A Evolução das Teorias Atômicas: A Eterna Busca pelos Modelos

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1 A Evolução das Teorias Atômicas: A Eterna Busca pelos Modelos Tales de Mileto Demócrito Dalton Geissler e Plucker Crookes Alessandro Volta Nicholson e Carlisle Thomson Goldstein Roetgen Becquerel Millikan Moseley Rutherford Bohr Sommerfeld De Broglie Schrödinger Planck Heisenberg Pauli Pauling

2 Demócrito 460 a.c. a 370 a.c. Discípulo de Leucipo (?); Viveu em Abdera na Trácia, hoje Turquia; Sistematizou as idéias de Leucipo: Toda matéria se subdivide em átomos eternos e indestrutíveis, que não tem causa; A matéria é constituída por átomos qualitativamente iguais; Os átomos estão em contínuo movimento no vácuo; Os diferentes tipos de átomos diferem em forma, tamanho e massa. Provavelmente, o modelo foi puro fruto da intuição; Salvo exceções, sem receptividade entre os antigos; Leucipo Demócrito Epicuro Lucrécio; Feliz adivinhação, segundo Sir Willian Dampier. Page 2

3 John Dalton ( ) Inspirado no atomismo de Demócrito; Atomismo quantitativo (1803); Explicações admitindo-se que a matéria é feita de átomos; Propostas: Toda matéria é composta de partículas fundamentais: os átomos; São permanentes e indivisíveis; Não podem ser criados nem destruídos; Átomos de um mesmo elemento químico são idênticos em todas as suas propriedades; Uma alteração química consiste em uma combinação, separação ou rearranjo de átomos; Os compostos são constituídos de átomos de elementos diferentes em proporções fixas. Page 3

4 Como e do que são construídos os átomos? Tales de Mileto (séc. VI a.c.); Elektron: palavra grega que significa âmbar; Alessandro Volta (1800); Pilha elétrica: empilhamento de discos de zinco e cobre intercalados e separados por discos de pano embebidos em ácido sulfúrico; Willian Nicholson e Anthony Carlisle (1800); Realizaram a eletrólise da água (lise, palavra grega que significa quebra); Page 4

5 Como e do que são construídos os átomos? Humphrey Davy e Michael Faraday (1932); A quantidade de substância produzida pela eletrólise é proporcional à quantidade de eletricidade utilizada ; Para uma dada quantidade de eletricidade a quantidade de substância produzida é proporcional ao seu peso equivalente ; Experimentos com tubos de descarga de gás: Tubo de vidro cilíndrico fechado em ambas as extremidades, com dois eletrodos em forma de discos planos ligados a uma fonte de alta voltagem ( Volts), conectado a um tubo de vácuo lateral; Henrich Geissler; Page 5

6 Ampola ou Tubo de Crookes Tubo de Crookes: usados na 2ª metade do século XIX para investigar os efeitos de descargas elétricas em gases à baixa pressão; Pressão atmosférica: pouco se observa; Pressão moderada (b): incadescência do gás; Pressão baixa (c): incadescência próxima ao cátodo; Pressão baixa com sulfeto de zinco (d): linhas luminosas ao microscópio e sombra no tubo. Page 6

7 Ampola ou Tubo de Crookes Qualquer metal pode ser utilizado como eletrodo e o tipo de gás muda a cor da incandescência do tubo; Interpretação: a baixas pressões algo deixa o cátodo e se dirige em direção ao ânodo. Este algo foi inicialmente chamado de raio catódico. O raio catódico não é energia radiante, como a luz, mas um feixe de partículas. A sombra obtida com a presença do sulfeto de zinco indica que elas se movem em linha reta (sombra). A incandescência observada é resultado da colisão das partículas com o gás, sendo que a pressões baixas a maioria das partículas atravessa o tubo sem se chocar com ele produzindo uma incandescência no tubo; Os raios catódicos podem ser desviados pela aplicação de um campo elétrico ou um campo magnético. Page 7

8 J. J. Thomson ( ) Primeiro cientista a realizar o experimento com sucesso em 1897; Raio catódico é composto por partículas de carga negativa; Mesma massa e carga; Independe do material do qual é feito o cátodo; e/m = -1,76x10 8 C.g -1 Page 8

9 Aplicações dos Tubos de Descarga de Gás Page 9

10 Ampola ou Tubo de Goldstein Cátodo perfurado; Linha luminosa através das fendas: raios canais; Cor também depende do gás no tubo; Raio é uma mistura de partículas, mesmo se o gás for um só; Partículas são carregadas positivamente; Valores são múltiplos de 1,6 x C; Choques retiram elétrons, atribuindo caráter positivo ao átomo que migra para o cátodo. Page 10

11 O Modelo Atômico de Thomson (1898) Elétrons podem ser retirados do átomo, deixando-o com carga positiva; O cátion formado é muito maior do que o elétron; Átomo é uma esfera de carga elétrica positiva, onde estavam contidos alguns elétrons (Pudim de ameixas); A parte positiva continha a maior parte da massa do átomo; Postulou mais tarde que os elétrons estariam se movendo em órbitas circulares. Page 11

12 Experimento de Millikan 1909 Oléo é vaporizado; Através de um microscópio, observase a gotícula caindo com a gravidade; Irradiação com raios-x retirava elétrons do ar; Elétrons eram capturados pelo óleo; Disco metálico com um orifício é ligados a um gerador (+); Compensou a queda da gotícula de óleo; Determinação da velocidade pela queda no ar; Gotículas sempre carregadas com múltiplos de -1,6x10-19 C; Combinação da carga com a relação e/m de Thomson, acha-se a massa do elétron. Page 12

13 Röntgen e os Raios-X 1896 Experimento com a ampola de Crookes envolta por papelão negro; Radiação desconhecida escapava da ampola e atravessava o vidro, o papel e o papelão impressionando um filme fotográfico; Sem carga elétrica e invisível; Por não saber do que se tratava, Röntgen chamou de Raio-X; São formados por elétrons de alta energia, parecidas com a luz mas de maior freqüência; Nocivos à saúde: mutações nas células; Page 13

14 A Ampola de Coolidge 1913 Coolidge aperfeiçoou a ampola de Crookes para aumentar o rendimento na formação dos raio-x; Pressão: 10-9 atm; Filamento de tungstênio; Anti-cátodo desacelera elétrons, originando ondas eletromagnéticas que foram o raio-x; Page 14

15 Radioatividade 1896 Descoberta dos raios-x desencadeou a descoberta da radioatividade; Becquerel ( ) buscou comprovar a hipótese de Poincaré e descobriu a radioatividade; Sal de urânio continuava emitindo radiações, mesmo depois de cessar a emissão de luz; Radiações impressionavam papéis fotográficos; Marie ( ) e Pierre Curie ( ) comprovaram a existência de mais elementos radioativos: tório, actínio e outros; Descobriram dois novos elementos: Polônio e Rádio; Radioatividade é características de elementos pesados. Page 15

16 As Emissões Radioativas Polônio em um cilindro de chumbo emite radiações direcionadas que são separadas por placas altamente eletrizadas, revelando pontos em locais diferentes de uma placa fotográfica. Page 16

17 Características das Emissões Partículas Alfa: Velocidade inicial variando de 3000 a km/s; Pequeno poder de penetração. Detidas por uma camada de 7 cm de ar, uma folha de papel ou uma chapa de alumínio, com 0,06 milímetros de espessura. Sobre o corpo humano, são detidas pela camada de células mortas da pele, podendo, no máximo, causar queimaduras. Partículas Beta: Velocidade inicial variando entre e km/s, ou seja, até 95% da velocidade da luz. Médio poder de penetração. 50 e 100 vezes mais penetrantes que as partículas alfa. Atravessam alguns metros de ar e até 16 mm de madeira. Detidas por lâminas de alumínio com 1cm de espessura ou de chumbo com espessura maior que 2mm. Sobre o corpo humano, podem penetrar até 2 cm e causar sérios danos. Radiações Gama: Velocidade igual à velocidade da luz, ou aproximadamente km/s. Alto poder de penetração. os raios gama são mais penetrantes que os raios X, pois possuem comprimentos de onda bem menores, variando entre 0,1 e 0,001 angstrons. Atravessam milhares de metros de ar, até 25 cm de madeira ou 15 cm de espessura de aço. São detidos por placas de chumbo com mais de 5 cm de espessura ou por grossas paredes de concreto. Podem atravessar completamente o corpo humano causando danos irreparáveis. Page 17

18 Moseley e o Nº Atômico Até 1913 a Tabela Periódica era organizada pela massa atômica; Não havia relação entre o nº atômico e a estrutura atômica; Espectros de raios-x de vários elementos mostrou alta regularidade; Regularidade foi atribuída à carga positiva do núcleo, o número atômico (Z); Elementos em posições erradas foram reorganizados originando a Tabela Periódica atual; Faleceu com apenas 30 anos. Page 18

19 O Modelo de Rutherford Bombardeamento de uma finíssima placa de ouro (0,0001 mm) com partículas alfa; Envolvimento da placa de ouro por um cilindro de sulfeto de zinco ou papel fotográfico; Aparecimento de uma fluorescência intensa na direção das emissões e esporadicamente em alguns outros pontos; Page 19

20 A Teoria de Bohr 1913 Nem todas as leis da física clássica deveriam ser seguidas pelas partículas atômicas; Os elétrons giram em redor do núcleo em órbitas bem definidas; Quando um elétron troca de órbita, ele absorve ou emite energia, segundo as idéias de Planck; Postulados baseados no espectro de emissão do hidrogênio estudado pelos cientistas Lyman, Balmer e Paschen. Page 20

21 Page 21 Observações experimentais indicaram que: n R n R n R A Teoria de Bohr 1913

22 As Contribuições Sommerfeld ( ): Órbitas circulares e elípticas de diferentes excentricidades com conteúdos energéticos diferenciados, constituindo uma camada; De Broglie: Todo corpo apresenta associado ao seu movimento um fenômeno ondulatório; O elétron pode sofrer reflexão, refração e etc., como ocorre com o som ou a luz; Heisenberg ( ): É impossível determinar simultaneamente a posição exata e a velocidade de uma partículaonda num dado instante ; Schrödinger: Orbital é a região do espaço ao redor do núcleo em que é muito grande a probabilidade de se localizar o elétron; Planck: A energia é recebida ou emitida em uma quantidade fundamental, denominado quantum, E=hν; Pauli: Um mesmo orbital conterá, no máximo, dois elétrons de spins contrários; Page 22