Uma nova descrição da matéria: a mecânica quântica

Uma nova descrição da matéria: a mecânica quântica 

A estrutura de um átomo é muito mais complicada do que mostramos até agora. Como já dissemos anteriormente, o modelo  atômico de Bohr é apenas uma aproximação. Na verdade não temos, no interior da matéria, esse "aspecto planetário" descrito  pelo modelo de Bohr. As partículas atômicas seguem regras bastante particulares, muito diferentes daquelas a que estamos  acostumados e que observamos ao estudar o nosso Universo macroscópico.  No interior da matéria acontecem fenômenos que, vistos sob o ponto de vista da física clássica, poderiam sugerir "ficção  científica". Quando foi que você viu um carro, um ônibus, ou mesmo uma pessoa atravessar uma parede sem destruí­la? Nunca, e  jamais verá um fenômeno como esse porque ele é proibido pelas leis da física clássica. A isto damos o nome de barreira de  potencial e dizemos que corpos macroscópicos não podem penetrar em uma barreira de potencial. No entanto o domínio da física  atômica e nuclear é tão emocionante que fenômenos como este são permitidos. E, mais interessante, acontecem! As partículas  que formam os átomos, chamadas de partículas ele mentares, podem ultrapassar estas barreiras de potencial, podem "sumir"  de um lugar e "aparecer" em outro. Essas partículas elementares também podem, espontaneamente, se transformar em outras  partículas. Isto jamais acontece no nosso mundo macroscópico, algo como se, de repente, um pão se transformasse em um  biscoito, um bolo e um doce!  O que acontece no nosso mundo diário, no domínio da física clássica, quando dois carros colidem? Ficamos com dois carros  amassados e um grande prejuizo. No ambiente atômico, novas partículas, inteiramente diferentes, podem ser criadas a partir da  colisão de duas ou mais partículas. É algo como se dois carros colidissem e o resultado fosse um ônibus, um trem e uma bicicleta,  algo impossível de ser imaginado no nosso mundo macroscópico.  Estes fenômenos atômicos, por mais incríveis que pareçam, ocorrem nos laboratórios e a física clássica, aquela descoberta por  Isaac Newton e que já havia demonstrado grande poder na solução dos problemas do Universo em grande escala, mostrou­se  impotente perante eles. Para descrever, explicar e analisar os fenômenos que ocorriam no interior da matéria foi preciso criar a  mecânica quântica, uma sofisticada teoria física que permite aos cientistas compreender melhor o que ocorre no interior dos  átomos. 

A s Regras  da Me cânica Quântica 

Não é trivial apresentar os princípios da mecânica quântica sem que surja uma avalanche de dúvidas. Suas regras são sofisticadas  e muitas vezes surpreendentes. No entanto, por mais estranhas que pareçam, elas funcionam muito bem e suas previsões são  facilmente demonstradas nos laboratórios. A mecânica quântica é uma das mais bem sucedidas teorias da física e hoje ela faz  parte do nosso dia­a­dia.  Não nos aprofundaremos nos princípios da mecânica quântica. Ao invés disso somente apresentaremos algumas noções bem  fundamentais que serão úteis mais tarde.  Estas são algumas regras da Mecânica Quântica:

·

várias características físicas que ocorrem no nível atômico são quantizadas. Isto significa que elas podem ter somente  certos valores bem determinados, que chamamos de valo re s discretos. Por exemplo, as energias disponíveis para um  átomo são limitadas a valores bem específicos.  Para simplificar, vamos pensar de novo no modelo de Bohr para o átomo. As regras da mecânica quântica dizem que os  elétrons só têm permissão para percorrerem certas órbitas muito bem determinadas. Assim, em um átomo de hidrogênio,  o elétron no estado de energia mais baixa percorre uma órbita com um raio de cerca de 0,5 Å. A próxima órbita  permitida, ou seja energia permitida, para o elétron tem um raio de cerca de 2 Å, e assim por diante. A mecânica  quântica nos assegura que, neste caso do átomo de hidrogênio, ou o elétron está na órbita de  0,5 Å ou está na órbita de 2 Å, etc. Ele nunca será encontrado em uma órbita entre estes  valores. Órbitas ou energias intermediárias, aquelas que poderiam estar situadas entre esses  valores, não são permitidas de modo algum!

·

em um determinado instante, duas ou mais partículas absolutamente idênticas não podem  ocupar um mesmo estado particular de energia ou seja, o mesmo nível de energia de um átomo.  Partículas que ocupam um mesmo estado de energia em um átomo têm que d iferir po r  alguma outra pro priedade intrínseca. De modo algum elas podem ser totalmente idênticas.  Por exemplo, se voltarmos a usar o modelo de Bohr para representar o átomo, na primeira  órbita atômica permitida, aquela de energia mais baixa, somente podemos encontrar dois  elétrons. Os dois são elétrons mas eles diferem pelo fato de que um deles estará "girando" na  direção dos ponteiros do relógio e o outro estará "girando" na direção contrária aos ponteiros de  um relógio. Mas cuidado com esta analogia pois ela não é correta. Na verdade o elétron não é

uma "bolinha" que gira em torno do seu eixo. A mecânica quântica nos mostra que o elétron possui certas propriedades  que, matematicamente, nos levam a pensar em rotação. No entanto, a "rotação" do elétron é muito mais complicada do  que a rotação de uma bolinha, como o modelo de Bohr nos leva a imaginar.

·

os elétrons, assim como qualquer outra forma de matéria, exibem propriedades ondulatórias. Esses fenômenos  ondulatórios das partículas de matéria são caracterizados pela relação 

λ p = h 

onde h é a constante de Planck dada por h = 6,63 x 10 ­34  Joules segundos e p é o momentum da partícula ou seja, o  produto de sua massa pela sua velocidade. O termo λ, chamado de comprimento  de  onda d e de  B roglie caracteriza o  comportamento ondulatório das partículas de matéria.

·

a luz, os prótons, os elétrons e outras partículas exibem tanto comportamentos de uma onda como de uma partícula. Por  exemplo, em alguns fenômenos o fóton (nome dado à partícula de "luz") se comporta como uma onda e obedece às leis  da óptica física enquanto que em outras experiências o seu comportamento é o de uma partícula obedecendo às  conhecidas regras de colisões entre partículas. Como o fóton decide se vai se comportar como uma onda ou uma partícula  é um dos mistérios ainda não resolvido pela física quântica. A este comportamento esquizofrênico da matéria, sendo às  vezes onda e às vezes partícula, damos o nome de "Dualidade Onda­Partícula".

·

os fenômenos que ocorrem no interior da matéria são de natureza probabilística ao invés de determinística. Isto significa  que, mesmo sabendo tudo sobre um átomo não podemos prever exatamente o que ele vai fazer a seguir. As leis da física  atômica somente podem apresentar "probabilidades" para comportamentos específicos das partículas que formam a  matéria. Este comportamento é totalmente diferente daquele que estamos acostumados no mundo macroscópico. 

A  Tabela P e ríod ica e  a Me cânica Quântica 

O que descrevemos acima como sendo  as regras da mecânica quântica pode  parecer estranho mas é assim que a  matéria se comporta.  A física moderna é realmente  surpreendente. A mecânica quântica,  com suas estranhas quantizações e  regras de exclusão, consegue explicar  bastante bem os fenômenos que  ocorrem nos átomos. Muitos resultados  de observações e experiências  envolvendo o interior da matéria, que  até então eram inexplicáveis, foram  compreendidos com o auxílio da  mecânica quântica. Por exemplo,  somente após a quantização dos níveis  de energia atômica e o aparecimento do  Princípio de Exclusão de Pauli é que  conseguimos explicar o porque da  existência da chamada Tabela Periódica  dos elementos químicos.  A tabela periódica resume as propriedades e a distribuição dos elementos químicos existentes na natureza e foi obtida pelo  químico russo Dimitri Ivanovich Mendeleev. A foto a esquerda mostra Mendeleev ainda jovem. Suas primeiras anotações sobre a  tabela periódica, feitas em 17 de fevereiro de 1869, são mostradas na imagem abaixo. A direita vemos Mendeleev trabalhando em  sua sala já no final de sua vida.

Na tabela periódica a cada elemento é designado um número atômico único. Os  elementos químicos são colocados na tabela periódica em ordem crescente de seus  números atômicos. Com algumas poucas excessões, a seqüência mostrada na  tabela periódica também corresponde a uma ordenação crescente da massa média  dos átomos dos elementos. Podemos ver que o elemento mais leve, com número  atômnico 1, é o hidrogênio.  Uma outra característica da tabela periódica é que todos os elementos que  aparecem em uma de suas colunas verticais têm as mesmas propriedades  químicas. Por exemplo, os elementos listados na coluna localizada mais a direita  na tabela são todos gases sob as condições de temperatura e pressão existente na  superfície da Terra e têm muita dificuldade de reagir quimicamente com outros  elementos. Eles são chamados de gases nobres.  A tabela periódica mostra os 92 elementos que ocorrem naturalmente e muitos  outros produzidos artificialmente em laboratórios. Até a posição do urânio na  tabela periódica encontramos os elementos naturais e a partir dele todos os  elementos são artificiais. Todos os elementos mais pesados que o urânio são  altamente radioativos o que quer dizer que eles sofrem processos de decaimento  em elementos mais leves no curto intervalo de tempo em que sobrevivem após  serem criados nos laboratórios.  Durante muito tempo os pesquisadores não souberam explicar por que os  elementos químicos se distribuiam dessa maneira na tabela periódica. Somente  com o auxílio da mecânica quântica foi possível descobrir por que isso acontecia.  A tabela periódica dos elementos químicos está mostrada abaixo.

Como você pode notar na imagem mostrada acima, os elementos químicos aparecem na tabela períodica com o nome  abreviado. Seus nomes por extenso, seguidos pelo nome original entre parênteses, são dados a seguir: 

nome do e lemento  químico 

número 

atômico  abre viação 

nome do e lemento  químico 

número 

atômico  abre viação  H idrogên io  (hydro genium)  1  H  H élio  (helium)  2  He  Lítio  (lithium)  3  Li  Berílio  (beryllium)  4  Be  Boro  (boron)  5  B  Carbono  (carbonium)  6  C  N itro gênio  (nitrogenium )  7  N  Oxigên io 

(oxygen ium)  8  O 

Flúor  (fluor)  9  F  N eônio  (neon)  10  Ne  Sódio  (natrium)  11  Na  Magnésio  (magnesium)  12  Mg  A lumínio  (aluminium)  13  Al  Silício  (silicium)  14  Si  Fósforo  (phosphorus)  15  P  Enxôfre  (sulfur)  16  S  Cloro  (clo rine)  17  Cl  A rgônio  (argon)  18  A  P otássio  (kalium)  19  K  Cálcio  (calcium)  20  Ca  Escândio  (scandium)  21  Sc  Titânio  (titanium)  22  Ti  Vanádio  (vanad ium)  23  V  Crômio  (chrom ium)  24  Cr  Manganês  (manganesium)  25  Mn  Ferro  (ferrum )  26  Fe  Cobalto  (cobalt)  27  Co  N íquel  (nicke l)  28  Ni  Cobre  (cuprum)  29  Cu  Zinco  (zincum)  30  Zn  Gálio  (gallium)  31  Ga  Germânio 

(germ anium)  32  Ge 

A rsênio  (arsenicum)  33  As  Selênio  (selenium)  34  Se  Bromo  (bromos)  35  Br  Crip tônio  (kripton)  36  Kr  Rubídio  (rubid ium)  37  Rb  Estrôncio  (strontium)  38  Sr  Í trio  (yttrium)  39  Y  Zircônio  (zirconium)  40  Zr  N ióbio  (niobium)  41  Nb  Molibdênio  (molybdenum)  42  Mo  Tecnécio  (technetium)  43  Tc  Rutênio  (ruthenium)  44  Ru  Ródio  (rhodium)  45  Rh  P aládio  (palladium )  46  Pd  P rata  (argentum)  47  Ag  Cádmio  (cad mium)  48  Cd  Í ndio  (indium)  49  In  Estanho  (stannum)  50  Sn  A ntimônio  (stibium)  51  Sb  Telúrio  (tellu rium)  52  Te

I odo  (iodine)  53  I  Xenônio  (xenon)  54  Xe  Césio  (caesium)  55  Cs  Bário  (barium)  56  Ba  Lantânio  (lanthanum)  57  La  Cério  (cerium)  58  Ce  P raseod ímio  (praseod ym ium)  59  Pr  N eodím io  (neodym ium)  60  Nd  P romé cio  (prometh ium)  61  Pm  Samário  (samarium)  62  Sm  Európio  (europium)  63  Eu  Gadolínio  (gadolinium)  64  Gd  Térbio  (terb ium)  65  Tb  Disp rósio 

(dysp rosium)  66  Dy 

H ólmio 

(holmium)  67  Ho 

Érbio 

(erb ium)  68  Er 

Túlio 

(thulium)  69  Tm 

I térb io 

(ytte rb ium)  70  Yb 

Lutécio  (lutetium)  71  Lu  H áfnio  (hafnium)  72  Hf  Tantálio  (tantalum)  73  Ta  Tungstênio 

(w olf ram ium)  74  W 

Rênio  (rhenium)  75  Re  Ósmio  (osmium)  76  Os  I ríd io  (iridium)  77  Ir  P latina  (platinum)  78  Pt  Ouro  (aurum)  79  Au  Mercúrio  (hydrargyrum)  80  Hg  Tálio  (thallium )  81  Tl  Chumbo  (plumbum)  82  Pb  Bismuto  (bismuthum)  83  Bi  P olônio  (polonium)  84  Po  A stato  (astatos)  85  At  Radônio  (radon)  86  Rn  Frâncio  (francium)  87  Fr  Rádio 

(rad ium)  88  Ra 

A ctínio 

(actinium)  89  Ac 

Tório 

(thorium)  90  Th 

P rotactínio 

(protactin ium)  91  Pa 

Urânio  (uranium)  92  U  N eptúnio  (neptunium)  93  Np  P lutônio  (plutonium)  94  Pu  A merício  (americium)  95  Am  Cúrio  (curium )  96  Cm  Berqué lio  (berk elium )  97  Bk  Califó rnio  (californium )  98  Cf  Einstênio  (einsteinium)  99  Es  Férmio  (ferm ium)  100  Fm  Mendelé vio  (mendele vium)  101  Md  N obélio  (nobelium)  102  No  Laurêncio  (law rencium)  103  Lr  Ruterfórdio  (rutherfo rdium)  104  Rf  Dúbnio  (dubnium)  105  Db  Seabó rg io  (seaborg ium)  106  Sg  Bóhrio  (bohrium)  107  Bh  H ássio  (hassium)  108  Hs

Meitné rio 

(meitne rium)  109  Mt 

Darmstád io 

(darmstadtium)  110  Ds 

Roentgenio 

(roentgenium)  111  Rg  (ununbium)  112  Uub 

(ununtrium)  113  Uut  (ununquadium)  114  Uuq 

(ununpentium)  115  Uup  (ununhexium)  116  Uuh 

(ununseptium)  117  Uus  (ununoctium)  118  Uuo 

Dos 118 elementos químicos apresentados na tabela periódica, cerca de 20% não existem na natureza. Eles só foram obtidos  sinteticamente, em laboratórios muito especializados.  Em 1976 foi convencionado que os elementos situados além do número atômico 103 deveriam receber nomes numéricos  sistemáticos enquanto a prioridade da descoberta estivesse sendo examinada. De acordo com essa proposta, por exemplo, o  elemento 104 deveria ser chamado provisoriamente de "Unnilquadium" formado pelas palavras latinas un = 1, nil = 0, quad =  4, com a terminação ­ium que representa um metal. O símbolo provisório do elemento seria uma abreviação de três letras,  nesse caso Unq. 

dígito  rad ical  símbolo 

0  nil  n  1  un  u  2  bi  b  3  tri  t  4  quad  q  5  pent  p  6  hex  h  7  sept  s  8  oct  o  9  enn  e  Exemplo:  elemento 114: un + un + quad + ium = ununquadium (Uuq)  elemento 115: un + un + pent + ium = ununpentium (Uup)  elemento 116: un + un + hex + ium = ununhexium (Uuh)  Quando a descoberta do elemento é confirmada por vários centros de pesquisa ele recebe um nome definitivo. Por exemplo, o  elemento 111 tinha o nome provisório "Unununio" e símbolo Uuu. Após a sua descoberta ter sido confirmada ele recebeu seu  nome atual, Roentgenium, com o símbolo Rg.  Note que todos os elementos que vão de 112 a 118 ou não são conhecidos ou sua existência ainda não foi totalmente  confirmada. Seus nomes são provisórios. Eles estão incluidos na tabela apenas para mostrar suas posições esperadas.  A "fabricação" desses elementos em laboratório é um processo extremamente complicado e constantemente polêmico. Muitas  vezes descobertas são anunciadas para serem posteriormente recusadas pela comunidade científica.  Os elementos 117 e 118 foram declarados descobertos em 1999 mas provou­se em 2002 que os resultados estavam errados.  Em janeiro de 2001 foi anunciada a descoberta do elemento "Ununhexium" (Uuh). Aguarda­se a confirmação desse resultado.  A descoberta dos elementos 113 e 115 foi anunciada no dia 1 de fevereiro de 2004 mas aguarda­se a sua confirmação por  outros centros de pesquisa.  Conhecer os elementos químicos é importante para o estudo da formação e evolução das estrelas. Mais tarde veremos que  alguns desses elementos desempenham papéis muito importantes nesses processos. Por exemplo, o elemento químico  hidrogênio é o mais abundante em todo o Universo. A maior parte de uma estrela é formada por hidrogênio. Os elementos  pesados existentes no Universo são formados ou na região mais central de uma estrela muito evoluída ou por processos que  ocorrem durante e após a sua explosão. A formação do elemento químico ferro no interior de uma estrela determina o estágio  final de sua evolução química.

À s vezes não é  fácil esco lher o nome do novo " filho"   Muitas vezes a confusão permanece mesmo após a confirmação da existência do novo elemento. Por exemplo, o nome  definitivo do elemento 104 ficou em suspenso devido a uma disputa entre a International Union of Pure and Applied Chemistry  (IUPAC), a organização internacional que tem como uma de suas tarefas dar nomes aos novos elementos descobertos, e a  American Chemical Society (ACS). A IUPAC recomendava que o elemento 104 tivesse o nome Dubnium (com o símbolo Db) uma  vez que sua descoberta havia sido feita em 1964 no Joint Nuclear Research Institute, em Dubna, Rússia. No entanto, os  norte­americanos discordavam, alegando que eles não conseguiram reproduzir os resultados dos russos e que a verdadeira  descoberta desse elemento foi feita posteriormente por eles, norte­americanos. Desse modo, a ACS preferiu chamá­lo de  Rutherfordium (com o símbolo Rf), em homenagem ao físico neozelandês Lord Rutherford. Além disso os russos queriam dar a  esse elemento o nome kurchatovium em homenagem ao físico Igor Kurchatov, o pai da bomba atômica russa, o que os  americanos não aceitavam de modo algum. Ao mesmo tempo os norte­americanos insistiam em dar o nome de seaborgium ao  elemento 106, em homenagem ao físico Glenn T. Seaborg, seu compatriota que ainda estava vivo, o que não era aceito pela  IUPAC. Haviam muitas outras confusões de nomes nessa época.  Somente em 1997 é que foi estabelecida uma certa concordância com os nomes que usamos na tabela acima, embora os  norte­americanos ainda insistam em usar o nome "hahnium" para o elemento 105 e não "dubnium". O elemento 106 ficou  sendo chamado de "seaborgium" embora Glen T. Seaborg, um dos maiores opositores ao nome "dubnio", ainda estivesse vivo  (ele só morreu em 1999).