A DESCOBERTA DO ELÉTRON AO INTERIOR DO NÚCLEO ATÔMICO, UM RELATO MODERNO:

A DESCOBERTA DO NÚCLEO POR RUTHERFORD:Por volta de 1900, já havia um consenso de que os átomos não são

indivisíveis, e sim, formados por partículas carregadas. Também já se sabia que os tamanhos atômicos são da ordem de 10-10 m, todavia os elétrons, comuns a todos os átomos, são muito menores do que isso e possuem uma massa menor do que a do menor dos átomos. Como eles se “ ajustam” em átomos maiores? Qual é a carga positiva do átomo? Onde estão localizadas as cargas dentro dos átomos?

Foi Thompson quem propôs o primeiro modelo atômico. Devido ao tamanho minúsculo e a beleza do elétron diante do átomo, parece razoável que se pense que a parte carregada positivamente ocupe quase todo o restante do átomo. Thompson sugeriu que o átomo consistisse de uma “nuvem” esférica de carga positiva, com diâmetro em torno de 10-10m, onde os elétrons negativos menores estariam incrustados. A carga positiva equilibraria toda a carga negativa e, portanto, o átomo não possuía carga líquida. A figura 01 mostra porque o modelo atômico de Thompson tornou-se conhecido como o “modelo do pudim de ameixas” ou “modelo de bolo de passas”. Antes de seguirmos em frente vamos voltar um pouco no passado, ou seja, na descoberta do elétron para que possamos a partir daí entender de forma mais clara todos os procedimentos que vão o correr no núcleo atômico.

OS RÁIOS CATÓDICOS:

A invenção do tubo de descarga de gás, por Faraday , teve duas grandes repercussões. Um conjunto de pesquisas, que vamos abordar mais adiante, levou ao desenvolvimento da espectroscopia e,

conseqüentemente, da física quântica. Outro conjunto de investigações resultou na descoberta do elétron.

Na década de 1850 houve um grande avanço com o aprimoramento das bobas a vácuo. Nessa década, o cientista alemão Jülius Plücker começou a estudar de descargas de gás de Faraday utilizando gás a baixas pressões. Plücker observou dois aspectos importantes:

1) À medida que a pressão era reduzida, o brilho colorido do gás diminuía e o brilho catódico se tornava mais alongado.

2) Se o brilho catódico se estendia até a parte de vidro do tubo, o vidro emitia um brilho esverdeado no local.

Alguns anos mais tarde, um aluno de Plücker descobriu que,quando um objeto sólido é colocado dentro do tubo, produz uma sombra na parede do tubo, como ilustrado na figura. Essa descoberta sugeria que, de alguma forma, o cátodo emite raios que movem em linhas retas, mas que são facilmente bloqueados por objetos sólidos. Esses raios invisíveis, que ao se chocarem com o vidro produzem um efeito brilhante, foram denominados RAIOS CATÓDICOS. Esse nome ainda é empregado atualmente para designar o tubo de raios catódicos que compõe o tubo de imagem de muitos televisores e monitores de computador. Todavia, dar um nome aos raios nada fez no sentido de explicá-los Mas afinal, o que eram esses raios?

TUBOS DE CROOKES:

O estudo mais sistemático sobre os raios catódicos foi desenvolvido durante a década de 1870 pelo cientista inglês Sir Willian Crookes. Ele desenvolveu um conjunto de tubos de vidro que podia ser utilizado

para estudos minuciosos dos raios catódicos. Suas principais inovações consistiram em alongar o tubo, introduzir um colimador para as passagens dos raios e obter pressões ainda mais baixas. O resultado obtido foi um feixe bem definido de raios catódicos que formava um pequeno ponto brilhante no local onde o raio atingia a extremidade final do tubo. Atualmente chamamos esta invenção de tubo de Crookes.

O trabalho realizado por Crookes e outros cientistas mostraram que:

1) Existe uma corrente elétrica no tubo quando os raios catódicos são emitidos.

2) Os raios são emitidos por um campo magnético como se fossem cargas negativas.

3) Cátodos metálicos produzem raios catódicos. Além disso,as propriedades dos raios independem das propriedades do qual é feito o catodo.

4) Os raios podem exercer forças sobre objetos e transferir energia para eles. Por exemplo, uma folha metálica fina,colocada no caminho de feixe de raios catódicos, brilha com uma coloração vermelho escuro.

Os experimentos acabaram em culminarem com mais perguntas do que respostas, será que os raios catódicos são formados por algum tipo de partículas? Ou de ondas? Seriam os próprios raios catódicos os portadores da corrente elétrica ou alguma outra coisa é emitida toda vez que existe corrente? Essa última questão merece especial atenção, pois ela sugere que os raios catódicos talvez sejam uma entidade fundamental, e não, uma parte do elemento do qual são emitidos. Naquela época tais questões representaram grande dificuldades,

embora hoje elas podem ser respondidas de forma fácil em alguns livros de qualidade.

Crookes sugeriu que as moléculas do gás colidiam com o catodo , de alguma forma adquiriam carga negativa( ou seja,tornavam-se íons negativos) e,então eram rebatidos em altas velocidades ao serem repelidos pelo cátodo negativo. Essas moléculas carregadas percorriam linhas retas carregando consigo energia e momentum, podiam ser desviadas por um campo magnético e causavam um brilho no tubo, ou fluorescência, no local em que se chocavam com a parede do mesmo. A teoria de Crookes previu, é claro, que os íons negativos também deveriam ser desviados por um campo elétrico. Crookes tentou demonstrar essa deflexão colocando eletrodos dentro do tubo de gás e gerando um campo elétrico em seu interior, mas seus esforços foram inconclusivos. Apesar de toda a dificuldade, o modelo de Crookes parecia explicar as observações.

No entanto, Crookes e sua teoria foram atacados imediatamente. Os críticos observaram que raios catódicos poderiam percorrer um tubo de 90cm de comprimento em linha reta sem sofrer desvios perceptíveis. Mas o livre caminho médio de moléculas, devido às colisões com outras moléculas, é de apenas 6 mm na pressão usada em um tubo de Crookes.

De modo algum moléculas poderiam percorrer em linhas retas distâncias 150 vezes do que o seu livre caminho médio! Mais tarde, descobriu-se que os raios catódicos poderiam até mesmo atravessar chapas de metal finas ( com ≈2µ de espessura ),algo que nenhuma partícula do tamanho de um

átomo poderia fazer. A teoria de Crookes, embora parecesse adequada na época em que foi proposta, tornou-se amplamente inconsistente com observações subseqüentes. Mas se os raios catódicos não seriam partículas o que seriam então? Uma teoria alternativa postulava que os raio catódicos seriam ondas eletromagnéticas. Afinal a luz se propaga em linha reta, produz sombras, carrega energia e momentum e pode, sob certas circunstâncias, faz com que certos materiais brilhem. Já era sabido que materiais, quando aquecidos também emitem luz ( o que chamamos de incandescência ) logo parecia plausível que os cátodo também emitisse ondas.Um percurso através do gás não representava problema algum e, além disso, já se sabia por volta de 1890 que ondas de rádio podiam atravessar chapas metálicas finas. O grande problema para a teoria das ondas era quanto aos desvios sofridos pelos raios catódicos quanto na presença de um campo magnético. Naquela época,a teoria das ondas eletromagnéticas eram muito recente e muitas das características dessas ondas ainda eram desconhecidas. A luz visível não era desviada por um campo magnético, mas não era difícil conjecturar que isso pudesse ocorrer com algum outro tipo de onda eletromagnética. A controvérsia entre partícula e onda foi intensa. Cientista britânicos, em geral, favoreciam as partículas, mas seus colegas do continente davam preferência às ondas.Essas controvérsias fazem parte da ciência, pois acabam por estimular as mentes mais brilhantes a elaborar novas idéias e novos experimentos.

JOHN JOSEPH THOMSON ( 1897 ) E A DESCOBERTA DO ELÉTRON:

Depois de Wilhelm Röntgem descobriu os raios X em 1895, um caso muito interessante pois na verdade quando o cientista descobre o suposto, raio não sabendo bem de que se tratava, deu a ele um nome bem apropriado, ou seja, de uma incógnita,X, pois ainda não tinha um nome a ser dado à nova descoberta,mas por questões diversas esse nome, ou esta incógnita acabou por batizar o tão famoso raio, o qual permanece até os dias de hoje. É uma boa história, não acham? Em seguida o jovem físico inglês J.J. Thomson começou a utilizá-los para estudar a condução elétrica em gases. Thomson descobriu que os raios X podiam descarregar um eletroscópio e concluiu que eles talvez ionizassem as moléculas do ar, tornando-o condutor. Essa simples observação teve profunda significância. Até aquela época, a única forma de ionização conhecida era o aparecimento de íons positivos e negativos em soluções, ( aquosa), onde por exemplo, uma molécula de NaCl divide-se em dois pedaços menores e carregados ( conhecido até hoje pelo nome de ELETRÓLISE DA ÁGUA , o fato é que dois átomos podiam adquirir carga a partir da divisão de uma molécula não alterava em nada a idéia de que os átomos eram indivisíveis. Após observar que até mesmo os gases monoatômicos, como o Hélio por exemplo, podiam ser ionizados por raios X, Thomson percebeu que o átomo provavelmente possuía constituintes dotados de carga elétrica que podiam ser separados! Essa constituiu a primeira evidência direta de que o átomo é uma estrutura complexa, e não uma unidade fundamental, indivisível da matéria.

Thomson também conduziu experimentos para investigar a natureza dos raios catódicos . Um de seus principais objetivos foi de comprovar, de uma vez por todas, que os raios catódicos eram partículas carregadas. Utilizando tubos de Crookes, outros cientistas já haviam medido a corrente elétrica correspondente a um feixe de raios catódicos . Embora a presença dos raios parecesse demonstrar que tratasse de partículas carregadas, os precursores do modelo

ondulatório argumentavam que a corrente poderia ser um evento em separado e independente que, por acaso, também percorreria a mesma trajetória em linha reta juntamente com os raios catódicos.

Thomson percebeu que podia usar a deflexão magnética dos raios catódicos para resolver esse impasse. Construiu um tubo modificado, como encontra ilustrado na figura, em que o eletrodo coletor foi posicionado fora do centro de uma das extremidades do tubo. Sem a presença de um campo magnético, os raios catódicos se chocavam com o centro, na extremidade do tubo, produzindo um ponto esverdeado no vidro. Sob essas circunstâncias, não se podia identificar qualquer tipo de corrente no eletrodo. Thomson, então, colocou o tubo em presença de um campo magnético com a finalidade de desviar os raios catódicos para um dos lados do tubo. Determinou a trajetória dos raios orientando-se pela localização do ponto verde à medida que este se movia na extremidade do tubo. No exato momento em que o campo estava com intensidade suficiente para defletir os raios catódicos em direção ao eletrodo coletor,a corrente era detectada. Utilizando um campo ainda mais intenso e desviando os raios catódicos completamente para o outro lado do eletrodo, cessava a corrente.

Esta foi a primeira demonstração conclusiva de que os raios catódicos são realmente constituídos por partículas carregadas negativamente. Mas então por que eles não eram desviados por um campo elétrico ? Os primeiros esforços de Thomson para desviar os raios catódicos por meio de um campo elétrico apresentaram os mesmos resultados inconclusivos que outros cientistas já haviam encontrado. Porém a experiência que já havia feito com ionização de gases por meio de raios X, logo lhe revelou onde estava a dificuldade. Thomson se deu conta de que as partículas de raios catódicos, movendo-se em altas velocidades, provavelmente colidiam com algumas poucas partículas de gás que restavam no tubo com energia suficiente para ionizá-las ao dividi-las em partículas carregadas. O

campo elétrico gerado por estas cargas,então,neutralizava o campo produzido pelos eletrodos e, assim, não ocorria desvio.

Felizmente, a tecnologia do vácuo melhorava cada vez mais. Utilizando as técnicas mais sofisticadas de sua época, Thomson conseguiu baixar a pressão a um nível tal que a ionização do gás deixaria de interferir. E então, como esperado, os raios catódicos foram desviados por um campo elétrico. Pois é este modelo representou uma vitória decisiva para o modelo de partícula carregada, mas não dava qualquer indicação da natureza das partículas. O que na verdade seriam essas partículas?

O experimento de Thomson com campos cruzados:

Thomson mediu a deflexão de raios catódicos para campos elétricos de diferentes intensidades. A deflexão magnética depende tanto da razão carga- massa da partícula, q/m, quanto de sua velocidade. Medir a razão carga-massa e, assim, aprender um pouco mais sobre as partículas exige meios para se determinar suas velocidades. Para tal objetivo ,Thomson desenvolveu um experimento que faz seu nome ser lembrado até hoje. Thomson construiu um tubo que continha eletrodos metálicos paralelos, como está ilustrado nas figuras 01A e 01B, e o posicionou entre os pólos de um imã, tornando os campos magnéticos e elétricos perpendiculares entre si, produzindo, assim, o que se tornou conhecido como experimento com campos cruzados.

O campo magnético, sendo perpendicular á velocidade da partícula carregada V exerce sobre a mesma uma força magnética cujo módulo é

dado por: Fb=qvB

Por si só, o campo magnético tende a fazer com que a partícula carregada negativamente descreva um longo arco circular ascendente.

Ela não chega a descrever um círculo completo porque a velocidade é grande e o campo magnético é limitado espacialmente. Já sabemos de

estudos anteriores que o raio do arco é dado por: r= mv/Qb

O resultado é um desvio do feixe para cima. Trata-se de um problema geométrico simples o raio de curvatura r a partir do desvio médio. A inovação de Thomson foi criar um campo elétrico entre eletrodos de placas paralelas que exerciam uma força orientada para baixo sobre as cargas negativas, empurrando-as de volta para o centro do tubo. O

módulo da força elétrica sobre cada partícula é: FE = qE

Thomson ajustou a intensidade do campo elétrico até que o feixe de raios catódicos, em presença dos campos elétrico e magnético, não sofresse deflexão e incidisse exatamente no centro do tubo. Observa-se que nenhum desvio ocorre quando forças elétricas e magnéticas se equilibram, como mostra a figura 02. Neste caso, os vetores força

apontam em sentidos opostos,e seus módulos são iguais se FB = qvB = FE = qE

Note que a carga q é cancelada. Ajustando os valores de E e B, uma partícula carregada atravessará campos mutuamente perpendiculares

sem sofrer deflexão quando sua velocidade tiver módulo igual a : V = E / B

Equilibrando as forças elétricas e magnéticas, Thomson conseguiu determinar a velocidade das partículas carregadas do feixe. Conhecendo V, ele pode aplicar a equação r=mv/qb para determinar a

razão carga-massa: q/m = v/ r B .

Thomson descobriu que a razão carga massa dos raios catódicos é ≈1x1011C/ kg. Isso parece totalmente impreciso em comparação com o valor atual que é de q/m ≈ 1,76 x 1011C/ Kg, porém temos que levar em

consideração as condições precárias em que Thomson desenvolvia seus experimentos, mas um fato é relevante, antes de Thomson, ninguém tinha qualquer idéia de qual fosse esse valor.

O ELÉTRON:

Assim chegamos onde queríamos. Quem é a tal partícula de que tanto Thomson dedicou-se a estudar? O estudo de Thomson tria valido a pena?

A descoberta da existência do elétron não ocorreu de um dia para o outro e nem de uma única vez,foi fruto do trabalho de muitos cientistas empenhados em pesquisas sobre a estrutura da matéria. Essa descoberta foi um acontecimento que revolucionou tanto a Química quanto a Física, e foi resultado de inúmeras pesquisas e experimentos sobre a estrutura e constituição da matéria. Atualmente sabemos que o elétron é uma partícula que possui carga negativa e que ele pode ser encontrado nos átomos que constituem toda e qualquer substância, mas a descoberta dessa partícula é relativamente recente. A sua descoberta ocorreu no final do século XIX e foi resultado dos trabalhos desenvolvido pelo físico inglês J.J. Thomson, quando ele se interessou pela pesquisa da natureza e propriedades de certas radiações, as quais na época eram conhecidas com a denominação de raios catódicos. No século XIX, inúmeros físicos e cientistas desenvolveram experiências sobre a condução de eletricidade através dos gases. Os cientistas descobriram que os íons responsáveis pela condução de eletricidade em gases possuíam a mesma carga que os íons responsáveis pela condução de eletricidade na eletrólise. No ano seguinte ao trabalho de Pieter Zeeman, Thomson mediu o valor de carga massa q/m para os chamados raios catódicos e observou que se as cargas das partículas contidas nesses raios fosse igual à carga mínima e calculada por George

Johnstone Stone, a massa dessas partículas seriam apenas uma pequena fração da massa do átomo de hidrogênio. Na verdade, ele havia descoberto o ELÉTRON. O tubo de raios catódicos usado por J.J. Thomson e outros cientistas da época foi o precursor dos tubos de imagem usados em receptores de TV, osciloscópios, telas de radar e monitores de computador. Quando a pressão do gás no interior do tubo é reduzida, o espaço em volta do catodo fica escuro. Quando a pressão é reduzida ainda mais, a região escura aumenta de tamanho até atingir a superfície do vidro, que começa a brilhar ao ser excitada pelos raios catódicos. Quando são instalados colimadores em determinadas regiões do tudo, a região luminosa se reduz a um ponto na superfície do vidro. A posição do ponto pode ser controlada por campos elétricos e magnéticos. Em 1895, J. Perrin conseguiu recolher os raios catódicos em um eletrômetro e descobriu que eram compostos por partículas de cargas negativa. A medição direta da relação e/m para os elétrons, realizada em 1897 por Thomson, pode ser considerado o início de nosso entendimento da estrutura atômica.

PRIMEIRAS MEDIDAS DE e E DE e/m :

As primeiras estimativas da ordem de grandeza da ordem de das cargas elétricas associadas aos átomos foram feitas a partir da lei de Faraday. O trabalho de Michael Faraday ( 1791-1867 ), realizado no início do século XIX, se destaca até hoje por sua visão, criatividade e meticulosidade. A história deste filho de ferreiro, autoditada, que, depois de trabalhar como menino de recados e aprendiz de encadernador, chegou a diretor do famoso Royal Institute of London e se tornou um dos cientistas mais prestigiosos da época, é fascinante. Um dos seu campos de estudos foi a condução de eletricidade em líquidos. Os resultados que obteve ea subseqüente formulação da lei da eletrólise ( 1833 ) contribuíram diretamente para a descoberta da

natureza elétrica das forças atômicas. O fenômeno continua a ser estudado até hoje, pois constitui a base de toda eletroquímica.

Em seus experimentos, Faraday fez passar uma corrente contínua por soluções fracamente condutoras e observou a deposição dos componentes da solução nos eletrodos. Estudando quantitativamente o fenômeno, Faraday descobriu que a mesma quantidade de eletricidade, F, denominada faraday e igual a aproximadamente 96500 C, sempre decompõe 1 átomo grama de um íon monovalente. Assim, por exemplo, se 96500 C atravessam uma solução de NaCl, aparecem 23g de Na no catodo e 35,5g de Cl no anodo. No caso de íons de valência 2 , como o Cu e o SO4 são necessários 2 faradays para decompor um átomo-grama.Como 1 átomo-grama é a massa que contém um número de átomos igual igual ao número de Avogadro Na, é razoável supor que todos os íons monovalentes contenham a mesma carga, e, e que F= Nae. Esta equação é denominada lei de Faraday para a eletrólise. Como o faraday poderia ser medido com boa precisão, seria possível calcular o valor de NA, ou de e,contando que a outra grandeza fosse conhecida. Faraday sabia disso, mas não foi capaz de medir nenhuma das duas grandezas. Mesmo assim, parecia lógico que a carga elétrica, como a matéria não fosse contínua e sim formada por partículas com certa carga mínimas.

Autoria: Guilherme Melgaço

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Orientador: Flávio Resende