A Natureza Elétrica da Matéria

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1 A Natureza Elétrica da Matéria Você já parou para pensar que toda matéria na natureza é eletricamente neutra? Pelo menos no planeta Terra podemos afirmar isso! Talvez tenha sido essa observação que levou John Dalton, em 1803, a propor o átomo como uma esfera rígida e indivisível. Por outro lado, muitas substâncias conduzem eletricidade e alguns experimentos realizados no século XIX foram fundamentais para descrever a natureza elétrica da matéria. Em 1800, William Nicholson e Anthony Carliste provocaram a decomposição da água nos gases hidrogênio (H 2) e oxigênio (O 2), através da Eletrólise (Figura 1). Nesse experimento, Nicholson e Carliste comprovaram não apenas que a matéria pode interagir com a corrente elétrica como também que era possível determinar a proporção volumétrica entre os seus componentes elementares (uma parte de oxigênio para duas de hidrogênio). Alguns anos mais tarde, em 1833, Michael Faraday comprovou as relações quantitativas existentes entre a corrente elétrica e uma dada reação química ocorrida durante a eletrólise. Os Raios Catódicos Figura 1: Esquema experimental da eletrólise da água. Certamente a caracterização dos elétrons foi fundamental para entendermos o comportamento elétrico da matéria. Os experimentos com os Tubos de raios catódicos ou Crookes comprovaram que o átomo de Dalton não era indivisível. Sob alta voltagem e baixas pressões, o tubo de Crookes produz raios luminosos que partem do catodo para o anodo, por esse motivo chamados Raios catódicos (Figura 2).

2 Figura 2: Esquema de um tubo de raios catódicos. Com esse experimento foram feitas as seguintes observações sobre os raios catódicos: Deslocavam-se em linha reta do eletrodo negativo (catodo) para o eletrodo positivo (anodo). Movimentavam pequenos objetos transferência de momento característica de partícula. Sofriam desvio sob a ação dos campos elétrico e magnético para o polo positivo partícula carregada negativamente. Quando na presença de um gás residual, emitem luz a cor depende do gás utilizado. Independem da natureza dos eletrodos ou do gás residual está presente em toda a matéria. Por essas observações, concluiu-se que os raios catódicos eram constituídos por partículas de carga elétrica negativa capazes de interagir com a matéria. Essas partículas foram chamadas de elétrons. A radioatividade Em 1896, Henri Becquerel observou que o minério de urânio emitia uma radiação que era capaz de velar placas fotográficas. Em 1898, Marie e Pierre Curie descobriram que os elementos rádio e polônio emitiam a mesma radiação, que eles denominaram radioatividade. Posteriormente, duas partículas (alfa e beta) e uma radiação eletromagnética (gama) foram identificadas como resultantes daquela emissão radioativa (Figura 3). Figura 3: Esquema do experimento para caracterização de partículas radioativas.

3 Características fundamentais dos elétrons Aplicando simultaneamente um campo elétrico e um campo magnético a um tubo de raios catódicos (Figura 4), Joseph John Thomson, em 1897, foi capaz de determinar a relação entre a carga e a massa do elétron (e/m= 1,76x10 8 C/g). Figura 4: Esquema do experimento de Thomson. Em 1910, analisando o comportamento de gotas de óleo em um campo elétrico (Figura 5), Robert Andrews Millikan determinou a carga do elétron (-1,6x10 19 C) e, consequentemente, a sua massa (9,1x10 28 g). Figura 5: Esquema do experimento de Mulliken. Retornando ao século XIX, vemos que Ernest Goldenstein observou um feixe de partículas carregadas positivamente que se moviam em direção oposta à dos raios catódicos. Esse feixe de partículas foi caracterizado como íons positivos, produzidos através da colisão entre os elétrons (raios catódicos) e as moléculas de gás contidas no interior dos tubos de Crookes (Figura 6). Essas partículas passaram a ser chamadas de Raios canais. Figura 6: Esquema do experimento para observação dos raios canais.

4 Modelos atômicos Com base na natureza elétrica da matéria, Thomson propôs seu modelo atômico, afirmando que o átomo era composto por uma massa positiva, que continha tantos elétrons quantos fossem necessários para que a matéria ficasse neutra. Era o modelo do pudim de passas (Figura 7). Figura 7: Representação do átomo de Thomson. Na tentativa de comprovar experimentalmente o modelo de Thomson, Ernest Rutherford propôs um experimento com partículas alfa que o levou a revolucionar o modelo atômico. Rutherford afirmou que o átomo era composto por um núcleo pequeno, carregado positivamente, de alta densidade e com os elétrons ocupando o espaço em torno desse núcleo (Figura 8). Atualmente, sabemos que o raio do átomo é aproximadamente vezes maior que o raio do seu núcleo. Com esse modelo atômico, vemos que a localização dos elétrons na matéria fica claramente definida. Temos um núcleo positivo e, em torno dele, elétrons suficientes para manter a neutralidade da matéria. Figura 8: Representações do átomo de Rutherford. O átomo de Rutherford estava bem caracterizado experimentalmente, mas contrariava a Física clássica no que dizia respeito às partículas carregadas e em movimento circular. A partir desse ponto, sabemos que a teoria dos Quanta de energia, de Max Planck (E = hv) e o Efeito fotoelétrico de Albert Einstein (E Fóton= hc/λ) foram fundamentais para a evolução do modelo atômico. Em 1913, Niels Bohr propôs um modelo atômico para o átomo de hidrogênio, postulando que: Os elétrons ocupam uma posição definida no átomo, chamada níveis de energia. Quando os elétrons estão localizados nos níveis de menor energia, o átomo estará no seu estado fundamental.

5 Quando o elétron absorve uma quantidade definida de energia, dada por E= hv, ele é promovido para níveis de energia mais altos, caracterizando o estado excitado do átomo. Uma vez no estado excitado, os elétrons com excesso de energia decaem para níveis de menor energia, emitindo a energia excedente. Esses postulados de Bohr redirecionam o átomo da Física clássica para a Física quântica. Não avançaremos nas teorias atômicas por não ser o propósito desta disciplina. Contudo, gostaríamos de relacionar mais um ponto importante na caracterização dos elétrons a chamada dualidade partícula-onda da matéria. Em 1924, Louis de Broglie estudou o caráter ondulatório do elétron e comprovou, com experimentos de difração, que os elétrons se comportavam tanto como partícula (possui massa e momento) quanto como onda (sofre difração). Sugerimos que você faça uma revisão sobre os modelos atômicos e orbitais para fundamentar seus conceitos sobre a estrutura da matéria. Na próxima aula, sairemos da eletrosfera e entraremos no núcleo atômico.