. Assim, é possível perceber que cada átomo presente no experimento do teste da chama, emite um tipo de radiação eletromagnética característica com um determinado comprimento de onda e frequência, que foi possível a partir do aquecimento com a chama, ou seja, fornecimento de energia. Aula 6: Limitações do modelo de Rutherford e apresentação do modelo de Bohr Objetivo: Esta aula tem como objetivo fazer com que os alunos compreendam que o modelo de Rutherford não explica a estabilidade do átomo, e também o espectro de emissão do hidrogênio. Além disso, discutir como o espectro de hidrogênio é uma evidência que sustenta o modelo atômico de Bohr, e assim trabalhar o quanto é importante a relação evidencia-modelo na ciência. Evento 1: Revisão modelo de Rutherford e suas limitações O último modelo atômico que estudamos foi o modelo atômico de Rutherford. De acordo com este modelo, o átomo é constituído por prótons e nêutrons localizados em um núcleo e por elétrons dispostos em uma região fora do núcleo. Questão: Qual a carga do núcleo atômico e dos elétrons?

20 Qual a relação entre as cargas positivas e negativas com a repulsão ou atração? Pensando neste sentido, o que poderia acontecer com os elétrons que estão em volta do núcleo? O próprio Rutherford percebeu que, de acordo com os princípios da mecânica clássica, os elétrons parados em torno do núcleo, poderiam sofrer atrações que levariam a um colapso atômico (devido à atração entre cargas opostas). Assim, não explica a estabilidade atômica, que é o que se observa na natureza (para grandes partes dos fenômenos naturais). Se os elétrons estivessem, sem movimento, não haveria o que os impedisse de cair no núcleo, já que estão sob influência de atração coulombiana. Uma solução aparente seria pensar que os elétrons poderiam girar em torno do núcleo, como os planetas fazem em torno do sol. Um sistema desse tipo poderia ser mecanicamente estável, como no caso dos planetas. Porém, quando se pensa em uma partícula eletricamente negativa, como o elétron, girando em torno do núcleo, carregado positivamente, surge um problema: para manter este movimento circular ao longo do núcleo os elétrons deveriam ser constantemente acelerados. De acordo com a teoria eletromagnética clássica, todos os corpos acelerados irradiam energia na forma de radiação eletromagnética. Ao emitir este tipo de energia, o elétron perderia energia mecânica e se moveria em uma trajetória espiral até atingir o núcleo. Assim, apesar do sucesso em interpretar dados experimentais (como o experimento das partículas alfa), o modelo atômico de Rutherford já havia nascido com um sério problema, pois não conseguia explicar a estabilidade do átomo. Desta forma, podemos perceber que os modelos científicos são representações parciais da realidade e, portanto são limitados. Evento 2: Apresentação do modelo de Bohr Por volta de 1909, durante seu doutoramento na Universidade de Copenhague, o cientista Niels Bohr, um físico dinamarquês, dedicou-se a trabalhos sobre a interpretação das propriedades físicas dos metais, tendo como base a teoria do átomo desenvolvida por J.J. Thomson em Estes trabalhos o fizeram deslocar até Cambridge, na Inglaterra, a fim de discutir com o próprio Thomson. Em setembro de 1911 Bohr chegava ao Trinity College com uma bolsa da Fundação Carlsberg. Lá, foi

21 aluno de Thomson, Larmor e James Jeans. A estada de Bohr em Cambridge foi uma decepção, já que os múltiplos afazeres de Thomson não lhe permitiam discutir em detalhes, as críticas que este fizera ao seu modelo atômico. Thomson sugeriu a Bohr que enviasse uma versão inglesa de sua tese para publicação nos Transactions of the Cambridge Philosophical Society. Somente alguns meses depois, em maio de 1912, quando Bohr já se encontrava em Manchester, é que aquela Sociedade devolveu-lhe a tese com a sugestão de que ela deveria ser reduzida à metade. Como estava trabalhando em outro assunto, Bohr não acatou a sugestão, e sua tese permaneceu inédita em língua inglesa. Bohr encontrou-se com Rutherford em Cambridge, e aceitou seu convite para fazer um curso experimental sobre medidas radioativas ministrado por Geiger no laboratório de Rutherford, em Manchester. Poucas semanas após o curso de Geiger, Bohr foi a Rutherford para comunicar que preferiria trabalhar em questões teóricas, ao invés de fazer experiências. Percebam que Bohr preferiu trabalhar em questões teóricas, e não com experimentos. Isto significa que nem todo cientista precisa necessariamente fazer experimentos. Assim, Bohr passou a estudar, teoricamente, os resultados das experiências do grupo de Rutherford sobre a passagem de partículas alfa através da matéria. Posteriormente, Bohr passou a analisar as dificuldades teóricas apresentadas pelo modelo atômico rutherfordiano. Entre tais dificuldades destacavam-se duas: a primeira relacionava-se com a instabilidade dos elétrons orbitais; e a segunda, com as dimensões dessas órbitas. Como vocês podem perceber, Bohr foi bolsista com Thomson, e trabalhou também junto a Rutherford. Isto mostra pessoal, que todos conviveram juntos, na mesma época. Isto quer dizer que a Ciência não segue uma ordem cronológica, e não é linear. Paralelamente à busca de um modelo atômico satisfatório, que conseguisse explicar alguns resultados experimentais do final do século passado, os cientistas do começo deste século também se preocupavam com explicações para as séries espectrais dos elementos químicos.

22 No vídeo do teste da chama, chegamos à conclusão que o aquecimento- ou seja, o fornecimento de energia- fez com que cada átomo emitisse uma coloração diferente, que é referente à radiação eletromagnética emitida na região do UV visível. Assim, podemos concluir que o fornecimento de energia fez com que os átomos emitissem radiação eletromagnética. Mas o que ocorre no átomo, para que ele emita esta radiação? Vamos tentar entender... Questão: Imaginem uma bola lançada para cima. O que ocorre com a energia cinética e potencial da mesma? Da mesma forma que ocorre com as energias na bola lançada para cima, nos átomos os elétrons tendem a permanecer em um estado de menor energia, denominado estado fundamental. Quando, por algum processo, o átomo recebe energia, ele passa para o estado excitado. Entretanto, a situação de menor energia é a mais estável e, por isso, os elétrons emitem a energia anteriormente recebida na forma de luz. As substâncias utilizadas no teste da chama têm muitos elétrons, para estudar melhor estas transições, vamos tomar como base o átomo de hidrogênio que possui apenas um elétron. No modelo atômico de Rutherford, o elétron no átomo de Hidrogênio poderia ter qualquer energia, determinada por sua distância em relação ao núcleo. Assim, este elétron poderia absorver energia em qualquer região, portanto era de se esperar que o espectro atômico obtido fosse contínuo. Uma representação do espectro obtido pela decomposição da luz emitida pelo átomo de Hidrogênio quando lhe fornecemos energia pode ser visto na Figura 1. (Neste momento projetaremos o espectro com auxílio do datashow).

23 Figura 1. Representação do espectro de emissão do Hidrogênio na região da luz visível. Questão: Este espectro pode ser explicado pelo modelo de Rutherford? Se o átomo de Hidrogênio possui um único elétron, como pode ser explicado que seu espectro apresente tantas bandas (denominação de cada região contínua do espectro)? Em 1912, Bohr já havia praticamente proposto seu modelo, mas ainda não havia estudado o espectro do hidrogênio. No início de 1913, o estudante Hans Marius Hansen perguntou a Bohr o que seu modelo tinha a dizer sobre esse espectro. Bohr respondeu que nada sabia sobre o assunto e Hans o aconselhou a dar uma olhada na fórmula de Balmer para o espectro de hidrogênio. A fórmula de Balmer permitia associar o comprimento de onda e portanto a frequência- de cada linha do espectro do hidrogênio a dois números inteiros positivos. As ideias de Balmer, auxiliaram Bohr para a proposição do seu modelo. Notem que a colaboração entre cientistas e a contribuição de outras áreas de conhecimento são características muito importantes para o avanço do conhecimento científico. De acordo com Bohr, os elétrons se moveriam no átomo, segundo determinados raios circulares, hoje denominados níveis (Figura 2). Projetar imagem. E n = 7 n = 6 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 Figura 2. Representação esquemática da energia dos níveis em um átomo

24 A energia total dos elétrons que ocupam estes níveis é a soma de sua energia cinética (devido ao seu movimento) com sua energia potencial (devido ao fato de o elétron ser uma partícula carregada e atraída pelo núcleo). Questão: Pensando nisso, qual dos níveis seria o mais energético? Quanto mais longe o elétron estiver do núcleo, isto é, quanto maior for o raio de seu nível, maior será a sua energia potencial e, consequentemente, maior a sua energia total. Podemos dizer, então, que os níveis se dispõem em ordem crescente de energia a partir do núcleo. Da mesma forma que ocorre com as energias na bola lançada para cima, nos átomos os elétrons tendem a permanecer em um estado de menor energia, denominado estado fundamental. Sendo assim, o estado fundamental para o átomo de Hidrogênio é aquele em que seu elétron está no nível mais interno. Quando este elétron recebe energia e atinge um dos níveis mais externos o átomo fica em um estado excitado. Em um sistema constituído por inúmeros átomos de Hidrogênio, a energia recebida pelo elétron de cada um desses átomos pode ser diferente, isto é, o elétron de um átomo pode receber energia suficiente para atingir o segundo nível, enquanto o de outro átomo pode receber energia suficiente para atingir o terceiro nível, e assim por diante. A Figura 3 representa todas essas transições. Projetar imagem. E n = 7 n = 6 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 Figura 3. Representação de algumas transições possíveis quando o elétron do átomo de Hidrogênio absorve energia Quando subimos uma escada, a energia necessária para vencermos cada degrau é função da altura do mesmo.

25 Se a quantidade de energia envolvida neste processo for inferior à necessária, será possível subir o degrau? Não é possível subir meio degrau. Da mesma forma, quando o elétron se encontra no estado fundamental ele deve absorver uma quantidade determinada de energia para passar ao nível imediatamente seguinte, ou uma quantidade de energia determinada, porém numericamente maior, para atingir um nível mais externo. O fato de as transições, dentro dos átomos, ocorrerem envolvendo apenas quantidades específicas de energia é uma indicação de que a energia dos elétrons nos átomos é quantizada. Questão: Pensando no que foi discutido aqui, como vocês explicariam o fato de o espectro de hidrogênio apresentar várias bandas? Fica assim explicado porque o espectro do Hidrogênio apresenta muitas bandas. Dependendo da quantidade de energia que recebe, o elétron atinge diferentes níveis. Em todos os casos ele volta ao estado fundamental e, dependendo da quantidade de energia liberada nesta volta, as ondas eletromagnéticas daí originadas envolvem energia correspondente às regiões visíveis (em diferentes cores), ultravioleta ou infravermelho do espectro eletromagnético (Figura 4). E n = 7 n = 6 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 Figura 4. Representação das transições possíveis quando o elétron do átomo de Hidrogênio libera energia Questão: Pensando no que foi discutido até aqui, como vocês explicam as diferentes cores observadas no experimento da chama?

26 Em cada substância existe um elemento diferente e cada um deles apresenta um certo número de elétrons. Para a ocorrência de diferentes cores, a energia envolvida em cada transição de elétrons deve ser diferente. Isto pode ser explicado se considerarmos que em cada átomo os elétrons se distribuem em diferentes níveis. Percebam que Bohr não tentava refutar o modelo de Rutherford e sim buscar novas informações que justificassem a estabilidade do átomo. As evidências, como o espectro do átomo de Hidrogênio, foram essenciais para a proposição de seu modelo. Assim é possível notar que, a ciência é feita a partir da proposição de modelos fundamentados em evidências. Isto é, não lida com verdades absolutas, mas tenta se aproximar dela a partir do momento que modelos com maior poder de explicação (que dão conta de mais evidências do mundo real) são propostos.