A Natureza Eltrica da Matria

Voc j parou para pensar que toda matria na natureza eletricamente neutra? Pelo menos no planeta Terra podemos afirmar isso! Talvez tenha sido essa observao que levou John Dalton, em 1803, a propor o tomo como uma esfera rgida e indivisvel. Por outro lado, muitas substncias conduzem eletricidade e alguns experimentos realizados no sculo XIX foram fundamentais para descrever a natureza eltrica da matria.

Em 1800, William Nicholson e Anthony Carliste provocaram a decomposio da gua nos gases hidrognio (H2) e oxignio (O2), atravs da Eletrlise (Figura 1). Nesse experimento, Nicholson e Carliste comprovaram no apenas que a matria pode interagir com a corrente eltrica como tambm que era possvel determinar a proporo volumtrica entre os seus componentes elementares (uma parte de oxignio para duas de hidrognio). Alguns anos mais tarde, em 1833, Michael Faraday comprovou as relaes quantitativas existentes entre a corrente eltrica e uma dada reao qumica ocorrida durante a eletrlise.

Figura 1: Esquema experimental da eletrlise da gua.

Os Raios Catdicos

Certamente a caracterizao dos eltrons foi fundamental para entendermos o comportamento eltrico da matria. Os experimentos com os Tubos de raios catdicos ou Crookes comprovaram que o tomo de Dalton no era indivisvel. Sob alta voltagem e baixas presses, o tubo de Crookes produz raios luminosos que partem do catodo para o anodo, por esse motivo chamados Raios catdicos (Figura 2).

Figura 2: Esquema de um tubo de raios catdicos.

Com esse experimento foram feitas as seguintes observaes sobre os raios catdicos:

Deslocavam-se em linha reta do eletrodo negativo (catodo) para o eletrodo positivo (anodo).

Movimentavam pequenos objetos transferncia de momento caracterstica de partcula.

Sofriam desvio sob a ao dos campos eltrico e magntico para o polo positivo partcula carregada negativamente.

Quando na presena de um gs residual, emitem luz a cor depende do gs utilizado.

Independem da natureza dos eletrodos ou do gs residual est presente em toda a matria.

Por essas observaes, concluiu-se que os raios catdicos eram constitudos por partculas de carga eltrica negativa capazes de interagir com a matria. Essas partculas foram chamadas de eltrons.

A radioatividade

Em 1896, Henri Becquerel observou que o minrio de urnio emitia uma radiao que era capaz de velar placas fotogrficas. Em 1898, Marie e Pierre Curie descobriram que os elementos rdio e polnio emitiam a mesma radiao, que eles denominaram radioatividade. Posteriormente, duas partculas (alfa e beta) e uma radiao eletromagntica (gama) foram identificadas como resultantes daquela emisso radioativa (Figura 3).

Figura 3: Esquema do experimento para caracterizao de partculas radioativas.

Caractersticas fundamentais dos eltrons

Aplicando simultaneamente um campo eltrico e um campo magntico a um tubo de raios catdicos (Figura 4), Joseph John Thomson, em 1897, foi capaz de determinar a relao entre a carga e a massa do eltron (e/m= 1,76x108 C/g).

Figura 4: Esquema do experimento de Thomson.

Em 1910, analisando o comportamento de gotas de leo em um campo eltrico (Figura 5), Robert Andrews Millikan determinou a carga do eltron (-1,6x1019 C) e, consequentemente, a sua massa (9,1x1028 g).

Figura 5: Esquema do experimento de Mulliken.

Retornando ao sculo XIX, vemos que Ernest Goldenstein observou um feixe de partculas carregadas positivamente que se moviam em direo oposta dos raios catdicos. Esse feixe de partculas foi caracterizado como ons positivos, produzidos atravs da coliso entre os eltrons (raios catdicos) e as molculas de gs contidas no interior dos tubos de Crookes (Figura 6). Essas partculas passaram a ser chamadas de Raios canais.

Figura 6: Esquema do experimento para observao dos raios canais.

Modelos atmicos

Com base na natureza eltrica da matria, Thomson props seu modelo atmico, afirmando que o tomo era composto por uma massa positiva, que continha tantos eltrons quantos fossem necessrios para que a matria ficasse neutra. Era o modelo do pudim de passas (Figura 7).

Figura 7: Representao do tomo de Thomson.

Na tentativa de comprovar experimentalmente o modelo de Thomson, Ernest Rutherford props um experimento com partculas alfa que o levou a revolucionar o modelo atmico. Rutherford afirmou que o tomo era composto por um ncleo pequeno, carregado positivamente, de alta densidade e com os eltrons ocupando o espao em torno desse ncleo (Figura 8). Atualmente, sabemos que o raio do tomo aproximadamente 100.000 vezes maior que o raio do seu ncleo. Com esse modelo atmico, vemos que a localizao dos eltrons na matria fica claramente definida. Temos um ncleo positivo e, em torno dele, eltrons suficientes para manter a neutralidade da matria.

Figura 8: Representaes do tomo de Rutherford.

O tomo de Rutherford estava bem caracterizado experimentalmente, mas contrariava a Fsica clssica no que dizia respeito s partculas carregadas e em movimento circular. A partir desse ponto, sabemos que a teoria dos Quanta de energia, de Max Planck (E = hv) e o Efeito fotoeltrico de Albert Einstein (EFton= hc/) foram fundamentais para a evoluo do modelo atmico. Em 1913, Niels Bohr props um modelo atmico para o tomo de hidrognio, postulando que:

Os eltrons ocupam uma posio definida no tomo, chamada nveis de energia.

Quando os eltrons esto localizados nos nveis de menor energia, o tomo estar no seu estado fundamental.

Quando o eltron absorve uma quantidade definida de energia, dada por E= hv, ele promovido para nveis de energia mais altos, caracterizando o estado excitado do tomo.

Uma vez no estado excitado, os eltrons com excesso de energia decaem para nveis de menor energia, emitindo a energia excedente.

Esses postulados de Bohr redirecionam o tomo da Fsica clssica para a Fsica quntica.

No avanaremos nas teorias atmicas por no ser o propsito desta disciplina. Contudo, gostaramos de relacionar mais um ponto importante na caracterizao dos eltrons a chamada dualidade partcula-onda da matria. Em 1924, Louis de Broglie estudou o carter ondulatrio do eltron e comprovou, com experimentos de difrao, que os eltrons se comportavam tanto como partcula (possui massa e momento) quanto como onda (sofre difrao).

Sugerimos que voc faa uma reviso sobre os modelos atmicos e orbitais para fundamentar seus conceitos sobre a estrutura da matria. Na prxima aula, sairemos da eletrosfera e entraremos no ncleo atmico.