UMA฀NOVA฀PARTÍCULA฀ATÔMICA

Vejamos o que mais podemos prever com o modelo de Rutherford. Na aula passada, vimos que átomos de diferentes elementos têm de diferir de um número inteiro de próton e elétrons. Portanto, usando o modelo de Rutherford, o segundo átomo mais simples, com número atômico

Z = 2, seria aquele contendo dois prótons e dois elétrons. Os dois prótons

formam o núcleo atômico em torno do qual os dois elétrons se movem, como na Figura 8.4:

Mas agora voltamos a ter um problema sério. Como entender que duas partículas com carga positiva possam coexistir numa região extremamente pequena, como a do núcleo atômico? Mas este átomo, com Z = 2, existe. É o átomo do elemento chamado hélio (He).

Bem, o único jeito é imaginar que existe alguma coisa que “isola” um próton do outro, dentro do núcleo atômico. Mas esta “coisa” não pode ter carga alguma, você concorda? Esta coisa teria de ser eletri- camente neutra. E ela teria massa?

Segundo o modelo de Rutherford, a massa do átomo de hidrogênio seria praticamente igual à massa do próton, já que m_p ≅ 1.840 m_e:

M_H = Z (m_p + m_e ) ≅ 1 m_p

Da mesma forma, para o átomo de hélio, teríamos: M_He = 2 (m_p + m_e ) ≅ 2 m_p = 2 M_H Ou seja, a massa atômica do hélio deveria ser duas vezes maior do que a do hidrogênio. Entretanto, experimentalmente sabe-se que a massa atômica do hélio é praticamente quatro vezes maior do que a do hidrogênio!

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Química฀I฀฀|฀Por฀dentro฀do฀átomo

Com exceção do átomo mais simples, se para cada próton do núcleo acrescentarmos também uma outra partícula, neutra e de massa igual ou quase igual à do próton, resolveremos os dois problemas de uma só vez. Vamos chamar esta nova partícula de nêutron. No núcleo do átomo de hélio teríamos, portanto, 2 prótons e 2 nêutrons.

A presença desses dois nêutrons, “isolando” os prótons,

estabilizaria o núcleo e conferiria ao átomo de hélio uma massa atômica

4 vezes maior do que a do átomo de hidrogênio:

M_He = 2 (m_p + m_e + m_n ) ≅ 2 (m_p + m_n) = 4 M_H Podemos então considerar a existência do nêutron como uma outra previsão do modelo de Rutherford.

A existência do nêutron foi proposta por Rutherford em 1920, mas seguindo uma linha de raciocínio diferente da que usamos antes. Quando estudarmos radioquímica, você verá o que levou Rutherford a propor a existência do nêutron. Entretanto, como na sua análise, Rutherford usou o seu modelo atômico, é válido dizer que a existência do nêutron foi também uma previsão do modelo atômico de Rutherford. O nêutron foi descoberto em 1932, por James Chadwick, um ex-aluno de Rutherford, confi rmando assim a previsão do modelo.

RESPOSTA฀COMENTADA

As฀cargas฀positivas฀do฀átomo฀fi฀cam฀restritas฀a฀um฀espaço฀ muito฀pequeno,฀portanto฀há฀uma฀grande฀força฀de฀repulsão฀ entre฀elas.฀Os฀nêutrons฀têm฀carga฀neutra,฀por฀isso฀acabam฀ “isolando”฀ os฀ prótons฀ (carga฀ positiva)฀ e฀ estabilizando฀ o฀ núcleo.

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AULA

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฀EXISTE฀UM฀VALOR฀MÁXIMO฀PARA฀Z?

Usando o modelo de Rutherford, poderíamos, a partir do átomo de hidrogênio, construir diferentes tipos de átomos simplesmente adicionando um próton e um elétron de cada vez. Ah! Mas agora temos também de adicionar um número de nêutrons, pelo menos igual ao de prótons, para estabilizar o núcleo atômico. Para cada próton adicionado, o número atômico, Z, aumenta uma unidade.

Muito bem, mas até onde poderíamos ir? Ou seja, existe um valor máximo para Z?

De acordo com o modelo, toda a carga positiva do átomo estaria concentrada no núcleo atômico. À medida que aumentamos a carga nuclear, aumenta também a força de atração do núcleo pelos elétrons. Pela lei de Coulomb, o módulo da força com que um núcleo contendo Z prótons atrai um elétron qualquer do átomo é:

F = Zq q_d

+ −

2

onde q+ _{é a carga do próton e q}– _{a do elétron (claro que q}+ _{= - q}–_{), e d é}

a distância do elétron ao núcleo.

Para escapar de serem “sugados” pelo núcleo, os elétrons terão de se movimentar rapidamente. E, cada vez que aumentamos Z, a velocidade dos elétrons tem de aumentar, já que a força de atração aumenta. Portanto, uma outra maneira de se colocar a pergunta que abre esta seção é: existe um limite para a velocidade dos elétrons num átomo?

A resposta é sim! Na natureza nenhum corpo pode se mover com velocidade maior do que a velocidade da luz. E isto vale também para qualquer elétron de um átomo.

Sabendo desta limitação, podemos relacionar a força de atração do núcleo com a velocidade do elétron. Desta relação, podemos estabelecer um valor máximo para Z. Mais à frente vou mostrar como fazer isto. Por ora vou adiantar que o valor máximo de Z é aproximadamente 137.

Assim, usando o modelo atômico de Rutherford e o fato de que os elétrons não podem se movimentar com velocidade maior do que a da luz, podemos prever que não pode existir na natureza átomo algum com número atômico maior do que 137. Deve existir, portanto, um número limitado de elementos (diferentes tipos de átomo) na natureza.

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Química฀I฀฀|฀Por฀dentro฀do฀átomo

Esta previsão está correta? Corretíssima. Dos elementos naturais, ou seja, aqueles que são encontrados na natureza, desde a criação do mundo, o elemento de maior número atômico é o urânio (U), com Z = 92.

Entretanto, a partir de 1940, físicos e químicos aprenderam a “fabricar” outros elementos, com Z > 92. Para distingui-los dos existentes na natureza, eles são chamados de elementos artifi ciais. E, por terem número atômico maior do que o do urânio, eles são também chamados de elementos transurânicos (trans, além do urânio). Vamos aprender sobre eles mais tarde.

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RESPOSTA฀COMENTADA

Como฀ toda฀ a฀ carga฀ positiva฀ do฀ átomo฀ está฀ concentrada฀ no฀núcleo,฀um฀aumento฀dessa฀carga฀signifi฀ca฀um฀aumento฀ da฀ força฀ de฀ atração฀ do฀ núcleo฀ pelos฀ elétrons.฀ Por฀ causa฀ disso,฀os฀elétrons฀terão฀de฀se฀movimentar฀cada฀vez฀mais฀ rapidamente.฀Uma฀questão฀importante฀em฀relação฀a฀isso฀é฀ que฀há฀um฀limite฀para฀a฀velocidade:฀nenhum฀corpo฀pode฀se฀ mover฀numa฀velocidade฀maior฀que฀a฀luz.฀Portanto,฀haverá฀ um฀valor฀máximo฀para฀Z,฀que฀é฀de฀aproximadamente฀137.฀ Dessa฀forma,฀pode-se฀defi฀nir฀também฀que฀há฀um฀número฀ limitado฀de฀elementos฀existentes฀na฀natureza. ATIVIDADE

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Na aula passada, quando descrevemos a experiência de Geiger e Mardsen, dissemos que eles tinham usado um “canhão” de partículas α, partículas essas que têm carga equivalente à de dois prótons (2+). Mas como eles construíram esse canhão, e mais, o que são partículas α?

O mais curioso de tudo é que eles não precisaram construir canhão algum. Esse “canhão” é produzido pela própria natureza! É isto mesmo. O canhão é natural. Só tem um problema. Por ser um canhão natural, não temos controle algum sobre ele. Não temos como controlar quando e para onde ele vai atirar. Parece coisa de maluco, mas não é. Vejamos se conseguimos entender este canhão e de onde saem as balas, ou seja, as partículas α.

Vamos novamente imaginar o processo de “construção” dos átomos dos elementos naturais, a partir do átomo de hidrogênio, com Z = 1. Cada vez que Z aumenta uma unidade, estamos acrescentando um próton e pelo menos um nêutron ao núcleo atômico, além de um elétron, na parte exterior ao núcleo, para manter a neutralidade do átomo.

Como você já sabe, o núcleo atômico é uma região muito pequena do átomo. Assim, chega uma hora em que, de tanto colocar prótons e nêutrons para dentro do núcleo, a situação no interior do núcleo começa a ficar bastante desconfortável. Prótons e nêutrons ficam que nem sardinhas em lata, ou como os passageiros do trem da Central, tão espremidos que, quando se abre uma porta, acaba alguém sendo “cuspido” para fora do trem.

Quando Z atinge o valor de 84, que corresponde ao átomo do elemento conhecido como polônio (Po), o tempo fecha e o núcleo começa a pôr gente para fora. Gente, quem? Prótons, é claro, pois a repulsão entre eles é a causa maior da instabilidade do núcleo. Curiosamente, nunca sai um próton sozinho. Saem dois de cada vez. Mas, como dois prótons nunca ficam juntos um do outro, eles arrastam o par de nêutrons que os “isolava” no interior do núcleo. Este conjunto, dois prótons de dois nêutrons, tem carga 2+ e massa igual a quatro vezes a massa do átomo de hidrogênio. Esse conjunto é chamado de partícula α.

O “canhão” de partículas α usado por Geiger e Mardsen nada mais era do que um pedaço de polônio, colocado numa caixa de chumbo, com um pequeno orifício, de forma a deixar passar somente as partículas emitidas numas poucas direções.

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Núcleos atômicos com Z > 83 podem, além de partículas α, expulsar outros tipos de “partículas”, conhecidas como PARTÍCULAS฀β e RAIOS γ (segunda e terceira letras do alfabeto grego). Esse fenômeno pelo qual os núcleos dos elementos químicos com Z > 83 espontaneamente emitem partículas α, β, ou raios γ é chamado de radioatividade e foi descoberto por ANTOINE-HENRI฀BECQUEREL, em 1896. Voltaremos a falar sobre este importante fenômeno, com mais detalhes.

Não seria razoável considerar o fenômeno da radioatividade como uma previsão de o modelo atômico de Rutherford, uma vez que o fenômeno foi descoberto bem antes de o modelo de átomo ter sido proposto. Por outro lado, o modelo de Rutherford sem dúvida nos ajuda a entender o porquê deste curioso fenômeno.

Antes de encerrar esta seção, precisamos falar brevemente sobre as forças entre as partículas dentro do núcleo: as forças nucleares. Na nossa discussão, a existência do nêutron foi proposta com a finalidade de “isolar” os prótons dentro do núcleo, uma vez que eles têm cargas iguais. Da mesma forma, nossa explicação para o fenômeno da emissão de partículas α, por núcleos com Z > 83, baseou-se na instabilidade causada por um acúmulo de prótons numa região tão pequena do átomo. Isto não deixa de ser verdade, mas a análise apresentada foi bastante simplificada. Quer ver? Embora em nenhum instante tenhamos dito que as forças entre as partículas nucleares fossem do tipo coulombiana, você muito provavelmente imaginou que sim. Entretanto, as forças que determinam a estabilidade de um núcleo são bem mais complexas e diferentes de tudo que conhecemos no nosso mundo macroscópico. Elas diferem da força de Coulomb em pelo menos dois aspectos: a) são muito mais fortes e b) são de curto alcance, ou seja, diminuem muito mais rapidamente com a distância entre as partículas do que a força de Coulomb.

PARTÍCULAS฀β฀

Partículas β são elétrons livres, ou seja, não estão ligados a um núcleo atômico. Geralmente, deslocam-se em alta velocidade. RAIOS฀γ São radiações eletromagnéticas de alta freqüência. ANTOINE-HENRI฀ BECQUEREL฀ (1852-1908) Era da terceira geração de uma ilustre família de cientistas. Em 1896, Henri Becquerel descobriu, por acaso, que uma amostra de sal de urânio sensibilizava uma chapa fotográfica. Este resultado foi o início da caminhada para a descoberta da radioatividade, cujos princípios fundamentais foram estabelecidos por Marie Curie, com a colaboração do seu marido, Pierre Curie. Por esses trabalhos, os três ganharam o Prêmio Nobel de 1903. (Fonte: www.if.ufrgs.br/ tex/fis142/ fismod/verbetes/ becquerel.html) Figura฀8.5:฀Canhão฀de฀partículas฀α. α α α Po

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AULA

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O estudo dessas forças é um tópico muito especializado e que não faz parte do programa do nosso curso. Só estamos mencionando a existência dessas forças para que você não seja surpreendido, caso resolva estudar a estrutura do núcleo atômico mais a fundo.