terça-feira, 9 de agosto de 2011

Introdução


Cada substância no universo, rochas, mar, ser humano, os planetas e até mesmo as mais distantes estrelas são inteiramente feitos de partículas minúsculas chamadas átomos, que são pequenos demais para serem fotografados.
Essas pequenas partículas são estudadas na Química (ciência que cresceu na meia-idade) e na Física.
Para entender a complexidade desses átomos, diversos cientistas, como Rutherford, Dalton, Bohr e Thomson, articularam várias teorias. No século XIX, as diferentes leis de combinação e a tabela periódica dos elementos, criada em 1871, reforçaram o estudo da constituição dos átomos.
Após séculos de estudos sobre a interpretação da composição, propriedades, estruturas e transformações destas minúsculas partículas, chegou ao modelo que conhecemos hoje.

História dos Modelos Atômicos

       Na antiguidade acreditava-se que dividindo a matéria em pedaços cada vez menores, chegar-se-ia a um ponto onde partículas, cada vez menores, seriam invisíveis ao olho humano e, segundo alguns pensadores, indivisíveis. Graças a essa propriedade, receberam o nome de átomos, termo que significa indivisíveis, em grego. Foi quando surgiu entre os filósofos gregos o termo atomismo.
       Parmênides propôs a teoria da unidade e imutabilidade do ser, esta, estava em constante mutação através dos postulados de Heráclito.
       O atomismo foi a teoria cujas intuições mais se aproximaram das modernas concepções científicas sobre o modelo atômico.

Modelo de Dalton


Em 1808, John Dalton, um professor inglês, propôs a idéia de que as propriedades da matéria podem ser explicadas em termos de comportamento de partículas finitas, unitárias. Propôs que o átomo seria como "uma bola de bilhar".



O modelo de Dalton baseava-se nas seguintes hipóteses:
- Tudo que existe na natureza é composto por diminutas partículas denominadasátomos.
- Os átomos são indivisíveis e indestrutíveis;
- Existe um número pequeno de elementos químicos diferentes na natureza;
- Reunindo átomos iguais ou diferentes nas variadas proporções, podemos formar todas as matérias do universo conhecidos;
Para Dalton o átomo era um sistema contínuo.
Apesar de um modelo simples, Dalton deu um grande passo na elaboração de um modelo atômico, pois foi o que instigou na busca por algumas respostas e proposição de futuros modelos.

As principais informações da Teoria Atômica de Dalton são:
  • a matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos;
  • os átomos são esferas maciças, indestrutíveis e intransformáveis;
  • átomos que apresentam mesmas propriedades (tamanho, massa e forma) constituem um elemento químico;
  • átomos de elementos diferentes possuem propriedades diferentes;
  • os átomos podem se unir entre si formando "átomos compostos";

Modelo de Thomson


         O modelo atômico de Thomson (também conhecido como modelo do pudim de passas ou ainda como modelo do bolo de ameixa) é uma teoria sobre a estrutura atômica proposta por Joseph John Thomson, descobridor do elétron e da relaçao entre a carga e a massa do elétron, antes do descobrimento do próton ou do neutron.
         Os elétrons podiam ser considerados como constituintes básicos dos átomos.
     No modelo de J. J. Thomson, proposto em 1904, o átomo era considerado como um tipo de fluido com uma distribuição esférica contínua de carga positiva onde se incrustavam um certo número de elétrons, com carga negativa, o suficiente para neutralizar a carga positiva.

        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 ( para um melhor entendimento sobre essa teoria acesse ), não pode existir qualquer configuração estável num sistema de partículas carregadas se a única interação entre elas é de caráter eletromagnético.
         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 freqüências 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 freqüências esperadas.
        De qualquer modo, o modelo de Thomson foi abandonado principalmente devido aos resultados do experimento de Rutherford.

Modelo de Rutherford


 O modelo atômico de Rutherford, também conhecido como modelo planetário do átomo, é uma teoria sobre a estrutura do átomo proposta pelo físico neozelandês Ernest Rutherford.
           Segundo esta teoria, o átomo teria um núcleo positivo, que seria muito pequeno em relação ao todo mas teria grande massa e, ao redor deste, os elétrons, que descreveriam órbitas circulares em altas velocidades, para não serem atraídos e caírem sobre o núcleo.
          A eletrosfera - local onde se situam os elétrons - seria cerca de dez mil vezes maior do que o núcleo atômico, e entre eles haveria um espaço vazio.

         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.
            Esta falha foi corrigida pelo Modelo atômico de Bohr

Modelo de Bohr


    Bohr começou por presumir que os elétrons em órbita não descreviam movimento em espiral em direção ao núcleo. Isto contradizia tudo que se conhecia de eletricidade e magnetismo, mas adaptava-se ao modo pelo qual as coisas aconteciam.

       Nesta ocasião Bohr determinou suas duas leis para o que realmente ocorre.

Primeira Lei: os elétrons podem girar em órbita somente a determinadas distâncias permitidas do núcleo.

       Este é um comportamento muito diferente daquele dos objetos que nos cercam. Suponha que uma bola arremessada de uma sala só pudesse seguir 2 ou 3 trajetos determinados, em vez das centenas de trajetos diferentes que ela realmente pode seguir. Seria como se a sala tivesse trajetos invisíveis orientando a bola. Assim, a lei de Bohr afirma que os elétrons agem como se o espaço ao redor do núcleo atômico possuísse trajetos invisíveis. Mas Bohr não deu justificativa para esta estranha situação.

Segunda Lei: um átomo irradia energia quando um elétron salta de uma órbita de maior energia para uma de menor energia.

       Além disso, um átomo absorve energia quando um elétron é deslocado de uma órbita de menor energia para uma órbita de maior energia.
Em outras palavras, os elétrons saltam de uma órbita permitida para outra à medida que os átomos irradiam ou absorve energia. As órbitas externas do átomo possuem mais energia do que as órbitas internas. Por conseguinte, se um elétron salta da órbita 2 para a órbita 1, há emissão de luz, por outro lado, se luz de energia adequada atingir o átomo, esta é capaz de impelir um elétron da órbita 1 para a órbita 2. Neste processo, a luz é absorvida.




A linha vermelha no espectro atômico é causada por elétrons saltando da terceira órbita para a segunda órbita.









A linha verde-azulada no espectro atômico é causada por elétrons saltando da quarta órbita para a segunda órbita.









A linha azul no espectro atômico é causada por elétrons saltando da quinta órbita para a segunda órbita.










A linha violeta mais brilhante no espectro atômico é causada por elétrons saltando da sexta órbita para a segunda órbita.

        É interessante notar que os comprimentos de onda da luz encontrada no espectro do hidrogênio corresponde à diferentes órbitas. (O comprimento de onda guarda relação com a energia. Os menores comprimentos de onda de luz significam vibrações mais rápidas e maior energia). Por exemplo, a linha verde-azulada no espectro linear do hidrogênio é causada por elétrons que saltam da Quarta órbita para a Segunda órbita. A figura mostra como cada linha no espectro resulta de um determinado salto de elétrons

Erwin Schrödinger, Louis Victor de Broglie e Werner Heisenberg


Erwin Schrödinger, Louis Victor de Broglie e Werner Heisenberg reuniram os conhecimentos de seus antecessores e desenvolveram uma nova teoria do modelo atômico, e postularam uma nova visão, chamada de Mecânica Ondulatória.Fundamentada na hipótese  de que todo elétrons pode comportar-se como onda e partícula, Heisenberg, em 1925, postulou o Princípio da Incerteza.

                O átomo deixou de ser indivisível como acreditavam filósofos gregos antigos e Dalton. O modelo atômico portanto, passou a se constituir na verdade, de uma estrutura mais complexa.

                 Para Schrodinger, o elétron descreve órbita elípitica.

Modelo de James Chadwick



A descoberta da terceira patícula fundamental fora feita pelo físico britânico Chadwick em 1932, resolvendo os problemas de radiação alfa encontrados no modelo atômico de Rutherford. A descoberta de tal partícula, conhecida como nêutron, foi de extrema dificuldade pois faltava partícula de carga elétrica. Concluiu-se:

                

·         Átomos consistem de núcleos muito pequenos e extremamente denso, rodeado por uma nuvem (eletrosfera) de elétrons a distâncias relativamente grandes dos núcleos.


·         Todo núcleo de um atómo contém protóns e nêutrons.



O Atual Modelo Atômico


 

          

         O modelo atômico atual é um modelo matemático-probabilístico que se baseia em dois princípios:

          I.   Princípio da Incerteza de Heisenberg: é impossível determinar com precisão a posição e a velocidade de um elétron num mesmo instante;

         II.   Princípio da Dualidade da Matéria de Louis de Broglie: o elétron apresenta característica DUAL, ou seja, comporta-se como matéria e energia sendo uma particula-onda


O modelo atômico atual aceita tais princípios:                      

·         Elétrons possuem carga negativa, massa muito  pequena e se movem em órbitras ao redor do núcleo atômico;

·         O núcleo atômico está situado no centro do átomo, sendo constituído por prótons que são partículas de carga elétrica positiva, cuja massa é de aproximadamente 1.837vezes superio a massa do eletrón, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior a dos protóns;

·         O átomo é eletricamente neutro porque possui número igual de elétrons e protóns;

·         O número de protóns no átomo se chama número atômico, representado pela letra Z e utilizado para estabelecer o lugar de um determinado elemento na tabela periódica.

·         A tabela periódica é uma ordenação sistemática dos elementos químicos conhecidos;

·         Cada elemento possui um número de elétrons distribuidos nos diferentes níveis de energia do átomo correspondente;

·         Os níveis energéticos (ou camadas), são denominados pelos símbolos K, L, M, N, O, P e Q;

·         A camada mais próxima do núcleo (K) comporta somente dois elétrons. As camadas L e Q comportam oito elétrons. As camadas M e P comportam dezoito elétrons. E por fim, as camadas N e O comportam trinta e dois elétrons.

·         Os elétrons da última camada são responsáveis pelo comportamento químico do elemento e por isso são denominados de Elétrons de Valência;

·         O número de massa (representado pela letra A) é equivaletne à soma do número de protóns e nêutrons presentes no núcleo;

    • Calculando: A= Z + N ou N = A - Z
      • Sendo:
      • A: Massa
      • Z: Número Atômico ou Número de Prótons
      • N: Número de Neutróns


  • Exemplo: O elemento Cálcio tem 20 prótons, sua massa é de 90g, qual será o número de nêutrons?
Usando a fórmula temos: 90 = 20 + N. Logo, N tem valor de 70. Conclui-se que o número de nêutrons neste elemento é setenta.

Partícula subatômica


As partículas elementares da matéria, também chamadas de partículas subatômicas, são as menores porções de matéria-energia conhecidas.O termo partícula deriva do latim particula e significa parte muito pequena, ou corpúsculo.

Esses minúsculos elementos estão na base de tudo o que existe no Universo, sendo atualmente entendidos como estados da matéria e energia.
Incluem-se nesta classe os léptons; os mésons; os bárions; o fóton, os bósons W e Z e as respectivas antipartículas.

Cinco Novas Partículas Subatômicas
Cinco novas partículas subatômicas foram descobertas por uma equipa de físicos, coordenada pelos físicos Eef Van Beveren, da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra (FCTUC) e George Rupp, do Instituto Superior Técnico (IST). Trata-se de uma descoberta essencial para um melhor conhecimento e compreensão dos mecanismos básicos da matéria do Universo.
Para se perceber um pouco como esta equipa de físicos descortinou as cinco novas partículas enigmáticas do espectro de charmónio, Eef Van Beveren explica: “o grupo Belle (um consórcio internacional de investigadores responsáveis por experiências no acelerador de partículas KEK, no Japão) analisou a produção de pares de partículas lambda e a sua antipartícula. Estamos a falar de milhões de choques por segundo, cujo registo é enviado para computadores. Nós pegamos os dados publicados pelo grupo Belle e avançamos para a tarefa de analisá-los, interpretá-los e perceber o que eles descrevem. Utilizamos o nosso modelo matemático que permite perceber e explicar os registros das experiências”.




1. Fótons
Hoje sabemos que a luz é composta por diminutas partículas, chamadas de fótons.
Sempre que você estiver em contato com a luz (do Sol, das estrelas, da lâmpada elétrica etc.), você estará em contato com essas partículas elementares. Isso porque, a luz é composta por essas diminutas partículas.
Max Planck propôs com sucesso que um corpo ao absorver ou emitir energia, o mesmo faz de forma descontínua, entre outras palavras, na forma de pacotes unitários de energia (fótons). Toda radiação possui fótons com uma energia própria (específica), sendo o fator responsável por essa diferenciação a sua frequência. Assim, obviamente o fóton da luz azul é diferente do da luz verde.

Propriedades dos fótons
Ø  Não tem massa (única partícula elementar encontrada livre no Universo sem massa);
Ø  Têm energia devido a sua grande quantidade de movimento;
Ø  Não interage gravitacionalmente (ou seja, passa próximo dos corpos massivos sem se desviar);
Ø  Não tem carga, logo, não se atrai ou se repeli por irmãs ou objetos eletrizados;
Ø  Viaja muito rápido (c= 300.000 km/s);
Ø  Tem velocidade limite;
Ø  Sua velocidade é absoluta (ou seja, a velocidade não depende da referencia)
Ø  Clidem e interagem de uma maneira análoga às demais partículas. É isso que, afinal, justifica a classificação dos fótons como partículas.

Energia de um fóton
A energia de um fóton pode ser dada pela equação:


onde: h: é a constante de Planck( 6.6260755.10^-34 Js)
       E: Energia de um Fóton     
       f: frequência.

Teoria dos Fótons
A Teoria dos Fótons parte da idéia inicial de que quando um elétron é excitado, o mesmo é levado a um nível de energia superior e quando retorna ao seu estado fundamental (estado de mais baixa energia) ele emite luz, por razões da primeira energia de ionização, um experimento muito famoso que demonstra tudo isso é o Experimento de Ensaio de Chama, onde elementos são aquecidos sob a chama do Bico de Bunsen e demonstram suas cores características, por exemplo em um espectro descontínuo (na utilização de um espectroscópio).

Colisões entre um Fóton e outra Partícula
A colisão entre um fóton e outras partículas ocorre com muita freqüência no nosso mundo físico. Para essas colisões valem as mesmas regras das colisões usuais, no sentido da conservação da energia e da quantidade do movimento. Um dos efeitos mais notáveis é o Efeito Compton (ocorre colisão elástica). Nesse efeito o resultado que se observa é a colisão de um fóton com um elétron em repouso (vide figura ao lado).
Dependendo da energia do fóton e do sistema com o qual ele colide, podemos ter um número muito grande de possibilidades:
a.       Uma possibilidade é o fóton ser absorvido no processo de colisão. Nesse caso, sua energia e quantidade de movimento são integralmente transferidas para a outra partícula;
b.      Se o fóton tiver uma energia muito alta (maior do que duas vezes a energia de repouso do elétron) pode desaparecer e produzir duas partículas (o elétron e a sua antipartícula, o pósitron). A esse processo damos o nome de produção de pares;
c.       Se sua energia for extremamente alta, ele pode arrebentar um próton em vários pedaços, produzindo uma gama muito grande de partículas (vide figura ao lado).

Curiosidades:
Ø  Como o fóton viaja sem interação, quer seja eletromagneticamente ou gravitacionalmente, pode-se prever que o fóton não se desvia do seu caminho enquanto viaja. Ele deve, portanto, propagar-se em linha reta. Como a luz é composta por fótons, podemos agora afirmar: A luz se propaga em linha reta;
Ø  A propriedade da velocidade limite segue a Teoria da Relatividade Especial de Einstein. O fato de a velocidade da luz ser a velocidade limite significa que não existe na natureza nenhum objeto cuja velocidade exceda a velocidade da luz. Portanto, deve seguir daí que o fóton detém o recorde universal de velocidade;
Ø  Se você quiser enviar uma mensagem até a estrela mais próxima (uma das de Alfa de Centauro), o tempo mínimo para o envio da mensagem e o recebimento da resposta é de 8,6 anos. Para as estrelas mais longínquas seria de milhões ou bilhões de anos (é melhor esquecer a mensagem). De qualquer forma, isso é apenas para lembrar que, ao receber a luz de uma estrela aqui na Terra hoje, essa luz foi produzida (na estrela) há muitos anos atrás. Hoje, provavelmente a estrela até mesmo já tenha se apagado e, com certeza, não está exatamente no ponto em que parece estar, pois durante o tempo da viagem a estrela se movimentou;
Ø  Fótons são, de longe, as partículas mais abundantes no Universo. Estima-se que para cada próton (ou elétron) no Universo existem bilhões de fótons.
Novas Descobertas:


Se um grupo de físicos americanos estiver certo, a humanidade acaba de topar com uma nova partícula fundamental – uma peça essencial do quebra-cabeças da matéria que, até agora, tinha passado despercebida. A possibilidade vem de dados obtidos pelo Tevatron, acelerador de partículas que fica em Batvaia, Illinois (meio-oeste dos EUA). Os físicos que avaliaram os dados trabalham no Fermilab, instituição onde o superacelerador está instalado. O trabalho deste tipo de máquina é promover trombadas de partículas em níveis de energia altíssimos. No cado do Tevatron, as trombadas envolvem prótons (componentes do núcleo dos átomos com carga elétrica positiva) e antiprotons (“gêmeos” dos prótons com carga invertida, negativa).
Quando a pancada de partículas acontece, os prótons e antiprotons originais são aniquilados, e o que sobra são jatos altamente energéticos dos componentes menores dessas partículas. É mais ou menos como jogar um computador no chão com força suficiente para que as peças se soltem. Depois, examinando as peças, tenta-se entender como ele estava montado e como funcionava. Só que, no experimento coordenado pelo físico Giovanni Punzi, havia uma peça completamente inesperada. Os cientistas já conhecem um zoológico de partículas fundamentais, mas nenhuma bate com a energia dos jatos observados nos testes. Então, que diabos seria aquilo? Um candidato é o misterioso bóson de Higgs, partícula prevista teoricamente mas nunca achada que daria massa (o que chamamos popularmente de “peso”) a outras particuloas. Punzi e companhia não apostam nessa hipótese. “Mas a massa do que eles viram até poderia ser compatível com o Higgs”, avalia Ronald Shellard do CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas), no Rio de Janeiro.