Valdir Aguilera
 Físico e pesquisador

 

 

Conceitos de Física moderna - 2
A saga do átomo

Valdir Aguilera

Ainda sobre os modelos

O ser humano tem sede de conhecimentos. Sempre teve. Quer entender o como e o porquê daquilo que observa e ocorre ao seu redor. Quando não consegue explicar, constrói modelos que lhe permitam esclarecer suas dúvidas. Quando viu relâmpagos nos céus, concebeu um modelo: há um deus que os dispara. Essa explicação, esse modelo, transmitiu-lhe a sensação de que o fenômeno estava entendido.

Se o modelo não dirime diretamente suas dúvidas, procura utilizá-lo para pelo menos equacionar o problema. Equacionado o problema, parte em busca da solução. Evidentemente, a eventual resposta encontrada é uma solução que se diz modelo-dependente. Muda-se o modelo, muda-se a equação, muda-se a resposta.

Os modelos dependem fortemente dos conhecimentos e da imaginação de quem os está construindo. Quanto mais profundos os conhecimentos e quanto mais poderosa a imaginação do idealizador, mais perfeito será o modelo. São, portanto, os modelos, uma ponte entre o conhecido e o desconhecido.

Um bom modelo conduz, assim, a mais conhecimentos. Mais conhecimentos permitem melhorar a ponte e, não raramente, abandonar totalmente a anterior. Na História das Ciências encontramos muitas pontes; algumas foram abandonadas rapidamente; outras sobreviveram algum tempo graças a reestruturações sucessivas; outras perduram até os dias atuais.

Um modelo se reveste de muita força e confiança quando, além de trazer alguma luz sobre o que está sendo modelado, também permite prever fenômenos nunca antes observados. Disso também há amostras na História das Ciências. Na Física, por exemplo, um modelo baseado na Teoria da Representação de Grupos Unitários (matemática pura) permitiu prever a existência de partículas elementares que nunca antes se sonhou existirem. Permitiu até prever suas massas! Essas partículas foram observadas posteriormente.

Vamos, agora, acompanhar os diversos modelos imaginados e construídos pelo ser humano para tentar descrever a estrutura do átomo. Podemos antecipar que mesmo o mais recente, baseado na Teoria Quântica, não é satisfatório para muitos físicos, incluíndo o autor deste artigo. A razão do descontentamento será apresentada na seção final.

Veremos, en passant, em alguns episódios aqui relatados, que a História sempre tem lições para nos dar, e que insistimos em continuar a não querer aprender.

A saga do átomo

Podemos dizer que o conceito do átomo nasceu na Grécia há aproximadamente 2.500 anos. Os seus atributos foram objeto de especulação de muitos filósofos e cientistas que não pouparam imaginação para descrevê-los. Parte dessa história será contada, abreviadamente, neste artigo.

5 a.C. - Demócrito (460-370 a.C.)

É atribuída ao filósofo grego Demócrito a teoria de que toda substância é constituída de partículas indivisíveis. Chega-se a essas partículas com uma experiência imaginária. Suponha que você tenha uma barra de ferro e a corta ao meio. Ficará com duas barras de ferro menores. Se dividir ao meio uma delas, ficará com uma barra menor ainda. Seguindo com esse processo, vai ficando com barras cada vez menores, até chegar o ponto em que não será mais possível dividir a barra. Sobrará um resíduo indivisível, chegará ao 'átomo', que significa justamente isso 'indivisível'. Ainda de acordo com Demócrito, os átomos são partículas rígidas e perenes. São sua forma e seu tamanho que determinam as qualidades das diversas substâncias. É curioso notar, como um parêntese, que Demócrito criou, também, uma teoria atômica da alma. Esta seria formada por partículas esféricas e extremamente leves.

5 a.C. - Empédocles (490-430 a.C.)

Por essa época, Empédocles, filósofo pitagoreano, propôs que os átomos podem ser agrupados em quatro classes distintas que chamou de fogo, terra, água e ar. É claro que esses nomes não devem ser levados ao pé da letra. Não significam que, para aquele filósofo, há átomos feitos de terra, outros de água, etc. (Parece ridículo fazer esta ressalva, entretanto, o autor já encontrou muita gente que assim pensava! Ainda devem existir outros que têm essa impressão errônea.)

Numa mesma substância pode haver átomos de diversos tipos. De acordo com as propriedades da substância, haveria predominância de um tipo de átomo sobre os outros. Essa diversificação que enriquece o modelo não havia sido contemplada por Demócrito.

4 a.C. - Aristóteles (384-322 a.C.)

Aristóteles adotou o modelo de Empédocles e o expandiu acrescentando propriedades aos diversos tipos de átomos. Essas propriedades, ou qualidades, são: quente, frio, seco e úmido. Afirmava Aristóteles que cada tipo de átomo é dotado de duas dessas qualidades. Por exemplo: Um átomo tipo fogo seria quente e seco. A figura 1 mostra como essas qualidades são compartilhadas pelos diferentes tipos de átomos.


Fig. 1 - As qualidades dos átomos, segundo Aristóteles

O prestígio, aliás respeitável e merecido, de Aristóteles "cegou" os filósofos e cientistas durante quase dois mil anos! Os átomos, como afirma seu próprio nome, são indivisíveis, lembrava Aristóteles assinando embaixo. Se tão admirável pensador afirma isso, como duvidar dele? Até mesmo o grande filósofo René Descartes (1596-1650), ainda peripatético, afirmava que Deus fez os átomos tão pequenos que não havia poder humano que os pudesse dividir, embora, ele ressalva, não se tenha privado da habilidade e capacidade de fazê-lo Ele mesmo, se assim o quisesse.

A História tem-nos mostrado em inúmeras ocasiões que não devemos curvar-nos cegamente diante das posições assumidas por outros, mesmo que estejam cercados do maior prestígio. Nesse ponto, não consigo resistir à tentação de lembrar aqui um acontecimento que envolveu o renomado cientista Lavoisier, aquele do "nada se perde, nada se cria, tudo se transforma". Quando lhe mostraram alguns meteoritos, que se dizia serem objetos vindos do espaço, ele apontou para o céu e perguntou:

– Vocês estão vendo alguma pedra lá? Nenhuma, não é verdade? Como, então, são tão estúpidos a ponto de acreditar nessa baboseira?

A fama de Lavoisier era tanta que os museus da Europa que exibiam alguns meteoritos trataram, em seguida, de recolhê-los imediatamente. A humanidade ainda vivia os dias do magister dixit, dos gurus. (Será que não vive ainda?)

4 a.C. - Epicurus (341-270 a.C.)

Epicurus afirmava que os átomos, embora não possam ser divididos em partes menores por nenhum meio físico, são dotados de estrutura. (Veja, paciente leitor, que intuição incrível!) Que estrutura seria essa, não pôde aclarar. Mas foi um avanço na concepção do átomo. A semente estava plantada, faltava germinar e dar frutos. Mas, foi necessário esperar dois milênios!

1808 - John Dalton (1776-1844)

Afirmava Dalton que substâncias diferentes são formadas por átomos diferentes. Os átomos que formam o ferro não são os mesmos que formam o cobre, por exemplo.

A evolução proporcionada por este modelo é que ele não assume átomos de quatro tipos apenas. Há uma grande variedade de átomos disponíveis na natureza.

Repetimos: Note o intervalo de tempo decorrido desde os esforços dos antigos filósofos: cerca de 2.000 anos!

1898 - Joseph John Thomson (1856-1940) (Prêmio Nobel: 1906)

O elétron acabava de ser descoberto, um ano antes, pelo renomado físico Joseph John Thomson (ou J.J. como era tratado pelos seus colegas). Thomson também afirmou ser o elétron parte do átomo. Foi assim que o átomo, indivisível, deixou de imperar como tal na mente dos cientistas. Foi destronado por uma partícula minúscula: o elétron.

Outra lição da História: A idéia da existência do elétron foi ridicularizada nada mais nada menos do que pelo famoso Dmitri Mendeleiev (1834-1907). Isso mesmo, o criador da Tabela Periódica dos Elementos. Mendeleiev, arrogantemente, satirizou publicamente a hipótese do elétron. Entretanto, em sua famosa tabela, onde os elementos químicos estão distribuídos em casinhas numeradas pelo número atômico do elemento que a ocupa, ele reservava, sem constrangimento algum, o lugar de número 0 para o "éter"...

Em 1898, J. J. Thomson propõe o primeiro modelo para a estrutura dos átomos, que ficou sendo conhecido como 'modelo do pudim de uvas passas'. De acordo com esse modelo, os elétrons seriam as uvas passas imersas num pudim de cargas positivas.

1903 - Philip Lenard (1862-1947) (Prêmio Nobel: 1905)

Philip Lenard aperfeiçoou o modelo que descrevia a estrutura dos átomos. Como a matéria é ordinariamente eletricamente neutra (ninguém leva um choque elétrico ao segurar um objeto), Lenard ponderou que as cargas negativas e positivas que compõem os átomos devem anular-se mutuamente. Desta forma, propõe que o átomo seja formado por pares de cargas negativas e positivas distribuídos pelo seu interior, conforme ilustra a figura 2.



Fig. 2 - A estrutura atômica de acordo com o modelo proposto em 1903 por Lenard


Uma curiosidade: Philip Lenard foi um feroz inimigo de Einstein, organizando e promovendo odiosas perseguições que impediram que Einstein, no início de sua carreira, conseguisse uma vaga de professor nas universidades alemãs e austríacas. Para conseguir sobreviver, Einstein teve de aceitar um modesto emprego (de terceira categoria) num pequeno escritório burocrático, que o isolou dos meios científicos. Contudo, historiadores acreditam que isso foi o melhor que podia acontecer para Einstein. Mas esta é uma longa história que fica para outra ocasião.

1911 - Ernest Rutherford (1871-1937) (Prêmio Nobel: 1908)

Inspirado pelos resultados de suas notáveis experiências com espalhamento de partículas alfas por átomos de ouro, Ernest Rutherford propõe que os elétrons circulam em torno de um núcleo pesado formado por cargas positivas. Esse modelo nos lembra os planetas orbitando ao redor do Sol e é, ainda, bastante popular.

Fig. 3 - O modelo atômico de Rutherford. Os elétrons orbitam em torno do núcleo atômico como os planetas em torno do Sol.

O que levou Rutherford a propor este modelo para o átomo? Acima foi dito que ele se inspirou nos resultados de suas experiências realizadas em seu laboratório. Vamos falar, brevemente, sobre essas experiências.

Rutherford bombardeava com elétrons uma folha finíssima de ouro. Esses elétrons atravessavam a folha e se desviavam da linha de sua trajetória inicial. Do outro lado da folha, ele detectava os elétrons e media os desvios sofridos. Imaginava que os desvios eram provocados pelos choques dos elétrons com os átomos da folha. Esperava que uma análise dos desvios trouxesse alguma luz sobre a estrutura dos átomos. Ficou muito surpreso ao constatar que alguns elétrons voltavam, como uma bola atirada contra uma parede. A surpresa foi enorme porque o fato seria análogo a disparar um revólver sobre uma folha de papel e observar que algumas balas retornam!

Concluiu, desse resultado, que dentro do átomo havia alguma coisa "dura". Estava, assim, descoberto o núcleo atômico.

1913 - Niels Bohr (1885-1962) (Prêmio Nobel: 1922)

Já nessa época, havia resultados experimentais e questões teóricas que necessitavam de explicações e respostas. Essa demanda levou Niels Bohr a aprimorar o modelo de Rutherford. Bohr propôs que os elétrons não podem mover-se em qualquer órbita ao redor do núcleo. Eles devem estar em determinadas órbitas circulares, com raios bem estabelecidos.

1915 - Arnold Sommerfeld (1868-1951)

Sommerfeld trocou as órbitas circulares de Bohr por órbitas elípticas. Com esse procedimento, deu mais flexibilidade para os cálculos teóricos explicarem fenômenos atômicos observados. A figura 4 mostra os modelos de Bohr e de Sommerfeld.


Fig. 4 - Os modelos atômicos de Bohr e de Sommerfeld. Aquele propôs que os elétrons se movem em algumas órbitas circulares ao redor do núcleo. Este sugeriu que essas órbitas devem ser elípticas.
Hoje

Nos dias atuais, o modelo "planetário", quer seja o de Bohr, quer seja o de Sommerfeld não é mais aceito. Prefere-se pensar que os átomos são constituídos por um núcleo de carga elétrica positiva mergulhado numa nuvem de elétrons. Um elétron confinado no átomo não tem posição determinada. Sua posição é definida em termos probabilísticos. Ele não ocupa um lugar bem definido, mas um lugar onde é mais provável encontrá-lo.

Esta é uma afirmação muito curiosa e que merece alguns comentários e enseja desdobramentos que ficam para um futuro artigo onde pretendemos abordar o tema "Determinismo e Física moderna".

Conclusão

Acompanhamos os esforços despendidos ao longo dos tempos na criação e aperfeiçoamento dos mais importantes modelos para descrever a estrutura do átomo. Inicialmente, ele não tinha estrutura alguma, não tinha partes, era indivisível (origem do seu nome). Com o tempo, novas propostas foram imaginadas, principalmente depois da descoberta do elétron. Os átomos passaram, então, a ser descritos como uma estrutura que envolvia cargas elétricas negativas (elétrons) e positivas (prótons), estes formando um núcleo rodeado por aqueles. Mais tarde (1932) foi descoberto outro componente do núcleo. Foi batizado de nêutron, por não ser possuidor de carga elétrica.

Atualmente, o que sabemos, ou julgamos saber, é que o átomo é formado de um núcleo e um punhado de elétrons. No núcleo encontra-se praticamente toda a massa do átomo e é constituído de prótons e nêutrons (e outras partículas que mantêm os prótons e nêutrons "grudados"). O núcleo é extremamente pequeno, comparado com o tamanho do átomo. Se imaginarmos que o núcleo tem o tamanho de uma bolinha de vidro, a posição mais provável em que se encontraria o elétron mais próximo estaria a muitos quilômetros de distância! Isso nos dá uma idéia de quão vazio é o átomo.

O punhado de elétrons forma uma "nuvem", pois os elétrons não têm uma posição definida, não são mais pensados como bolinhas movendo-se ao redor do núcleo.

Não obstante, pode-se calcular o "tamanho" de um elétron: é quase do "tamanho" de um núcleo. Foi essa conclusão que levou os físicos a descartarem um antigo modelo para o núcleo atômico, que propunha a existência de elétrons em seu interior; num núcleo atômico não cabem elétrons.

Para concluir esse longo artigo, gostaríamos de salientar que estamos apresentando uma visão da Física moderna. E lembrar que essa visão é apoiada em fatos experimentais e numa explicação teórica baseada na Mecânica Quântica, que é a teoria mais importante (se não a única) que temos atualmente. A vantagem da Mecânica Quântica é que ela funciona de forma notável nos mundos atômico e subatômico. A desvantagem, que muitos não aceitam como tal, é que sua atual formulação nos leva a descrições do mundo físico (microscópico) em termos probabilísticos. Daí termos falado em posição "mais provável" do elétron dentro do átomo. Como "Deus não joga dados", como dizia Einstein, possivelmente a Mecânica Quântica é uma teoria incompleta. Voltaremos ao assunto, possivelmente quando discorrermos sobre "Determinismo e Física moderna".

Bibliografia

PRÉ-SOCRÁTICOS. São Paulo: Abril Cultural, 1973. (Os pensadores, v. 1.)

TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física moderna. Rio de Janeiro: LTC, 2001.

(Parte deste artigo foi publicado anteriormente nos Anais da III Semana da Física, UEL - Londrina, PR, 1997 e, em sua totalidade, na seção Diversos da Gazeta do Racionalismo Cristão em junho de 2006.)


 

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