O Átomo – Uma História Interminável – Nova Acrópole Portugal – Filosofia, Cultura, Voluntariado
O Átomo – Uma História Interminável
Necessário para explicar o comportamento da matéria, o estudo desta diminuta partícula que sofreu muitos contratempos na investigação científica …. e a sua história ainda continua.
A palavra átomo, escolhida para designar as pequenas unidades da matéria, etimologicamente, significa sem partes, embora com o passar do tempo se comprovasse que também era formado por diminutas partículas.
O estudo dos diminutos desdobramentos da matéria, tal como hoje a Ciência o considera, começou no início do século XIX, quando John Dalton argumentou que a matéria dos diversos compostos químicos se devia a agrupamentos de vários átomos diferentes, pertencentes a elementos diferentes e que intervinham nas mesmas proporções; chamou moléculas aos referidos agrupamentos de átomos. Eram assim as combinações de diferentes átomos que davam lugar à grande variedade de substâncias ou matérias; tal como, dois átomos de hidrogénio e um de oxigénio formam uma molécula de água.
«(…)A palavra átomo, escolhida para designar as pequenas unidades da matéria, etimologicamente, significa sem partes, embora com o passar do tempo se comprovasse que também era formado por diminutas partículas.(…)»
O átomo, ainda desconhecido, do qual só se possuíam modelos teóricos que teriam de ser comparados com a realidade, é a partir de então algo necessário para explicar o comportamento da matéria.
O modelo do átomo, apresentado por J.J. Thomson em 1984, propunha um equilíbrio de cargas eléctricas contrárias, pois considerava que, era composto por um núcleo carregado positivamente e onde se encontravam imersos eletrões de carga negativa, como se estivessem interligados na sua massa.
Por outro lado, o primeiro modelo baseado em comprovações experimentais, foi proposto em 1911 por Ernest Rutherford. Em experiências, com os impactos provocados pela emissão de partículas radioactivas contra uma fina lâmina de ouro, comprovou, que estas, várias vezes, conseguiam passar através da mesma, sendo que, na maioria das vezes, ricocheteavam em diversos ângulos. Ele demostrou, que estes recuos – semelhantes aos produzidos pelo choque das bolas de bilhar -, deviam ser causados por fortes repulsões eléctricas, mas também, por uma importante concentração de massa. Ficou demonstrado, então, a existência no átomo de uma região central densa, que foi denominada núcleo, carregada positivamente e cheia num espaço inferior a uma bilionésima parte de um centímetro.
Rutherford supôs além disso, a existência de umas partículas carregadas negativamente, chamadas electrões, que girariam formando órbitas à volta do núcleo; semelhante a um diminuto sistema planetário, originando assim um modelo electricamente estável e compensado; teria um raio que na maioria dos átomos não ultrapassaria a centésima milionésima parte de um centímetro.
Embora a matéria desse a aparência de densa continuidade, demonstrou-se que está mais próxima do espaço vazio, pois tem a sua massa apenas concentrada em certos pontos minúsculos e isolados. Porém, posso afirmar, que não se demonstrou com rigor a existência dos átomos até 1905, data em que A. Einstein realizava os seus estudos sobre o chamado movimento browniano. Foi então, quando, observando o movimento de certas partículas de pólen dissolvidas na água, compreendeu que as trajectórias irregulares que elas sofriam, se deviam aos choques que tinham com as invisíveis moléculas de água, tendo chegado a uma expressão matemática que reflectia fielmente o seu aparente comportamento caótico.
Mas até 1919, não se pode confirmar a existência de partículas de massa carregadas positivamente no núcleo dos átomos, aquelas que Rutherford chamara protões. Aconteceu somente em 1932, quando James Chadwick comprovou a existência no núcleo, de outras partículas, de massa semelhante ao protão, mas sem carga, às quais chamou neutrões.
Também se deduziu de modo experimental, que os electrões deviam estar bastante afastados do núcleo, e ter uma massa da ordem de uma milésima do protão, pois foi possível constatar, que o efeito da sua carga electroestática era maior que o da sua densidade.
Ficava demonstrado que, qualquer tipo de átomo se compunha das ditas partículas fundamentais; um número semelhante de neutrões (sem carga) e protões (carregados positivamente) concentrados no núcleo; e os electrões (com carga negativa) orbitando à volta do núcleo e submetidos à atracção electrostática dos protões.
«(…)O núcleo atómico é a parte central de um átomo, onde se concentra praticamente a totalidade da sua massa. É formado por protões e neutrões, por meio da interação nuclear forte. A quantidade de protões determina o elemento químico a que pertence.(…)»
Ordenaram-se então, os diferentes tipos de átomos de diversas substâncias, procurando reconhecer os seus componentes e encaixá-los numa tabela periódica. O átomo mais simples conhecido, comprovou-se ser o Hidrogénio, cujo núcleo acolhe um único protão à volta do qual orbita um só electrão.
Descobriram-se, além disso, outras combinações estáveis de protões e electrões que permitiram reconhecer os diversos elementos da dita tabela, juntamente com outros elementos instáveis, que por vezes tinham vida efémera, desintegrando-se lentamente ao emitir partículas radioativas.
«(…)Os núcleos atómicos com o mesmo número de protões, mas diferente número de neutrões, denominam-se isótopos.(…)»
Um átomo radioativo, como por exemplo o rádio ou o urânio, independentemente de, por radioatividade natural ou por excitação com energia externa, comprovou-se, que emitia para o exterior, em passos sucessivos, certas partículas (chamadas a, b e g), até se transformar num átomo mais estável, que precisara de menor energia para manter o seu estado de equilíbrio.
O modelo orbital
Não obstante, para explicar a aparente contradição, entre a estabilidade de certos átomos, que emitiam algumas radiações, o dinamarquês Bohr, em 1912, tinha introduzido uma nova matriz ao modelo de Rutherford, considerando que os electrões podiam encontrar-se em vários níveis permitidos, situados a distâncias variáveis em relação ao núcleo. Finalmente, comprovou-se, que estas distâncias concretas, que davam lugar a órbitas estáveis, eram uma característica de cada elemento químico, dado que, cada elemento tem um número de protões e eletrões concreto, e um equilíbrio de forças, atractivas ou repulsivas entre eles, o qual dá lugar, a um posicionamento determinado das camadas de eletrões, que compõem o seu modelo particular.
«(…)A crosta dos átomos é a sua parte mais externa e é formada por uma nuvem de electrões.(…)»
Segundo o dito modelo de Bohr, os electrões mais próximos ao núcleo, estariam então mais submetidos à sua atracção, sendo os das últimas camadas os mais livres. Então, os electrões podiam saltar de um nível inferior para outro superior, sempre que se lhes fornecesse a energia necessária para o fazerem, dado que, deve vencer-se a atracção que sobre eles exercem os protões do núcleo; por outro lado, quando passam de uma camada superior a outra inferior, emitirão uma quantidade semelhante de energia; em consequência, um átomo pode emitir luz (fotões) e outras radiações eletromagnéticas, e em vez disso, no caso anterior, absorverá luz.
Dado que, não há dois átomos que tenham o mesmo modelo orbital que descrevera Bohr, a emissão de radiações, dá-se, para cada um deles, em quantidades de energia e numa cor, que são características, e que, portanto, são como seu rasto táctil, que pode captar-se por um instrumento chamado espectroscópio. A título de exemplo, podemos dizer, que ao observar a luz emitida pelas estrelas, podem detectar-se os átomos que a compõem, ou melhor dito, que a compunham há milhões de anos luz, quando ela surgiu.
Sommerfeld, em 1915, forneceu a visão de umas órbitas electrónicas, que não tinham razão para serem só circulares, podendo ser também elípticas; e introduziu a ideia de que os electrões, além de girarem à volta do núcleo, giravam também sobre o seu próprio eixo, num movimento chamado de rotação. Segundo Pauli, cada nível permitido do átomo, ficaria completo com um número concreto de electrões, que o fazem estável (por exemplo, dois na primeira cobertura).
Quando um átomo tem as proteções externas incompletas, pode reativar com outro átomo para criar um novo composto químico, cedendo ou compartindo, mutuamente, entre ambos, átomos e alguns eletrões da última cobertura, chamados eletrões de valência, dando lugar com as suas ligações às moléculas.
O modelo ondulante
Com as novas ideias sobre o fenómeno onda-partícula expressas por De Broglie, que associava a toda partícula uma onda, bem como, o desenvolvimento da física quântica, em 1925, os físicos alemães Heisenberg y Schrödinger, e posteriormente Dirac em 1928, formularam os princípios da concepção ondulante do átomo.
Até aqui considerou-se que os electrões eram meros pontos carregados eletricamente, mas segundo esta nova concepção, do mesmo modo que se demonstrou para a luz, o electrão não pode ser considerado como uma mera partícula, já que, além disso, comporta-se como uma onda (similar às ondas acústicas ou a ondulação da superfície de um lago), cuja vibração, frequência e amplitude pode ser definida.
«(…)No caso de átomos no estado neutro, o número de electrões é idêntico ao de protões, que é o que caracteriza cada elemento químico. O número de protões de um determinado átomo, denomina-se número atómico e determina a sua posição na tabela periódica dos elementos.(…)»
Talvez os electrões sejam as duas coisas, onda e partícula, e o único facto que ocorre seja, que de acordo com as circunstâncias, manifesta-se mais uma propriedade do que outra. Umas vezes, no nosso mundo físico terão um aspecto denso, e talvez, noutro momento, sejam uma mera radiação no mundo energético.
Com o desenvolvimento da física quântica, Heisenberg introduziu um novo paradoxo na ciência. Segundo o seu célebre princípio da incerteza, não se pode observar uma partícula sem a alterar. Ao tentar medir o lugar exacto onde se encontra uma partícula, alteramos a sua velocidade, e vice-versa. Não é que não se possam realizar as ditas medições, embora não se possa realizar a medição de ambas as coisas simultaneamente; para ele, chegar a medir com exatidão um dos parâmetros equivalia a ter uma grande imprecisão no outro, salvo se admitíssemos graus de erro consideráveis, ao medir ambas magnitudes, ao mesmo tempo. Para ele, é como se nos caísse a partícula pela abertura de um sofá; quanto mais pretendemos aproximarmo-nos dela e apanhá-la, mais a distanciamos e a alteramos, pois tornamos maior a abertura, deixando-a escapar.
Schrödinger propôs então um modelo probabilístico para o átomo, dado que, se a posição de uma partícula não se pode fixar com exactidão, só se pode saber da sua posição em termos de probabilidade. No caso de um electrão em órbita à volta do núcleo atómico, há uma probabilidade maior de que se encontre num determinado lugar e outra menor de encontrá-lo em outro lugar da sua órbita.
Podemos saber, onde provavelmente possa estar, mas não onde se encontra exactamente essa partícula.
Incertezas e probabilidades
Assim, o electrão não se pode dizer que seja uma mera partícula que está situada num único lugar concreto, mas que poderia encontrar-se com maior probabilidade em certas coberturas/extensões simétricas, chamadas orbitais, que podem adoptar formas circulares, elípticas, lenticulares, tiróides, etc. Em termos ondulatórios, Schrödinger dirá que o electrão tem maior probabilidade de encontrar-se nesse lugar geométrico que é como uma nuvem densa, e ter também a sua carga elétrica concentrada ali, embora, pudesse também estar em qualquer outro lugar da atmosfera atómica. Temos portanto certos limites que é conveniente assumir, dado que, mais do que certezas, dispomos de incertezas e probabilidades.
Mas não eram estas as únicas partículas que se podiam encontrar nas diminutas escalas da matéria. Dirac teria predito, que matematicamente era necessário que toda partícula tivesse também a sua antipartícula, para manter o equilíbrio de cargas na matéria. Assim, pensou-se que deveria existir uma partícula de massa igual à do electrão, mas de carga contrária, denominando a dita anti-electrão, com o nome de positrão, partícula que foi finalmente descoberta em 1932, nos raios cósmicos. Com o passar do tempo, nos primeiros anos do século XXI, produziram-se uns 50.000 átomos de anti hidrogénio, que embora efémeros demonstraram a realidade da antimatéria. Actualmente, considera-se que toda a partícula tem a sua antipartícula, salvo o fotão, que é ao mesmo tempo a sua própria antipartícula.
«(…)A descoberta gradual de contentores de partículas…(…) leva a pensar, que há uma estrutura interna nelas; considera-se que são compostas de outras partículas constituintes, chamadas quarks, sendo estes considerados como os mosaicos da matéria, e actualmente como os causadores finais da intensidade da força.(…)»
Tal como teria predito Yukawa em 1935, no núcleo, as partículas de cargas iguais tendem a repelir-se, porque a força que as mantém unidas num espaço tão reduzido deve ser excepcionalmente intensa. Actualmente, conhece-se que a dita intensa força, inconcebivelmente, chega a ser milhões de vezes mais forte que a gravidade, embora apenas actue no âmbito do núcleo. Mas a dita força entre duas partículas não se transmite de modo tradicional, mas fá-lo, também, mediante a acção de outra partícula do núcleo, chamada mesão.
O tempo foi passando e comprovou-se a divisibilidade do átomo. O núcleo revelou os seus segredos, e atrás dos protões e dos neutrões, descobriram-se outras partículas como os fermiões, os bosões, os mios, os piões, os hadrões, os neutrinos, etc. A descoberta gradual de contentores de partículas, no último quarto de século XX, a maioria das quais se desintegra, dando lugar a outras, leva a pensar, que há uma estrutura interna nelas; considera-se que são compostas de outras partículas constituintes, chamadas quarks, sendo estes considerados como os mosaicos da matéria, e actualmente como os causadores finais da intensidade da força.
Actualmente, chegaram a fotografar-se alguns átomos através de microscópios, passando assim a ser uma realidade comprovada. A ciência, inevitavelmente, cresceu, chegando a roçar as duas faces da matéria e também da beleza …. Uma nova porta nos levará a um futuro brilhante, pois o universo é como um vaso imenso que nos dá refúgio, embora, quanto mais observamos os seus contornos, mais nos perguntamos pelas mãos do oleiro.
O estudo desta diminuta partícula, necessário para explicar o comportamento da matéria, sofreu muitas vicissitudes na investigação científica ….e a sua história ainda contínua.
Cem anos de revolução quântica
1900 – Plank explica a radiação do corpo preto (a emissão de energia de um corpo material produz saltos. 1905 – Einstein prenuncia o aparente comportamento caótico de certas partículas.
1911 – Rutherford propõe o primeiro modelo atómico, experimentado nos impactos de partículas radioativas.
1913- Teoria dos espectros atómicos de Bohr (concebeu a hipótese de uma quantificação das órbitas na estrutura do átomo).
1915 – Sommerfeld contribui na visão de órbitas eletrónicas elípticas.
1925 – Princípio de explosão de Pauli (dois eletrões de um mesmo átomo não podem ter um conjunto exatamente igual de números quânticos).
1926 – Equação de Schrödinger (concepção ondulatória do átomo).
1927 – Princípio de incerteza de Heisenberg (não se pode observar uma partícula sema alterar).
1928 – Dirac questiona a equação do electrão.
1932 – Descoberta do anti-electrão (toda a partícula tem sua anti-partícula, salvo o fotão, que é ao mesmo tempo sua própria anti-partícula).
1935 – Schrödinger questiona o paradoxo do gato (esfinge nº 40, pág. 24).
1938 – Descoberta da superfluidez.
1945 – É lançada a bomba atómica.
1947 – Inventa-se o primeiro transístor desenvolvido pelo norte-americano W. Shockley.
1952 – Interpretação da onda piloto de Bohm.
1957 – Interpretação do estado relativo ou dos muitos universos paralelos.
1960 – Inventa-se o laser.
1973 – Aparece o scâner de ressonância magnética.
1975 – Entram em jogo as partículas constituintes do atómico, os quarks, denominados, mosaicos da matéria.
– O núcleo atómico é a parte central de um átomo, onde se concentra praticamente a totalidade da sua massa. É formado por protões e neutrões, por meio da interação nuclear forte. A quantidade de protões determina o elemento químico a que pertence. Os núcleos atómicos com o mesmo número de protões, mas diferente número de neutrões, denominam-se isótopos.
– A crosta dos átomos é a sua parte mais externa e é formada por uma nuvem de electrões. No caso de átomos no estado neutro, o número de electrões é idêntico ao de protões, que é o que caracteriza cada elemento químico. O número de protões de um determinado átomo, denomina-se número atómico e determina a sua posição na tabela periódica dos elementos.