3.1 Estudo de Caso baseado na teoria atômica

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Índice
1.
Introdução ............................................................................................................................ 2
2. Revisão Bibliográfica ............................................................................................................. 3
2.1 A atomística .......................................................................................................................... 3
2.1.1. A Estrutura atômica......................................................................................................... 3
2.1.2 O Modelo de Thompson .................................................................................................. 4
2.1.3 O Modelo de Rutherford .................................................................................................. 4
2.1.4 O Modelo de Bohr ............................................................................................................ 5
2.1.5 O Modelo Quântico de Schrödinger (modelo atual) .................................................... 6
2.2 Descoberta dos raios X....................................................................................................... 8
3. Aplicação da Teoria na vida atual ....................................................................................... 9
3.1 Estudo de Caso baseado na teoria atômica.................................................................... 9
3.2 Desenvolvimento cientifico brasileiro.............................................................................. 11
4. Conclusão ............................................................................................................................. 12
5. BIBLIOGRAFIA..................................................................................................................... 13
2
1. Introdução
Os
blocos
básicos
de
construção
de
matéria
são átomos.
Cada átomo consiste dum núcleo compacto, no qual reside praticamente
toda a sua massa (exceto por uma pequena fração da mesma), rodeada por
uma nuvem de partículas leves chamadas elétrons. O raio do átomo típico,
referindo-se aqui ao raio até aos limites exteriores da sua nuvem de elétrons
é cerca de 10 e-10 metros. Isto é cerca de dez mil vezes maior do que o raio
do seu núcleo (o qual tem por volta de 10 e-14 metros).
O núcleo do átomo típico consiste de um número de partículas
pesadas e juntamente unidas (que são coletivamente chamadas núcleos.
Os dois tipos de núcleo são:

Próton, que tem uma carga elétrica positiva,

Nêutron, que tem uma carga neutra.
Os elétrons, que no modelo mais simples de um átomo podem ser
visualizados como orbitando à volta do núcleo como planetas à volta do sol,
têm cargas elétricas negativas; A carga negativa dum elétron é igual em
magnitude, mas oposta no sinal, à dum próton. Um átomo completo, ou
neutro, tem o mesmo número de elétrons de carga negativa como de próton
de carga positiva, e, portanto tem uma carga total de zero, ou neutra;
um átomo completo é, portanto chamado um átomo neutro.
Uma característica importante do núcleo é que ele determina o tipo
químico do elemento que representa, por causa do número de prótons que
contém. O hidrogênio (símbolo químico, H) é o mais leve e o mais simples
de todos os elementos químicos, e é também de longe o elemento mais
abundante no universo. O núcleo dum átomo de hidrogênio consiste apenas
de um só próton e de apenas um só nêutron.
Hélio (símbolo químico, He) é o próximo elemento mais leve, e o
segundo mais abundante, constituindo mais que 25% da matéria no
3
universo. Um núcleo normal de hélio contém dois prótons e dois nêutrons.
Por ele ter dois prótons tem que ter dois elétrons orbitando na nuvem à volta
do núcleo para estar eletricamente neutro.
Os núcleos mais pesados, como o do ferro ou do URÂNIO, contêm
mais nêutrons que prótons, mas o número de elétrons tem que ser sempre
igual ao número de prótons para o átomo estar eletricamente neutro.
A estrutura da matéria é um dos assuntos inacabados da ciência. Tudo
começou na Grécia Antiga quando Demócrito e Leucipo, ambos filósofos,
pensaram: se pegássemos algo e dividíssemos infinitamente, a que
chegaríamos? Então eles chegaram à conclusão de que a matéria deveria ser
formada por partículas indivisíveis chamadas átomos (do grego: não-divisível).
Deve-se salientar que Leucipo e Demócrito eram filósofos e não chegaram a
estudar o átomo, simplesmente propuseram a existência do mesmo.
2. Revisão Bibliográfica
2.1 A atomística
Atualmente são conhecidos pouco mais de 100 elementos químicos,
sendo 92 deles encontrados naturalmente. Cada um é caracterizado por um
átomo que apresenta um número atômico (Z) e uma massa atômica (A).
As propriedades químicas e físicas e a natureza periódica dos elementos
são determinadas pela distribuição dos elétrons ao redor do núcleo. Como a
emissão de raios X ocorre em nível atômico, torna-se necessário o
conhecimento geral da estrutura atômica.
2.1.1. A Estrutura atômica
Ainda no final da década de 1880, não se sabia nada sobre a estrutura
atômica. Então parecia razoável supor que os átomos continham milhares de
elétrons. O hidrogênio apresentava 900 elétrons, o que correspondia à metade
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de sua massa, a mesma razão se manteria para outros átomos como o
oxigênio com 14000 ou 15000.
Segundo estas anotações o ferro teria em torno de 50000 elétrons e um
átomo de ouro cerca de 180000 elétrons. No inicio do século XX foram
propostas duas teorias para explicar a estrutura do átomo. O físico japonês
Hantaro Nagaoka, propôs que elétrons negativos formavam anéis que giravam
em torno de uma esfera carregada positivamente.
A outra teoria desenvolvida por J. J. Thompson propunha que os
elétrons se encontravam dentro de uma esfera de carga elétrica positiva. Entre
as duas teorias, a que prevaleceu na época perante a comunidade cientifica foi
à segunda, isto por haver maior consistência teórica.
2.1.2 O Modelo de Thompson
A estrutura do átomo começou a ser descoberta no início do século XX.
Em torno de 1910, acumularam-se muitas evidências de que o átomo continha
elétrons. J. Thompson propôs um modelo de átomo, no qual os elétrons
carregados negativamente estariam localizados no interior de uma distribuição
contínua de carga positiva. E devido à repulsão mútua os elétrons estariam
distribuídos na esfera de carga positiva.
Num átomo que esteja no seu estado de menor intensidade de energia
possível, os elétrons estariam fixos em suas posições de equilíbrio. Já nos
átomos excitados, os elétrons vibrariam em torno de sua posição de equilíbrio.
Como a teoria do eletromagnetismo prevê que um corpo acelerado e em
vibração pode emitir radiação eletromagnética, era possível entender,
qualitativamente, a emissão de radiação por átomos excitados com base no
modelo de Thompson.
2.1.3 O Modelo de Rutherford
Em 1914, Rutherford concluiu que a demonstração do modelo de
Thompson estaria inadequada, e propôs um novo modelo, onde, todas as
5
cargas positivas, e sua massa estariam concentradas em torno de uma
pequena região no centro do átomo, chamada de núcleo e os elétrons
circulavam em torno deste núcleo.
O modelo de Rutherford mantinha ainda o mesmo inconveniente que o
modelo de Thompson, a não estabilidade do átomo. Os elétrons estariam
girando acelerados ao redor do núcleo, e de acordo com a teoria
eletromagnética, todos os corpos carregados emitem radiações na forma de
radiação eletromagnética. O elétron tenderia a perder energia até atingir o
núcleo e toda a matéria entraria em colapso. Isto, porém não foi observado
experimentalmente.
Então o problema da instabilidade do átomo levou a elaboração de um
novo modelo proposto por Bohr.
2.1.4 O Modelo de Bohr
Bohr propôs em 1925 um modelo parecido com o de Rutherford.
Entretanto seu modelo era baseado em quatro postulados:
1) Um elétron de um átomo se move em uma órbita circular, bem
definida, em torno do núcleo sob a influência da atração colombiana
entre o elétron e o núcleo. Estas órbitas bem definidas são chamadas de
estados estacionários do elétron;
2) Um elétron só pode se mover em uma órbita na qual seu
momento angular orbital L é um múltiplo inteiro de h (constante de
Planck dividida por 2π).
Este postulado implica na quantização da energia do elétron;
3) O elétron que se move em uma órbita em torno do núcleo não
emite radiação eletromagnética;
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4) Um átomo emite radiação eletromagnética somente quando um
elétron faz uma transição de um estado estacionário para outro. A
energia da radiação emitida é dada pela equação 3.1:
if
E=E–E
(Equação 1)
Onde:
Ei e Ef são as energias dos elétrons nos orbitais
inicial e final, respectivamente.
O modelo de Bohr mostrou que os elétrons de um átomo podem ser
convenientemente representados por níveis de energia num diagrama
chamado de nível de energia.
2.1.5 O Modelo Quântico de Schrödinger (modelo atual)
Proposto por Schrödinger em 1932 o modelo abandona a idéia de
orbitais bem definidos para o elétron. Na teoria quântica, o elétron é
representado por uma função de onda ψ. O quadrado do módulo da função de
onda do elétron |ψ|2 fornece a probabilidade de se encontrar o elétron numa
certa região do espaço próximo ao núcleo. O orbital é a região do espaço, onde
temos grande probabilidade de encontrar determinado elétron. O elétron em
cada instante estaria num ponto, dentro do orbital.
Porém, não se sabe, exatamente, em qual região se encontraria o
elétron, num dado instante. Então segundo o modelo não se pode dizer que o
elétron gira ao redor do núcleo. O elétron se encontraria em movimento dentro
do orbital.
Enquanto permanecer no orbital, o elétron não pode ganhar e nem
perder energia. Na mecânica quântica, os elétrons deixariam de ter orbitais e,
formariam nuvens de probabilidade de diferentes tamanhos e formas. Essa
configuração é conhecida como estado quântico e a ela estão associados
quatro números quânticos:
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1) Número quântico principal (n), um número positivo inteiro;
2) Número quântico orbital (I), valores dentro de n –1;
3) Número quântico magnético (m), representado por 2I + 1;
4) Número quântico spin (s).
O número quântico principal está associado à dependência entre a
função de onda do elétron e a distância r do núcleo, e, portanto há
probabilidade de se encontrar o elétron a uma certa distância do núcleo. Os
números quânticos I e m estão associados ao movimento angular do elétron e
à dependência angular da função de onda do elétron.
No atual modelo o elétron não pode mais ser compreendido como uma
“esfera” de carga elétrica negativa, girando ao redor do núcleo. No modelo
quântico o elétron é um ente físico com carga negativa, caracterizado pelo seu
estado quântico. Quando ocorre a mudança de um estado quântico ocorre à
emissão de radiação eletromagnética. Isso leva ao conceito de níveis de
energia.
A Figura 1 mostra, esquematicamente, a evolução do conceito atômico
nos quatro modelos propostos.
Figura 1 – Evolução da teoria atômica, modelos de Thomson; Rutherford; Bohr e
Schrödinger – modelo atual (Fonte: www.educar.sc.usp.br).
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2.2 Descoberta dos raios X
Em 1895, quando o cientista Wilhelm Konrad Roentgen, professor de
física na Universidade de Würzburg, começou a ocupar-se do estudo dos raios
catódicos (assim chamados por serem produzidos no cátodo dos tubos de
vácuo) e realizou algumas experiências com tubos de vácuo elevado.
Consistiam em tubos de vidro cuidadosamente esvaziados de ar, em cujo
interior, em extremidades opostas, colocavam-se duas pequenas lâminas.
Essas lâminas eram ligadas aos pólos de um gerador de alta tensão.
Onde estabelecida à passagem de corrente, obtinha-se no tubo a emissão de
radiação luminosa que permanecia dentro do tubo.
As experiências eram feitas em laboratórios escuros, o que permitia uma
melhor análise das fracas radiações produzidas no tubo. Certo dia, Roentgen
envolveu um tubo com papelão preto. Casualmente, sobre uma mesa próxima
havia uma tela de papel impregnada de platinocianeto de bário em uma das
faces. A cada descarga do tubo, a tela se iluminava com uma luz esverdeada.
E a produção do fenômeno se verificava, quer quando a face impregnada
estava voltada para o tubo, quer quando isso ocorria com a superfície oposta.
Roentgen chegou à conclusão de que a tela era atingida por uma
radiação invisível, capaz de transpor o obstáculo representado pelo anteparo
negro e esta radiação foi chamada de raios X.
Posteriormente em 1913 Moseley estabeleceu as bases da análise
espectral de raios X, relacionando os comprimentos de onda de linhas
características com os números atômicos dos elementos. Desde então, a
Fluorescência de Raios X (XRF, XRay Fluorescence) desenvolveu-se como um
poderoso método analítico.
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3. Aplicação da Teoria na vida atual
3.1 Estudo de Caso baseado na teoria atômica
O estudo pratico aplicado nos dias atuais permitiu com base nos
conceitos fornecidos anteriormente na formulação da teoria da antimatéria. A
Matéria que apresenta carga elétrica inversa.
Um átomo de antimatéria contém elétrons com carga positiva
e prótons com carga negativa. Se a matéria e a antimatéria se encontrassem,
explodiriam formando uma chuva de raios gama. Com base nesse conceito foi
criada uma experiência na Europa.
A experiência, que decorreu no desacelerador de antiprótons na sede
do CERN, em Genebra, permitiu "detectar e medir um amplo número de
átomos de anti-hidrogênio frios", segundo um comunicado divulgado pelo
laboratório europeu.
"Baseando-se na ionização dos antiátomos quando passam através de
um forte campo magnético pendente", assinala a nota, a medição da equipe
conseguiu "olhar pela primeira vez dentro de um antiátomo e obter a primeira
informação sobre a física do anti-hidrogênio".
"Sabemos desde a década de 30 que a cada uma das partículas
fundamentais da matéria, que constituem tudo aquilo que vemos, corresponde
uma antipartícula, que não existe sob forma estável no mundo", explicou o
investigador, que também desenvolve trabalhos no CERN.
Mais, a existência de:

elétrons e antielétrons,

prótons e antiprótons,

átomos e antiátomos,

partículas e antipartículas,

matéria e antimatéria, é uma "simetria básica da natureza", disse.
10
"No entanto, a antimatéria aniquila-se com a matéria que está à sua
volta, destruindo-se e dando origem a fótons (luz)", continuou, explicando ser
essa a razão porque "é impossível ver um Universo onde exista matéria
e antimatéria ao mesmo tempo".
Daí a importância dos trabalhos desenvolvidos no Desacelerador de
partículas do CERN, pois permitiram criar anti-átomos de hidrogênio (o átomo
de hidrogênio é o mais simples que existe na natureza, apenas composto por
um elétron e um próton, o que explica a sua escolha neste tipo de
investigação) para estudar as propriedades da antimatéria.
"A partir deste modelo de antipartícula e antimatéria será possível
avançar no conhecimento de tudo o que nos rodeia, na medida em que será
possível entender porque, algures no processo de criação do Universo, esta
simetria básica da natureza foi destruída", indicou.
"Entender
porque
é
que
existe
existem estrelas, planetas, galáxias no
matéria,
porque
nosso Universo e
é
não
que
existe
apenasantimatéria, ou seja, luz, é ainda um mistério", continuou João Varela.
A técnica utilizada pela equipe de cientistas do CERN consistiu em
"prender pósitrons entre dois grupos de antiprótons numa estrutura de ninho",
de forma a que os pósitrons arrefecessem os antiprótons.
Assim que os dois alcançaram uma temperatura semelhante, alguns
combinaram-se entre si para formar átomos de anti-hidrogênio (pósitrons em
órbita em redor de núcleos de antiprótons).
O cientista alemão Walter Oelert, um dos membros da equipa
responsável pela experiência, recordou que em 1996 produziram-se alguns
átomos de anti-hidrogênio a uma velocidade próxima da luz, o que equivale a
uma temperatura 100.000 vezes superior à do centro do Sol".
"Um
material
demasiado
quente
para
manipular",
comentou.
Acrescentou que nesta experiência se obteve anti-hidrogênio em maior
quantidade e a uma temperatura fria de apenas uns graus acima do zero
11
absoluto. O porta-voz da Universidade norte-americana de Harvard, Jerry
Gabrielse, citado pelo CERN, assinalou que esta é uma "medição sem
precedentes".
A equipa do CERN conseguiu ainda medir o campo magnético
necessário para ionizar os átomos de anti-hidrogênio e os resultados mostram
que "os anti-átomos encontram-se num estado de alta excitação", indica o
CERN.
3.2 Desenvolvimento cientifico brasileiro
Pesquisador da UFRJ é destaque na Nature, uma das revistas
científicas mais importantes do mundo, um artigo do pesquisador da UFRJ
Claudio Lenz César, sobre descobertas que vão permitir testar teorias
fundamentais no campo da Física.
A equipe da qual Lenz faz parte, produziu grande quantidade
de antiátomo do hidrogênio resfriado à baixa temperatura e conseguiu
aprisioná-lo no vácuo. Isso vai possibilitar aos cientistas comprovarem uma das
teorias fundamentais da física, o chamado Modelo_Padrão, segundo o
qual matéria e antimatéria são
semelhantes.
Tal fato
nunca pôde
ser
comprovado porque o átomo, quando em movimento, causa interferência e
impede a obtenção de resultados confiáveis.
As diversas possibilidades abertas por essas descobertas podem dar
aos pesquisadores o prêmio Nobel de Física. Uma delas é como o antihidrogênio responde à força da gravidade. Os resultados podem levantar
questões sobre a validade da teoria da Relatividade e mostrar o caminho para
unificá-la com a teoria Quântica.
Entretanto, essa descoberta também vai trazer vantagens tecnológicas,
que permite, por exemplo, a construção de relógios atômicos ainda mais
precisos.
Uma
das
utilizações
desses
(geoposicionamento através de satélites).
relógios
é
no
sistema
GPS
12
A Universidade tem importante participação nesse projeto já que o
laboratório de Super Espectroscopia da UFRJ domina a técnica de
resfriamento de átomos, permitindo o aprisionamento dos mesmos em
armadilhas magnéticas,
o
que
possibilita
a
realização
de medições
extremamente precisas de suas propriedades ópticas. Ele está localizado no
Instituto de Física, no Centro de Tecnologia da Ilha do Fundão, e é coordenado
pelo professor Luiz Davidovich. “Essa técnica já existia antes, porém,
no Brasil, foi um trabalho pioneiro”, afirma o diretor do Instituto de Física José
Albuquerque.
As descobertas feitas na UFRJ permitiram a Lenz César integrar uma
equipe de 39 cientistas e nove instituições (entre elas o Instituto de Física) que
desenvolveram o projeto que está sendo publicado agora pela “Nature” nos
laboratórios da Organização Européia de Pesquisa Nuclear (CERN) na Suíça.
4. Conclusão
Esse trabalho teve como contribuição para o estudo dos modelos
atômicos o enfoque de encarar que toda a evolução atômica permitiu o estudo
de variadas aplicações do conceito atomístico.
Nesse trabalho foi enfocado apenas o conceito atômico para o estudo da
antimatéria, contudo, o desenvolvimento do estudo do átomo proporcionou uma
gama de pesquisas e contribuições científicas. Tais como, o desenvolvimento
dos raios X, da radioatividade entre outros.
A contribuição desse estudo é enorme no desenvolvimento acadêmico
do aluno, uma vez que possibilita um primeiro contato com a formulação de
como realizar uma pesquisa bibliográfica, de como preparar um trabalho para
avaliação.
Isso se torna importante, uma vez que na formação de um engenheiro
não só é vital a estudo de disciplinas interdisciplinares, mas também permitir
que se possa ampliar a visão acadêmica do aluno de modo a prepará-lo para
13
um possível estudo em nível de pós-graduação com base na formulação da
metodologia de pesquisa.
5. BIBLIOGRAFIA
F. Ostermann, L. Mendonça e C.J.H. Cavalcanti, Revista Brasileira de Ensino
de Física 20, 437 (1998).
E.C. Valadares e A.M. Moreira, Caderno Catarinense de Ensino de Física 15,
121 (1998).
C.E. Laburú, A.M. Simões e A.A. Urbano, Caderno Catarinense de Ensino de
Física 15, 1192 (1998).
F. Catelli, Caderno Catarinense de Ensino de Física 18, 108 (2001).
M.A. Cavalcante, A. Piffer e P. Nakamura, Revista Brasileira de Ensino de
Física 23, 108-112 (2001).