Modelo atômico de Thomson: características, postulados, partículas subatômicas

Modelo atômico de Thomson: características, postulados, partículas subatômicas

O modelo atômico de Thomson foi criado pelo célebre físico inglês JJ Thomson, que descobriu o elétron. Por essa descoberta e seu trabalho sobre condução elétrica em gases, ele foi agraciado em 1906 com o Prêmio Nobel de Física.

De seu trabalho com raios catódicos, ficou claro que o átomo não era uma entidade indivisível, como Dalton havia postulado no modelo anterior, mas continha uma estrutura interna bem definida. 

Thomson fez um modelo do átomo com base nos resultados de suas experiências com raios catódicos. Nele, ele afirmou que o átomo eletricamente neutro era constituído por cargas positivas e negativas de igual magnitude. 

Como se chamava o modelo atômico de Thomson e por quê?

Segundo Thomson, a carga positiva foi distribuída por todo o átomo e as cargas negativas foram incorporadas a ele como se fossem passas de um pudim. A partir dessa comparação, surgiu o termo “pudim de passas”, como o modelo era conhecido informalmente.

Embora a ideia de Thomson atualmente pareça bastante primitiva, na época representava uma nova contribuição. Durante a breve validade do modelo (de 1904 a 1910), teve o apoio de muitos cientistas, embora muitos outros o considerassem heresia. 

Finalmente, em 1910, surgiram novas evidências sobre a estrutura atômica e o modelo de Thomson rapidamente ficou para trás. Isso ocorreu assim que Rutherford publicou os resultados de seus experimentos de dispersão, que revelaram a existência do núcleo atômico.

No entanto, o modelo de Thomson foi o primeiro a postular a existência de partículas subatômicas e seus resultados foram fruto de uma experimentação fina e rigorosa. Dessa maneira, ele estabeleceu o precedente para todas as descobertas que se seguiram.

Características e postulados do modelo Thomson

Thomson chegou ao seu modelo atômico a partir de várias observações. A primeira foi que os recém-descobertos raios-X de Roentgen eram capazes de ionizar moléculas de ar. Até então, a única maneira de ionizar era separar quimicamente os íons em uma solução.

Mas o físico inglês conseguiu ionizar com sucesso até gases monatômicos como o hélio usando raios X. Isso o levou a acreditar que a carga dentro do átomo poderia ser separada e, portanto, não era indivisível.Ele também observou que os raios catódicos eles poderiam ser desviados por campos elétricos e magnéticos.

Thomson então criou um modelo que explicava corretamente o fato de que o átomo é eletricamente neutro e que os raios catódicos são feitos de partículas carregadas negativamente. 

Usando evidências experimentais, Thomson caracterizou o átomo da seguinte maneira:

-O átomo é uma esfera sólida eletricamente neutra, com um raio aproximado de 10 a 10 m.

-A carga positiva é distribuída mais ou menos uniformemente por toda a esfera.

-O átomo contém “corpúsculos” com carga negativa, que garantem sua neutralidade.

Esses corpúsculos são iguais para toda a matéria .

-Quando o átomo está em equilíbrio, existem n corpúsculos dispostos regularmente em anéis dentro da esfera de carga positiva.

-A massa do átomo é distribuída uniformemente.

Raios catódicos

Thomson realizou seus experimentos usando raios catódicos, descobertos em 1859. Os raios catódicos são feixes de partículas carregadas negativamente. Para produzi-los, tubos de vidro são usados ​​sob vácuo, nos quais são colocados dois eletrodos, chamados cátodo e ânodo

Relacionado:  Leis de Kirchhoff: primeira e segunda lei (com exemplos)

Em seguida, é passada uma corrente elétrica que aquece o cátodo, que emite radiação invisível que é direcionada diretamente ao eletrodo oposto. 

Para detectar radiação, que nada mais é que raios catódicos, a parede do tubo atrás do ânodo é coberta com um material fluorescente. Quando a radiação chega lá, a parede do tubo emite uma luz intensa.

Se um objeto sólido se interpõe nos raios catódicos, lança uma sombra na parede do tubo. Isso indica que os raios viajam em linha reta e também podem ser facilmente bloqueados.

A natureza dos raios catódicos foi amplamente discutida, pois sua natureza era desconhecida. Alguns pensavam que eram ondas do tipo eletromagnético, enquanto outros sustentavam que eram partículas. 

Partículas  subatômicas do modelo atômico de Thomson

O modelo atômico de Thomson é, como dissemos, o primeiro a postular a existência de partículas subatômicas. Os corpúsculos de Thomson nada mais são do que elétrons, as partículas fundamentais do átomo com carga negativa.

Atualmente, sabemos que as outras duas partículas fundamentais são o próton carregado positivamente e o nêutron não carregado. 

Mas eles não foram descobertos na época em que Thomson produziu seu modelo. A carga positiva no átomo estava distribuída, não considerava nenhuma partícula para carregar essa carga e, no momento, não havia evidências de sua existência.

Por esse motivo, seu modelo teve uma existência fugaz, pois, ao longo de alguns anos, os experimentos de dispersão de Rutherford abriram o caminho para a descoberta do próton. E, quanto ao nêutron, o próprio Rutherford propôs sua existência alguns anos antes de finalmente ser descoberto.

Crookes tube

Sir William Crookes (1832-1919) projetou o tubo que leva seu nome por volta de 1870, com a intenção de estudar cuidadosamente a natureza dos raios catódicos. Ele acrescentou campos elétricos e campos magnéticos e observou que os raios eram desviados por eles.

Dessa maneira, Crookes e outros pesquisadores, incluindo Thomson, descobriram que:

  1. Uma corrente elétrica foi gerada dentro do tubo de raios catódicos
  2. Os raios foram desviados pela presença de campos magnéticos, assim como as partículas carregadas negativamente.
  3. Qualquer metal usado para fabricar o cátodo serviu igualmente bem para produzir raios catódicos, e seu comportamento era independente do material.

Essas observações alimentaram a discussão sobre a origem dos raios catódicos. Aqueles que argumentavam que eram ondas confiavam no fato de que os raios catódicos podiam viajar em linha reta. Além disso, essa hipótese explicava muito bem a sombra de que um objeto sólido intermediário era lançado na parede do tubo e, em certas circunstâncias, as ondas causavam fluorescência. 

Mas, em vez disso, não se sabia como os campos magnéticos poderiam desviar os raios catódicos. Isso foi explicado apenas se esses raios fossem considerados partículas, uma hipótese que Thomson compartilhava.

Partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos uniformes

Uma partícula carregada com carga q experimenta uma força Fe no meio de um campo elétrico uniforme E de magnitude:

F e = qE

Quando uma partícula carregada atravessa perpendicularmente um campo elétrico uniforme, como o que ocorre entre duas placas com cargas opostas, ela experimenta um desvio e, portanto, uma aceleração:

Relacionado:  Diamagnetismo: materiais, aplicações, exemplos

qE = ma

a = qE / m

Por outro lado, se a partícula carregada se move com velocidade de magnitude v, no meio de um campo magnético uniforme de magnitude B, a força magnética F m que ela experimenta tem a seguinte intensidade:

F m = qvB

Desde que os vetores de velocidade e campo magnético sejam perpendiculares. Quando uma partícula carregada colide perpendicularmente a um campo magnético homogêneo, ela também sofre uma deflexão e seu movimento é circular uniforme.

A aceleração centrípeta ac neste caso é:

qvB = ma c

Por sua vez, a aceleração centrípeta está relacionada à velocidade da partícula v e ao raio R do percurso circular:

a c = v 2 / R

Portanto:

qvB = mv 2 / R

O raio do caminho circular pode ser calculado da seguinte forma:

R = mv / qB

Essas equações serão usadas posteriormente para recriar como Thomson deduziu a relação carga-massa do elétron.

Experiência de Thomson

Thomson passou um feixe de raios catódicos, um feixe de elétrons, embora ainda não o conhecesse, através de campos elétricos uniformes. Esses campos são criados entre duas placas condutoras carregadas e separadas a uma pequena distância. 

Ele também passou os raios catódicos através de um campo magnético uniforme, observando o efeito que isso teve no feixe. Nos dois campos, houve uma deflexão nos raios, o que levou Thomson a pensar, corretamente, que o feixe era composto de partículas carregadas.

Para verificar isso, Thomson realizou várias estratégias com raios catódicos:

  1. Ele variou os campos elétrico e magnético até as forças serem canceladas. Dessa maneira, os raios catódicos passaram sem sofrer deflexão. Igualando as forças elétrica e magnética, Thomson conseguiu determinar a velocidade das partículas do feixe.
  2. Ele cancelou a intensidade do campo elétrico, assim as partículas seguiram um caminho circular no meio do campo magnético.
  3. Ele combinou os resultados das etapas 1 e 2 para determinar a taxa de carga-massa dos “corpúsculos”.

A relação massa-carga do elétron

Thomson determinou que a razão de carga-massa das partículas que compunham o feixe de raios catódicos tinha o seguinte valor:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg -1 .

Onde q representa a carga do “corpúsculo”, que na verdade é o elétron e m é a sua massa. Thomson seguiu o procedimento descrito na seção anterior, que recriamos aqui passo a passo, com as equações que ele usou.

Passo 1

Equalize a força elétrica e a força magnética, passando o feixe através dos campos elétrico e magnético perpendiculares:

qvB = qE

Passo 2

Determine a velocidade adquirida pelas partículas do feixe quando elas passam diretamente sem deflexão:

v = E / B

etapa 3

Cancele o campo elétrico, deixando apenas o campo magnético (agora há deflexão):

R = mv / qB

Com v = E / B, resulta:

R = mE / qB 2

O raio da órbita pode ser medido, portanto:

q / m = v / RB

O bem:

q / m = E / RB 2

Seguintes passos

A próxima coisa que Thomson fez foi medir a relação q / m usando cátodos feitos de materiais diferentes. Como mencionado anteriormente, todos os metais emitiram raios catódicos com características idênticas.

Thomson então comparou seus valores com os da razão q / m do íon hidrogênio, obtido por eletrólise e cujo valor é de aproximadamente 1 x IO8 C / kg. A relação carga-massa do elétron é aproximadamente 1750 vezes maior que a do íon hidrogênio.

Portanto, os raios catódicos tinham uma carga muito maior, ou talvez uma massa muito menor que a do íon hidrogênio. O íon hidrogênio é simplesmente um próton, cuja existência era conhecida muito depois das experiências de espalhamento de Rutherford.

Relacionado:  Aceleração centrípeta: definição, fórmulas, cálculos, exercícios

Hoje se sabe que o próton é quase 1800 vezes mais massivo que o elétron e com uma carga de magnitude igual e sinal oposto ao do elétron.

Outro detalhe importante é que os experimentos de Thomson não determinaram diretamente a carga elétrica do elétron, nem o valor de sua massa separadamente. Esses valores foram determinados pelas experiências de Millikan, iniciadas em 1906.

Diferenças do modelo Thomson e Dalton

A diferença fundamental entre esses dois modelos é que Dalton pensava que o átomo é uma esfera. Ao contrário de Thomson, ele não propôs a existência de cargas positivas ou negativas. Para Dalton, um átomo era assim:

Como vimos anteriormente, Thomson pensava que o próprio átomo era divisível e cuja estrutura é formada por uma esfera positiva e elétrons ao seu redor.

Falhas e limitações do modelo

Na época, o modelo atômico de Thomson conseguiu explicar muito bem o comportamento químico das substâncias. Ele também explicou corretamente os fenômenos que ocorreram no tubo de raios catódicos. 

Mas, na verdade, Thomson nem chamou suas partículas de “elétrons”, embora o termo já tivesse sido cunhado por George Johnstone Stoney. Thomson simplesmente os chamou de “corpúsculos”.

Embora Thomson tenha usado todo o conhecimento que possuía no momento, existem várias limitações importantes em seu modelo, que ficaram evidentes muito em breve:

A carga positiva não é distribuída por todo o átomo . As experiências de espalhamento de Rutherford mostraram que a carga positiva do átomo está necessariamente confinada a uma pequena região do átomo, que mais tarde ficou conhecida como núcleo atômico. 

– Os elétrons têm uma distribuição específica dentro de cada átomo . Os elétrons não são distribuídos igualmente, como as passas do famoso pudim, mas têm um arranjo em orbitais que modelos posteriores revelaram.

É precisamente o arranjo dos elétrons no átomo que permite que os elementos sejam organizados por suas características e propriedades na tabela periódica. Essa foi uma limitação importante do modelo Thomson, que não explicava como era possível ordenar os elementos dessa maneira.

O núcleo atômico é o que contém a maior parte da massa. O modelo de Thomson postulou que a massa do átomo estava uniformemente distribuída dentro dele. Mas hoje sabemos que a massa do átomo está praticamente concentrada nos prótons e nêutrons do núcleo.

Também é importante notar que este modelo do átomo não nos permitiu inferir o tipo de movimento que os elétrons tinham dentro do átomo.

Artigos de interesse

Modelo atômico de Schrödinger .

Modelo atômico de Broglie .

Modelo atômico de Chadwick .

Modelo atômico de Heisenberg .

Modelo atômico de Perrin .

Modelo atômico de Dalton .

Modelo atômico de Dirac Jordan .

Modelo atômico de Demócrito .

Modelo atômico de Bohr .

Modelo atômico de Sommerfeld .

Modelo atômico atual .

Referências

  1. Andriessen, M. 2001. Curso HSC. Física 2. Jacaranda HSC Science.
  2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
  3. Knight, R. 2017. Física para cientistas e engenharia: uma abordagem estratégica. Pearson.
  4. Rex, A. 2011.  Fundamentos de Física . Pearson.
  5. Wikipedia. Modelo atômico de Thomson Recuperado de: es.wikipedia.org.

Deixe um comentário

Este site usa cookies para lhe proporcionar a melhor experiência de usuário. política de cookies, clique no link para obter mais informações.

ACEPTAR
Aviso de cookies