Um modelo atômico é a representação da estrutura interna de um átomo.
Ao longo da história, a constituição da matéria teve vários modelos que evoluíram até chegar ao atual modelo atômico.
Aqui está a linha do tempo dos modelos atômicos mais importantes:
1. Modelo de Demócrito de Abdera (ano 450 aC)
O modelo atômico de Demócrito foi desenvolvido pelo filósofo grego Demócrito de Abdera . Demócrito acreditava que a matéria era composta de pequenas partículas indestrutíveis ou indivisíveis que ele chamava de átomos.
Demócrito, um antigo filósofo grego, foi um dos primeiros a propor a ideia de que a matéria era composta de partículas descontínuas e indivisíveis chamadas "átomos". Em sua filosofia, os átomos eram as unidades fundamentais da realidade e eram eternos e infinitamente pequenos.
Demócrito acreditava que diferentes tipos de matéria eram formados a partir de combinações e arranjos de átomos no espaço vazio.
Importância do modelo
Embora o modelo de Demócrito carecesse de evidências experimentais e uma base científica sólida na época, ele lançou as bases para a ideia de que a matéria era composta de unidades discretas e indivisíveis. No entanto, esse modelo não teve impacto imediato na comunidade científica de sua época e foi suplantado por outras ideias até ressurgir com mais força na era da ciência moderna.
A contribuição de Demócrito é fundamental para a evolução da teoria atômica ao longo da história, e seu conceito de "átomo" é a base de como entendemos a estrutura da matéria hoje.
2. Modelo de John Dalton (1808)
A teoria atômica de Dalton foi o primeiro modelo com base científica. Dalton definiu o conceito de átomo e concluiu que, nas reações químicas, os átomos não são criados nem destruídos, mas sim alterados em sua distribuição.
O modelo Dalton do átomo, proposto por John Dalton no início do século XIX, foi uma das primeiras tentativas sistemáticas de explicar a natureza da matéria e as reações químicas em termos de átomos.
Átomos como unidades indivisíveis
Dalton postulou que a matéria era composta de partículas fundamentais e indivisíveis chamadas átomos. Cada elemento químico consistia em átomos idênticos entre si em termos de massa e propriedades químicas.
Átomos de diferentes elementos
Átomos de diferentes elementos eram diferentes uns dos outros em termos de massa e propriedades químicas. Dalton acreditava que os átomos eram as unidades básicas e indivisíveis da matéria e que os compostos químicos eram formados a partir da combinação de átomos de diferentes elementos em proporções fixas e definidas.
Conservação de massa
Dalton postulou que a massa é conservada nas reações químicas. Isso significa que a massa total dos átomos nos reagentes é igual à massa total dos átomos nos produtos após uma reação química.
Proporções fixas em compostos
Dalton propôs a Lei das Proporções Definidas, que afirma que os elementos se combinam em proporções fixas e constantes para formar compostos químicos específicos. Isso significa que os átomos dos elementos se combinam em números inteiros simples para formar compostos.
Lei das proporções múltiplas
Dalton também formulou a Lei das Proporções Múltiplas, que afirma que quando dois elementos formam mais de um composto, as massas de um elemento que se combinam com uma massa fixa do outro elemento estão na proporção de números inteiros simples.
3. Modelo de Thomson (1904)
Thompson descobriu o elétron como uma partícula subatômica com tubos de raios catódicos. Essas novas partículas carregadas negativamente passaram a ser consideradas parte da estrutura dos átomos.
O modelo do átomo de Thomson também é conhecido como o modelo do pudim de passas, pois JJ Thomson concebeu o átomo como um pudim de passas. Nesse modelo, o átomo seria formado por uma massa positiva à qual os elétrons estariam ligados como passas no bolo.
Recursos do modelo
Thomson realizou experimentos com tubos de raios catódicos e descobriu a existência de partículas subatômicas carregadas negativamente que ele chamou de elétrons. Essa descoberta desafiou a ideia anterior de que os átomos eram indivisíveis e uniformes.
De acordo com o modelo de Thomson, os elétrons carregados negativamente foram incorporados em uma matriz carregada positivamente. Isso criou um equilíbrio de cargas elétricas, resultando em um átomo globalmente neutro. Visualmente, o átomo foi comparado a um "pudim de passas", onde os elétrons representavam as "passas" e a carga positiva a "massa do pudim".
Thomson propôs que a carga positiva era distribuída uniformemente por toda a estrutura do átomo, o que mantinha os elétrons em equilíbrio dentro dele. Essa ideia explicava como os átomos poderiam ser eletricamente neutros, apesar de terem cargas elétricas separadas dentro deles.
Limitações do modelo
Embora o modelo de Thomson introduzisse a ideia de que os átomos tinham componentes e cargas subatômicas, não explicava por que os elétrons não entravam em colapso no núcleo devido a forças elétricas repulsivas entre cargas negativas.
O modelo do átomo de Thomson também falhou em abordar como os elétrons foram arranjados em órbitas ao redor do núcleo.
Importância
Embora o modelo de Thomson tenha sido posteriormente substituído por modelos mais completos, sua descoberta dos elétrons e sua proposta para uma estrutura subatômica mudaram dramaticamente a compreensão científica da época.
Essas descobertas abriram caminho para futuros desenvolvimentos na teoria atômica e lançaram as bases para modelos mais sofisticados para explicar a organização e o comportamento dos elétrons nos átomos.
4. Modelo de Rutherford (1911)
No modelo de Rutherford, conhecido como modelo "planetário" ou "núcleo", Ernest Rutherford disse que os átomos eram facilmente transponíveis por cargas elétricas. Seu modelo definia o átomo como um núcleo pesado, carregado positivamente, com elétrons girando em torno dele, de modo que a maior parte do átomo era composta de espaço vazio.
O modelo atômico de Rutherford marcou um avanço crucial na compreensão da estrutura atômica no início do século XX. Os principais aspectos desse modelo são detalhados a seguir:
Experimentar
Rutherford e sua equipe realizaram um experimento no qual atiraram partículas alfa (núcleos de hélio) em uma fina folha de ouro. Eles esperavam que as partículas passassem pela folha com pouca deflexão devido à crença comum na época de que os átomos eram principalmente espaços vazios.
Descoberta do núcleo atômico
No entanto, o resultado foi surpreendente: algumas partículas alfa se desviaram significativamente e até se recuperaram. Rutherford concluiu que isso só poderia ser explicado se os átomos contivessem um núcleo pequeno, denso e carregado positivamente em seu centro, que concentrasse a maior parte da massa do átomo.
Espaço vazio no átomo
Com base em seu experimento, Rutherford também chegou à conclusão de que a maior parte do átomo consistia em espaço vazio, já que a maioria das partículas alfa passava pela folha de ouro sem desviar.
Embora o modelo atômico de Rutherford introduzisse o conceito de um núcleo central, ele não oferecia uma explicação detalhada de como os elétrons eram organizados em torno do núcleo. Devido às forças elétricas entre as cargas opostas, os elétrons deveriam ter colapsado no núcleo de acordo com as leis eletromagnéticas clássicas.
Importância do modelo atômico
Apesar de suas limitações, o modelo de Rutherford foi um marco importante. Ele introduziu a noção de que os átomos tinham um núcleo denso e carregado positivamente em seu centro, o que resolveu algumas das questões levantadas pelos modelos anteriores.
Além disso, esse modelo abriu caminho para desenvolvimentos posteriores na teoria atômica, como o Modelo Atômico de Bohr.
5. Modelo atômico de Niels Bohr (1913)
O modelo do átomo de Bohr foi uma modificação do modelo de Rutherford: o átomo é como “um sistema solar microscópico” no qual os elétrons orbitam o núcleo. Bohr assumiu que os elétrons se moviam em órbitas circulares ao redor do núcleo.
O modelo atômico proposto por Niels Bohr no início do século 20 foi um avanço significativo na compreensão da estrutura atômica e da natureza das órbitas eletrônicas.
Níveis de energia discretos
Bohr postulou que os elétrons em um átomo se movem em órbitas discretas e quantizadas ao redor do núcleo, em vez de movimentos contínuos. Cada órbita correspondia a um nível de energia específico para os elétrons.
Os elétrons não podiam ter energias intermediárias, o que dava origem à estabilidade dos átomos.
Absorção e emissão de energia
De acordo com o modelo atômico de Bohr, os elétrons podem absorver ou emitir energia na forma de quanta (pacotes discretos de energia) quando se movem entre diferentes níveis de energia.
Quando um elétron absorveu energia, saltou para um nível de energia mais alto; quando emitia energia, voltava a um nível de energia mais baixo.
Espectro atômico
Uma das principais conquistas desse modelo foi a explicação dos espectros de emissão e absorção dos átomos. Os espectros eram linhas claras ou escuras na luz emitida ou absorvida pelos átomos. Bohr foi capaz de relacionar as mudanças nos níveis de energia dos elétrons com as linhas específicas do espectro.
Modelo limitado a átomos simples
Embora o Modelo Atômico de Bohr tenha conseguido explicar certos aspectos dos espectros atômicos e fornecer uma descrição quantitativa da estrutura eletrônica, era aplicável principalmente a átomos simples com um elétron, como o hidrogênio. Ele tinha dificuldade em explicar átomos e sistemas mais complexos com múltiplos elétrons.
Transições e constante de Planck
Bohr introduziu a ideia de que os elétrons só poderiam existir em certos estados discretos de energia, que estavam relacionados à constante de Planck. Isso lançou as bases para a formulação subsequente da teoria quântica.
Importância do modelo
Embora o modelo atômico de Bohr tenha sido substituído por desenvolvimentos posteriores na teoria quântica, seus conceitos de níveis de energia quantizados e transições eletrônicas forneceram uma abordagem crucial para a compreensão da estrutura e do comportamento dos átomos. Seu trabalho abriu caminho para a evolução da mecânica quântica e representou um passo essencial na compreensão moderna da física atômica.
6. Modelo Atômico de Schrödinger (1926)
O modelo de Schrödinger do átomo, também conhecido como mecânica quântica, é uma estrutura teórica que descreve o comportamento de partículas subatômicas, como elétrons, em termos de probabilidade e ondas.
Foi desenvolvido pelo físico austríaco Erwin Schrödinger na década de 1920 e revolucionou nossa compreensão da estrutura atômica e das propriedades das partículas subatômicas.
Descrição probabilística
Ao contrário dos modelos anteriores que descreviam a posição e o movimento das partículas de forma determinística, o Modelo Atômico de Schrödinger introduz a ideia de que as partículas subatômicas, como os elétrons, não possuem trajetórias definidas, mas são descritas por funções de onda que representam a probabilidade de encontrá-los em diferentes posições.
Equação de Schrodinger
A base do modelo é a equação de Schrödinger, uma equação matemática fundamental que descreve como a função de onda de uma partícula muda ao longo do tempo em um determinado campo de força, como o campo elétrico criado pelo núcleo de um átomo.
Resolver esta equação nos permite obter informações sobre as propriedades da partícula, como sua energia e sua distribuição espacial.
Orbitais e funções de onda
No contexto dos átomos, as funções de onda são conhecidas como orbitais. Orbitais são regiões do espaço onde há uma alta probabilidade de encontrar um elétron. Os diferentes tipos de orbitais (s, p, d, f) têm formas características e distribuições de probabilidade, que determinam como os elétrons se organizam em torno do núcleo.
Princípio da incerteza de Heisenberg
O modelo de Schrödinger introduziu o princípio da incerteza de Heisenberg, que afirma que existem limitações fundamentais para medir simultaneamente com precisão a posição e o momento (ou velocidade) de uma partícula.
Quanto mais precisamente a posição de uma partícula é conhecida, menos precisamente seu momento pode ser conhecido e vice-versa.
Evolução da teoria quântica
O Modelo Atômico de Schrödinger e a mecânica quântica em geral levaram a uma mudança fundamental na maneira como entendemos a natureza subatômica do mundo. A teoria quântica se aplica não apenas à física atômica, mas também a áreas como física de partículas, química quântica e eletrônica.
7. Modelo atômico atual (1926)
O atual modelo atômico, baseado na teoria quântica, é uma descrição complexa e precisa da estrutura e comportamento dos átomos e partículas subatômicas. É derivado da mecânica quântica, que é uma teoria fundamental da física que descreve o comportamento das partículas em escalas subatômicas.
O atual modelo atômico é resultado das contribuições de vários cientistas ao longo do século XX. Seu desenvolvimento não pode ser atribuído a uma única pessoa, pois foi resultado da colaboração e avanços cumulativos de muitos cientistas no campo da física teórica e experimental.
Os trabalhos de cientistas como Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac, Richard Feynman e muitos outros, contribuíram significativamente para a formulação dos princípios e conceitos que formam a base do atual modelo atômico e teoria quântica em geral.
Partículas fundamentais
O modelo atômico atual reconhece várias partículas subatômicas fundamentais, como elétrons, prótons e nêutrons, que compõem a matéria. Além disso, existem outras partículas mais exóticas, como quarks e léptons, que constituem os blocos de construção mais básicos da matéria.
Núcleo atômico
O núcleo atômico é composto de prótons (carregados positivamente) e nêutrons (sem carga elétrica). Os prótons e nêutrons são mantidos juntos pela força nuclear, que é uma forte interação que mantém o núcleo coeso apesar das forças de repulsão elétrica entre os prótons.
Elétrons e orbitais
Os elétrons, que são carregados negativamente, são distribuídos ao redor do núcleo em regiões de alta probabilidade chamadas orbitais ou nuvens de elétrons. Cada orbital tem um conjunto específico de números quânticos que descrevem suas características, como forma, energia e orientação.
Princípio da incerteza de Heisenberg
A teoria quântica introduziu o princípio da incerteza de Heisenberg, que afirma que existem limites fundamentais para a precisão com a qual podemos medir simultaneamente a posição e o momento (ou velocidade) de uma partícula. Isso reflete a natureza probabilística e ondulatória das partículas subatômicas.
Teoria quântica de campos
A teoria quântica atual é baseada na teoria quântica de campos, que unifica partículas e interações em uma estrutura coerente. Ele descreve como as partículas interagem através de campos quânticos e como essas interações dão origem a fenômenos físicos.