Painel 7 - A estrutura atômica e as técnicas laboratoriais

Uma das descobertas essenciais para a teoria atômica da matéria foi a da radioatividade. Radioatividade é a propriedade que alguns elementos químicos possuem de emitir partículas e radiações. Este fato fez os cientistas pensarem em divisibilidade do átomo e em natureza elétrica da matéria.

Tecnicas para detecção de radioatividade.
Tecnicas para detecção de radioatividade.

O átomo foi descoberto laboratorialmente de uma maneira fortuita:

1° - A descoberta do Raio X

No fim da tarde de 8 de novembro de 1895, quando todos haviam encerrado a jornada de trabalho, o físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) continuava no seu pequeno laboratório, sob os olhares atentos do seu servente. Enquanto Roentgen, naquela sala escura, se ocupava com a observação da condução de eletricidade através de um tubo de Crookes, o servente, em alto estado de excitação, chamou-lhe a atenção: "Professor, olhe a tela!..."


2° - A descoberta da radioatividade

Costuma-se dizer que esse fenômeno foi descoberto, acidentalmente, por Henri Becquerel, em 1896. Tudo aconteceu porque Henri Becquerel guardou, em uma gaveta, um composto de urânio juntamente com uma chapa fotográfica, havendo depois revelado a chapa e notado nela os sinais da radiação...”

 

Ler mais:

Textos para leitura

 

Tópico 1 - O conceito atual de átomo

Hoje, sabemos que “o átomo é um sistema formado por um núcleo central, onde se concentra toda a massa do átomo, carregado com carga positiva e de raio extremamente pequeno em relação ao átomo. Este núcleo é envolvido por uma nuvem de elétrons (eletrosfera) que neutraliza a carga positiva do núcleo”.

  Rutherford, 1908

 

Leia mais:

http://www.jornallivre.com.br/26859/qual-a-definicao-de-atomo-.html

 

Mas... como teria Rutherford e os pesquisadores que o antecederam deduzido as noções dos componentes do átomo: prótons, nêutrons e elétrons.

O mundo subatômico e a eletricidade

Casal Curie no laboratório.
Casal Curie no laboratório.

> Método experimental e técnicas laboratoriais

É comum em ciências, através do método experimental e por técnicas laboratoriais, deduzirmos algo através de observações indiretas partindo do efeito obtido para chegar à causa possível ou provável de um fenômeno.

 

> Meios de medição ou caracterização por constantes físicas

Num segundo momento, por observações diretas de medição ou de caracterização através das constantes físicas, conseguir comprovar nossa hipótese originalmente deduzida de um experimento.


Foi destas formas que os cientistas chegaram a deduzir os componentes do átomo, no final do século XIX e início do século XX.

 

Tópico 2 - A descoberta dos elétrons

Gráfico de Eledtrocardiograma.
Gráfico de Eledtrocardiograma.

> A importância da eletricidade

Com a eletricidade muitas experiências abriram novos campos de pesquisa aos químicos ao longo do século XIX e, especialmente, no século XX.

 

A ideia de moléculas como sistemas – sólidos, líquidos ou gasosos – e a capacidade laboratorial da época, fez com que uma série de experiências com sistemas gasosos foi fundamental para a dedução dos componentes dos átomos.

 

> Descoberta da estrutura do átomo através de gases em baixa pressão

Sabia-se que os gases eram maus condutores de eletricidade, podendo a eletricidade ser conduzida num meio gasoso, através dos gases em baixa pressão, num sistema fechado.


Esta descoberta facilitou em muito o desvendamento da estrutura íntima do átomo, tão conhecida hoje: elétrons, prótons e nêutrons. 

 

Já se observara que certas soluções deixavam passar a corrente elétrica e outras não. Quando não passa corrente elétrica na solução esta deve ser eletricamente neutra. Quando há passagem de corrente elétrica é porque na matéria preponderarão em ânions ( - ) ou cátions (+).

Ampola de Crookes
Ampola de Crookes

Passo a passo a descoberta dos elétrons

 

Vamos seguir passo a passo as experiências, tendo em mente que os cientistas sabiam que tudo na natureza tem massa e que certas substâncias são radioativas – emitem partículas.

 

  • Faraday, em 1833 - realizara experiências em que obtivera metais puros através da eletrólise, mergulhando metais impuros em uma solução aquosa.

 

  • Geisssler e Plucker, em 1859 - já haviam obtido, através de uma ampola semelhante à ampola de Crookes, a passagem de corrente elétrica em baixa pressão e o surgimento de uma luz esverdeada.

 

  • Crookes, em 1865 - criou a ampola de Crookes e a melhoria da experiência e a percepção dos raios catódicos, uma vez que os raios partiam do cátodo e provocavam fluorescência na parede oposta ao cátodo.

 

Ampola de Crookes, experiência de Rutherford e muito mais...

Esquema da ampola de Crookes.
Esquema da ampola de Crookes.

> Vamos conhecer a experiência da ampola de Crookes

Em 1865, William Crookes utilizou uma ampola de vidro e montou uma experiência com as seguintes características:

  1. Dois pólos, um negativo (cátodo) e um positivo (ânodo), num tubo de vidro, através do qual circularia a tensão elétrica, do cátodo para o ânodo.

  2. Um ponto para retirada do ar através de uma bomba de vácuo, capaz de reduzir deste modo a pressão a milésimos da pressão atmosférica, fazendo com que a corrente elétrica passasse entre o cátodo e o ânodo, através dos gases, com o aumento da tensão elétrica.

  3. A partir desta experiência, há a produção de fenômenos luminosos que passaram a ser analisados e que fazem a parede do tubo se tornar fluorescente.

 

A conclusão de Crookes

Um dos principais caminhos para conhecimento das propriedades elétricas da matéria foi a descarga elétrica nos gases. Quando se produz uma descarga elétrica no interior de uma ampola com gás à baixa pressão temos o aparecimento de uma luz parecida com néon. São os raios catódicos.

A partir da observação feita com todos os gases possíveis no interior do tubo, obtendo-se sempre a mesma fluorescência, Crookes pôde concluir que:

  • os raios catódicos se propagavam em linha reta;

  • tinham massa e carga negativa;

  • e estavam presentes em todos os tipos de átomos.

 

> Os raios catódicos revelaram os elétrons

Que raios eram estes, em que consistiam, quais suas propriedades?


 

Thompson e Rutherford- os elétrons

Mais tarde, em 1897, dois cientistas, Joseph John Thompson e Ernest Rutherford, verificaram que a carga elétrica (q) e a massa (m) formavam uma relação(q/m) que se apresentava como uma constante.

 

Estas partículas foram então chamadas de elétrons, um dos constituintes do átomo.

 

Tópico 3 - A descoberta dos prótons, raios anódicos ou raios canais

Quais seriam os outros componentes do átomo, já que , em estado normal, a matéria é eletricamente neutra. Se não fosse, daria choque. Ficava evidente, pelo menos em teoria, que, se o átomo era um sistema neutro, devia haver, por exclusão, uma carga positiva que, junto à carga negativa, o elétron, tornaria o átomo neutro.

Experiência de Goldstein
Experiência de Goldstein

Uso de catodo na ampola de Crookes - elétrons

Uma experiência feita com um cátodo perfurado na ampola de Crookes fez com que fossem observados dois pontos de luminosidade, um em cada extremidade da ampola. Na extremidade oposta ao cátodo, a luminosidade provocada pelos elétrons, os raios catódicos, aparece normalmente.

 

Sugestão de partículas positivas

Na extremidade atrás do cátodo perfurado havia a formação de pontos luminosos provenientes de radiações que passavam pelos furos no cátodo, o pólo negativo.

 

Havia a sugestão, portanto, que tais radiações fossem formadas por partículas positivas. Tais radiações foram chamadas de raios canais.

 

Que raios eram estes, em que consistiam, quais suas propriedades?

Os raios anódicos - Prótons 

 

Descoberta do próton (Eugen Goldstein) e muito mais.

Os raios canais foram explicados como sendo íons formados pela colisão dos elétrons provenientes do cátodo com as moléculas do gás no interior do tubo.

 

Estes íons positivos seriam repelidos pelo ânodo (pólo positivo) e se chocariam com o cátodo sendo neutralizados, já que o cátodo é negativo.

 

Alguns íons passariam pelos orifícios e provocariam as estrias e pontos luminosos na extremidade da ampola atrás do cátodo. Estes íons foram, então, chamados de prótons.

 

Ampola de Godstein - esquema.
Ampola de Godstein - esquema.

Tópico 4 - A descoberta dos nêutrons

A partir destas experiências os cientistas comprovaram a existência dos elétrons (ânions) e prótons (cátions). Com a descoberta de elétrons, prótons e, posteriormente, nêutrons, o átomo deixa de ser a menor partícula de matéria, sendo esta a base do aprofundamento da estrutura atômica da matéria.

Os modelos atômicos e sua evolução.
Os modelos atômicos e sua evolução.

Diversos outros conceitos foram desenvolvidos

  • Qual seria a conformação do átomo?

  • Uma esfera maciça, como supunha Dalton?

  • Uma esfera positiva com incrustações negativas, como supunha outro cientista de nome Thompson?

 

  • Não, não era mais possível, pois a experiência com materiais radioativos já encaminhava o modelo atômico para uma nova concepção descrita por dois cientistas em 1911: Hans Geiger e Ernest Rutherford.

 

Comparação entre massa do gás e massa de seus componentes

Os cientistas usavam gases devidamente identificados nesta experiência. Sabiam que os elétrons e os prótons tinham uma determinada massa em relação à massa do gás disponível.

 

A que conclusões chegavam?

A soma das massas dos elétrons e dos prótons não correspondia à massa dos átomos disponíveis, havendo, portanto, a possibilidade de uma partícula com massa, mas sem carga elétrica no átomo.

 

Modelo nuclear do átomo

Outras experiências com material radioativo começaram a configurar o modelo nuclear de átomo.

 

A partir das radiações de raios X, os cientistas identificaram os raios alfa como núcleos (neutrinos) mais prótons, os raios beta como os elétrons, obtidos pela desintegração de nêutrons e identificaram uma terceira espécie de radiação, os raios gama sem carga elétrica.

 

Desta forma os átomos deixaram de ser a menor parte da matéria. Os problemas ainda eram, qual a estrutura do átomo – maciço ou eletricamente em equilíbrio, apresentando espaços vazios momentaneamente – que elementos formavam o átomo? Como caracterizá-los?

 

Mas isto é outra aula...

 

 

Estrutura atômica - NASA
Estrutura atômica - NASA

Exercício-modelo 7



O átomo é um sistema formado por um núcleo central, onde se concentra toda a massa do átomo, carregado com carga positiva e de raio extremamente pequeno em relação ao átomo. Este núcleo é envolvido por uma nuvem de elétrons (eletrosfera) que neutraliza a carga positiva do núcleo”.

Esta definição se deve a:

  1. Demócrito

  2. Dalton

  3. Lavoisier

  4. Proust

  5. Rutherford

 

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