MODELOS ATÔMICOS

Nas ciências o termo modelo, também chamado de teoria trata-se de uma explicação dos princípios gerais de certos fenômenos, com considerável evidência experimental ou fatos para suportá-los. Os modelos são formulados teoricamente a partir das observações experimentais dos fenômenos. Se uma hipótese é suficientemente geral e é continuamente efetiva em prever fatos que ainda serão observados, esta hipótese é chamada de modelo ou teoria. Logo, podemos dizer que modelo nada mais é que uma conjectura para explicar de forma racional os fatos que ocorrem no universo.

Na tentativa de explicar como a matéria é constituída intimamente, ou seja, em seus pormenores, em sua mais íntima essência, os químicos e físicos da era moderna (considera-se como pioneiro o químico francês Antoine Laurent Lavoisier, com a publicação de sua obra mais célebre o famoso Tratado Elementar de Química, publicado em 1789 na França) formularam diversas explicações na tentativa de desvendar o que forma as diferentes substâncias e materiais que constituem o universo, nessa busca levantaram diferentes conjecturas do que seriam e como seriam os átomos, os elementos e os compostos químicos.

Na listagem a seguir são mostrados os principais modelos atômicos formulados pelos cientistas:

1. Leucipo e Demócrito: filósofos gregos (modelo filosófico): século V a. C.2. John Dalton (modelo químico): 1803.3. Joseph John Thomson (modelo físico-químico): 1897.4. Philipp Eduard Anton Von Lénard (modelo físico-químico): 1903.5. Hantaro Nagaoka (modelo físico-químico): 1904.6. Ernest Rutherford (modelo físico-químico): 1911.7. Niels Bohr (modelo espectroscópico): 1913.8. Arnold Sommerfeld (modelo espectroscópico): 1915.9. Modelo atômico atual: proposto pela união dos estudos de vários cientistas: Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Louis de Broglie, Paul Dirac, Erwin Schroedinger, Max Born (modelo orbital ou modelo quântico): década de 1920, entre os anos de 1926-1927.

8. O modelo atômico de Sommerfeld:Logo após Niels Bohr enunciar seu modelo (1913), Arnold Sommerfeld utilizando

espectroscópios de melhor resolução (mais potentes) e de técnicas mais avançadas na análise dos espectros de emissão dos elementos (cujos átomos possuem mais de 1 elétron), foi possível observar que as raias consideradas anteriormente constituídas por uma única linha eram, na realidade, um conjunto de linhas distintas muito próximas umas das outras. Estava descoberta a chamada estrutura fina dos espectros de emissão.

O desdobramento das linhas do espectro indica que os níveis energéticos (n) são constituídos por subdivisões (subníveis) de energia (l) muito próximas.

Sommerfeld verificou-se que um elétron, numa mesma camada, apresentava energias diferentes. Como poderia ser possível se as órbitas fossem circulares? Como explicar esta multiplicidade de raias espectrais verificadas experimentalmente?

Em 1915, Sommerfeld sugeriu que as órbitas fossem circulares e/ou elípticas, pois em uma

elipse há diferentes excentricidades (distância do centro), gerando energias diferentes para uma mesma camada. Ele considerou que cada nível de energia n está subdividido em l subníveis, correspondentes a uma órbita circular e a (n – 1) órbitas elípticas de diferentes excentricidades. Onde o núcleo do átomo, sempre, ocupa um dos focos da elipse. Assim: O primeiro nível (n=1) possui apenas uma órbita circular (possui apenas 1 subnível); O segundo nível (n=2) possui uma órbita circular e uma órbita elíptica (possui 2 subníveis); O terceiro nível (n=3) possui uma órbita circular e duas órbitas elípticas (possui 3 subníveis); O quarto nível (n=4) possui uma órbita circular e três órbitas elípticas (possui 4 subníveis) e

assim por diante.

A Figura 1, mostrada abaixo evidencia essas diferentes órbitas seguidas pelos elétrons de uma mesma camada (nível).

Figura 1: ilustração do átomo proposto por Sommerfeld, evidenciando as diferentes

excentricidades dos elétrons (órbitas circulares e elípticas).

Desse modo, a energia mecânica total do elétron é então determinada pela distância que o elétron se encontra do núcleo (energia potencial) e pelo tipo de órbita (circular ou elíptica) que ele descreve (energia cinética).

9. Modelo do Orbital Atômico ou Modelo Quântico: suas principais características incluem: o comportamento dual do elétron (De Broglie), a incerteza posição-velocidade do elétron (Heisenberg), e a ideia de orbital.

Na década de 1920, houve um grande desenvolvimento da Física, que culminou com o estabelecimento da teoria da mecânica quântica. O modelo atômico que emergiria do esforço dessa geração de físicos iria abandonar as ideias de órbita e, por conseguinte, de trajetória para descrever o comportamento do elétron. Em quatro lugares diferentes da Europa - Göttingen, Copenhague, Cambridge e Zurique -, físicos chegariam a diferentes formulações para essa nova mecânica quântica. As formulações de Werner Heisenberg – que seriam aplicadas por Wolfgang Pauli ao átomo de hidrogênio – e de Paul Dirac foram propostas mais ou menos na mesma época em que era desenvolvida por Erwin Schroedinger a equação de onda associada ao elétron.

Talvez por descrever o elétron como uma onda, fenômeno já bastante conhecido na época, a equação de Schroedinger tornou-se muito mais popular que as outras descrições do mesmo fenômeno. Um problema, no entanto, persistia: a solução da equação de Schroedinger, que descrevia o comportamento das partículas, resultava numa grandeza ondulatória – a função de onda (psi).

Em 1926, Max Born propôs que o quadrado do módulo da função de onda poderia ser

interpretado como a densidade de probabilidade eletrônica, isto é, como a probabilidade de encontrar o elétron em uma região da eletrosfera. Dessa forma, a aplicação de uma equação de onda ao elétron resultaria numa descrição probabilística dele.

Figura 2: Diferença entre orbita e orbital.

Essa descrição probabilística resulta na ideia de orbital, definido como a região mais provável de encontrar um elétron a certa distância do núcleo.

Figura 3: O orbital atômico.

Para o átomo de hidrogênio no estado fundamental, essa descrição pode ser representada como mostra a figura abaixo:

Figura 4: Representação do orbital 1s para o átomo de hidrogênio segundo o modelo atômico atual.

Figura 5: Distribuição da densidade eletrônica no estado fundamental do átomo de hidrogênio.

Note que orbital é uma região do espaço que não tem fronteiras bem delimitadas. Normalmente, nos referimos a esses diferentes orbitais usando as letras s, p, d e f.

A figura a seguir mostra a forma geométrica dos orbitais atômicos s, p, d e f, segundo o modelo da mecânica quântica.

Figura 6: Representação dos orbitais p.

Figura 7: Representação dos orbitais s, p e d.

Figura 8: Representação dos orbitais d.

Figura 9: Representação dos orbitais f.