Modelo atômico atual: características, postulados e cientistas influentes

Modelo atômico atual: características, postulados e cientistas influentes

O modelo atômico atual  é aquele baseado na mecânica quântica, particularmente na equação de Schrödinger, no princípio da exclusão de Pauli e em uma propriedade do elétron chamada rotação ou rotação.

É o modelo de maior aceitação e uso no estudo da estrutura de átomos, moléculas e na reatividade química dos elementos, devido à precisão de suas previsões e à relativa simplicidade.

Esse modelo é a evolução de vários modelos atômicos anteriores, como o modelo de Rutherford e o modelo de Bohr – Sommerfeld, considerados modelos clássicos ou semi-clássicos. 

Atualmente, existem teoricamente modelos mais completos que o modelo quântico mecânico de Schrödinger, como o modelo de Dirac-Jordan, que incorpora relatividade especial e é baseado na equação da onda de Dirac. Nesta equação, o spin, propriedade dos elétrons mencionados no início, aparece naturalmente.

Existem também modelos baseados na teoria quântica de campos, aplicados em física de alta energia. Esses modelos são excelentes para prever a criação e aniquilação de partículas fundamentais, o objetivo deste campo da física.

Vale ressaltar que as teorias mais sofisticadas convergem para os mesmos resultados que as da equação de Schrödinger, principalmente para átomos leves. 

Características do modelo atômico atual

Na visão do átomo atual, baseado na mecânica quântica não relativista, não há espaço para o conceito de órbitas eletrônicas no estilo de sistemas planetários.

No entanto, a imagem mais difundida do átomo ainda é a de um núcleo central positivo e alguns pontos de carga elétrica negativa (os elétrons), girando em órbitas perfeitamente definidas ao redor do núcleo central. Mas, apesar de suas raízes, ele não  corresponde mais ao modelo atômico atual.

A Figura 2 mostra a imagem antiga e a imagem atual de um átomo de hélio em seu estado de energia mais baixo (nível n = 1 e l = 0).

A imagem clássica é útil para ver que o núcleo contém dois prótons e dois nêutrons. Garantindo a neutralidade do átomo, existem dois elétrons ocupando o mesmo nível de energia.

O resto é uma imagem distante da realidade , pois a escala do núcleo nem mesmo corresponde à do átomo: o núcleo é 1/100000 vezes o tamanho do átomo, mas é aí que a massa atômica está concentrada.

Dualidade onda – partícula

A mecânica clássica afirma que toda partícula material tem uma onda associada, chamada função de onda  . Essa é a famosa dualidade de onda-partícula de Louis De Broglie.

No modelo atômico atual, o comportamento do elétron na escala dos átomos é predominantemente ondulatório, enquanto no nível macroscópico, como os elétrons que se movem nos tubos de raios catódicos das antigas televisões, predomina o comportamento corpuscular. 

Por outro lado, com os fótons, é o contrário, na maioria dos fenômenos ópticos (no nível macroscópico) eles têm um comportamento fundamentalmente ondulatório. E quando eles interagem com átomos da matéria , eles têm um comportamento de partículas.

Devido a isso, os elétrons ao redor do núcleo estão espalhados em zonas chamadas orbitais atômicos , cuja forma e extensão dependerão do nível de energia dos elétrons e do momento angular.

Tanto a energia quanto o momento angular do elétron ao redor do núcleo têm certos valores permitidos; portanto, eles são quantizados .

A equação de onda de Schrödinger prevê quais valores de energia e momento angular são permitidos, bem como a função de onda associada a cada nível e momento de energia.

O quadrado matemático da função de onda determina os orbitais, ou seja, as áreas ao redor do núcleo onde os elétrons podem ser encontrados com maior probabilidade.

Tamanho do átomo

Para obter uma imagem em escala do modelo atômico atual, imagine que um átomo tenha um diâmetro como o de um campo de futebol. O núcleo seria como uma formiga no centro do campo, mas surpreendentemente com 99,9% da massa atômica.

Por outro lado, os elétrons seriam como jogadores fantasmas difusos em todo o campo, com maior probabilidade de serem encontrados no meio-campo.

Existem alguns alinhamentos ou maneiras permitidas de ocupar o campo, que dependem da energia dos jogadores (os elétrons) e da quantidade de “rotação” ou rotação ao redor do centro.

Postulados do modelo atômico atual

1.- O elétron é caracterizado por sua massa m, por seus giros s e por ser a partícula portadora de carga negativa elementar (-e). 

2.- Os elétrons têm um comportamento duplo, simultâneo de partículas de onda, mas dependendo de sua energia e da escala do fenômeno, um pode ser mais preponderante que o outro.

3.- Os elétrons circundam o núcleo atômico positivo, de forma a garantir a neutralidade elétrica do átomo. Portanto, o número de elétrons é igual ao número de prótons; Este é o número atômico , que fornece as características químicas e físicas de cada elemento.

4.- A interação entre elétrons e núcleo é modelada por meio do potencial eletrostático V ( r ) de Coulomb, ao qual o termo de energia potencial é incorporado no operador hamiltoniano.

5.- O termo  energia cinética no operador hamiltoniano é um operador construído a partir do operador de momento linear, sendo o mesmo:

p = – i ∂ / ∂ r

Onde ħ é a constante de Planck dividida por 2π.

6.- O operador hamiltoniano H = ( p⋅p) / 2m – e V ( r ) atua na função de onda do elétron Ψ ( r ).

7.- Como as soluções estacionárias da função de onda eletrônica são buscadas, é utilizada a equação de Schrödinger independente do tempo:

H Ψ ( r ) = E Ψ ( r )

Onde E representa a energia total do elétron.

8.- Em átomos com vários elétrons, a interação entre eles não é levada em consideração.

9.- Quando se trata de átomos de muitos elétrons, os orbitais dos elétrons mais externos são modelados pelo potencial do núcleo rastreado pelos elétrons mais internos, conhecido como potencial de Debye.

10.- A equação (7) tem uma solução para alguns valores de energia discretos, de modo que os famosos quanta de Planck surgem naturalmente das soluções da equação de Schrödinger.

11.- Para cada valor discreto de E existe uma função de onda. Mas algumas soluções são degeneradas, dependendo do valor do momento angular L.

12.- A função de onda é o produto de uma função radial, a função azimute e a função polar.

13.- Esta função de onda determina as regiões permitidas para o elétron. O quadrado da função de onda é a densidade de probabilidade de encontrar o elétron em uma determinada posição, vista do centro do núcleo atômico.

14.- O spin não aparece na equação de Schrödinger, mas é incorporado ao modelo atômico usando o princípio de Pauli:

O elétron é um férmion com dois estados possíveis de rotação + ½ e -½.

Portanto, o mesmo estado caracterizado pelos números quânticos n, l, m da equação de Schrödinger, pode ser ocupado no máximo por 2 elétrons com rotações opostas. Dessa maneira, a rotação se torna o quarto número quântico.

Cientistas influentes no atual modelo atômico

Parece incrível, mas a maioria dos físicos que contribuíram para o atual modelo atômico aparece na mesma foto. Eles se conheceram nas famosas conferências patrocinadas por  Ernest Solvay, químico e industrial de origem belga, que se tornou famoso no mundo da ciência.

Eles começaram a ser realizados a partir de 1911 e reuniram os maiores cientistas do momento, dentre eles praticamente todos aqueles que deram sua contribuição ao atual modelo atômico.

A mais famosa dessas conferências foi realizada em Bruxelas em 1927 e esta fotografia histórica foi tirada lá:

  1. Peter Debye
  2. Irving Langmuir
  3. Martin Knudsen
  4. Auguste Piccard
  5. Max Planck
  6. William Lawrence Bragg
  7. Émile Henriot
  8. Paul Ehrenfest
  9. Marie Curie
  10. Hendrik Anthony Kramers
  11. Édouard Herzen
  12. Hendrik Antoon Lorentz
  13. Théophile de Donder
  14. Paul Adrien Maurice Dirac
  15. Albert Einstein
  16. Erwin Schrödinger
  17. Arthur Holly Compton
  18. Jules-Émile Verschaffelt
  19. Paul Langevin
  20. Louis-Victor de Broglie
  21. Charles-Eugène Guye
  22. Wolfgang Pauli
  23. Werner Heisenberg
  24. Max nascido
  25. Charles Thomson Rees Wilson
  26. Ralph Howard Fowler
  27. Léon Brillouin
  28. Niels Bohr
  29. Owen Williams Richardson

Artigos de interesse

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Modelo atômico de Perrin .

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Modelo atômico de Dirac Jordan .

Modelo atômico de Demócrito .

Modelo atômico de Bohr .

Referências

  1. Alonso – Finn. Fundamentos quânticos e estatísticos. Addison Wesley.
  2. Bauer, W. 2011. Física para Engenharia e Ciências. Volume 1. Mc Graw Hill.
  3. Eisberg e Resnick. Física quântica. Limusa – Wiley.
  4. Wikipedia. Teoria atômica. Recuperado de: es.wikipedia.com
  5. Zapata F. Modelo quântico-mecânico do átomo. Recuperado de: lifeder.com

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