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Cursos de Especializaccedilatildeo para o quadro do Magisteacuterio da SEESPEnsino Fundamental II e Ensino Meacutedio

Rede Satildeo Paulo de

Visatildeo Macroscoacutepica da Mateacuteria

Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

d02

Rede Satildeo Paulo de

Cursos de Especializaccedilatildeo para o quadro do Magisteacuterio da SEESP

Ensino Fundamental II e Ensino Meacutedio

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Sumaacuterio1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel 1

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev 6

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel 13

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacute-tricas em gases a baixas pressotildees 17

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas 24

3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos 26

4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford 31

Glossaacuterio 37

Referecircncias Consultadas 39

Ficha da Disciplina 42

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1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel

Como jaacute visto anteriormente a ideacuteia da existecircncia de um limite para a divisatildeo da mateacuteria jaacute havia surgido na eacutepoca da Greacutecia Antiga associada ao Atomismo dos filoacutesofos Leucipo e Demoacutecrito Como todo o conhecimento preacute-cientiacutefico suas ideacuteias eram inteiramente baseadas em argumentos filosoacuteficos segundo os preceitos da loacutegica natildeo tendo qualquer sustentaccedilatildeo experimental

O Atomismo persistiu como conceito filosoacutefico atraveacutes da Antiguidade Idade Meacutedia e Renascimento tendo adeptos e adversaacuterios ao longo destes periacuteodos A partir da Idade Meacutedia foi um conceito combatido pela Igreja Catoacutelica que apoiava as ideacuteias de Aristoacuteteles e em con-sequecircncia teve sua difusatildeo e aceitaccedilatildeo dificultadas Entre os adeptos do Atomismo podemos citar os nomes de Giordano Bruno (1588) Pierre Gassendi (1649) e Robert Boyle (1661 Figura 1) Detalhes sobre o conceito de Atomismo nestes periacuteodos podem ser encontrados em PARTINGTON(1989)

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Figura 1- Robert Boyle (1661)

Em 1797 o quiacutemico e farmacecircutico francecircs Joseph Proust (1754-1826 Figura 2) propocircs a Lei das Proporccedilotildees Definidas A partir de seus dados de anaacutelise de carbonato de cobre oacutexidos de estanho e sulfetos de ferro Proust afirmou que ldquoOs elementos que reagem para formar um composto sempre se combinam em massas que guardam entre si uma relaccedilatildeo de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo Esta lei juntamente com a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier constitui duas das leis ponderais conhecidas na eacutepoca

O primeiro modelo cientiacutefico do aacutetomo foi proposto por John Dalton (quiacutemico inglecircs 1786-1844 Figura 3) em 1808 em seu livro New System of Chemical Philosophy Embora seja tentador afirmar que Dalton propocircs seu modelo atocircmico com base nas duas leis ponderais conhecidas na eacutepoca aparentemente suas ideacuteias estavam baseadas principalmente em seus tra-balhos anteriores envolvendo observaccedilotildees sobre a atmosfera misturas gasosas e solubilidade de gases em aacutegua No mesmo livro Dalton publicou sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas uma terceira lei ponderal discutida e explicada em termos de sua Teoria Atocircmica

Figura 2 - Joseph Proust (1754-1826) Figura 3 - John Dalton (1786-1844)

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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UnespR

edefor bull Moacutedulo I bull D

isciplina 02TEMAS

Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 2: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

Rede Satildeo Paulo de

Cursos de Especializaccedilatildeo para o quadro do Magisteacuterio da SEESP

Ensino Fundamental II e Ensino Meacutedio

Satildeo Paulo

2011

3

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isciplina 01ficha sumaacuterio bibliografia TEMAS

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sumario

Sumaacuterio1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel 1

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev 6

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel 13

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacute-tricas em gases a baixas pressotildees 17

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas 24

3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos 26

4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford 31

Glossaacuterio 37

Referecircncias Consultadas 39

Ficha da Disciplina 42

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tema1

1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel

Como jaacute visto anteriormente a ideacuteia da existecircncia de um limite para a divisatildeo da mateacuteria jaacute havia surgido na eacutepoca da Greacutecia Antiga associada ao Atomismo dos filoacutesofos Leucipo e Demoacutecrito Como todo o conhecimento preacute-cientiacutefico suas ideacuteias eram inteiramente baseadas em argumentos filosoacuteficos segundo os preceitos da loacutegica natildeo tendo qualquer sustentaccedilatildeo experimental

O Atomismo persistiu como conceito filosoacutefico atraveacutes da Antiguidade Idade Meacutedia e Renascimento tendo adeptos e adversaacuterios ao longo destes periacuteodos A partir da Idade Meacutedia foi um conceito combatido pela Igreja Catoacutelica que apoiava as ideacuteias de Aristoacuteteles e em con-sequecircncia teve sua difusatildeo e aceitaccedilatildeo dificultadas Entre os adeptos do Atomismo podemos citar os nomes de Giordano Bruno (1588) Pierre Gassendi (1649) e Robert Boyle (1661 Figura 1) Detalhes sobre o conceito de Atomismo nestes periacuteodos podem ser encontrados em PARTINGTON(1989)

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Figura 1- Robert Boyle (1661)

Em 1797 o quiacutemico e farmacecircutico francecircs Joseph Proust (1754-1826 Figura 2) propocircs a Lei das Proporccedilotildees Definidas A partir de seus dados de anaacutelise de carbonato de cobre oacutexidos de estanho e sulfetos de ferro Proust afirmou que ldquoOs elementos que reagem para formar um composto sempre se combinam em massas que guardam entre si uma relaccedilatildeo de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo Esta lei juntamente com a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier constitui duas das leis ponderais conhecidas na eacutepoca

O primeiro modelo cientiacutefico do aacutetomo foi proposto por John Dalton (quiacutemico inglecircs 1786-1844 Figura 3) em 1808 em seu livro New System of Chemical Philosophy Embora seja tentador afirmar que Dalton propocircs seu modelo atocircmico com base nas duas leis ponderais conhecidas na eacutepoca aparentemente suas ideacuteias estavam baseadas principalmente em seus tra-balhos anteriores envolvendo observaccedilotildees sobre a atmosfera misturas gasosas e solubilidade de gases em aacutegua No mesmo livro Dalton publicou sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas uma terceira lei ponderal discutida e explicada em termos de sua Teoria Atocircmica

Figura 2 - Joseph Proust (1754-1826) Figura 3 - John Dalton (1786-1844)

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 3: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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sumario

Sumaacuterio1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel 1

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev 6

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel 13

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacute-tricas em gases a baixas pressotildees 17

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas 24

3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos 26

4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford 31

Glossaacuterio 37

Referecircncias Consultadas 39

Ficha da Disciplina 42

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1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel

Como jaacute visto anteriormente a ideacuteia da existecircncia de um limite para a divisatildeo da mateacuteria jaacute havia surgido na eacutepoca da Greacutecia Antiga associada ao Atomismo dos filoacutesofos Leucipo e Demoacutecrito Como todo o conhecimento preacute-cientiacutefico suas ideacuteias eram inteiramente baseadas em argumentos filosoacuteficos segundo os preceitos da loacutegica natildeo tendo qualquer sustentaccedilatildeo experimental

O Atomismo persistiu como conceito filosoacutefico atraveacutes da Antiguidade Idade Meacutedia e Renascimento tendo adeptos e adversaacuterios ao longo destes periacuteodos A partir da Idade Meacutedia foi um conceito combatido pela Igreja Catoacutelica que apoiava as ideacuteias de Aristoacuteteles e em con-sequecircncia teve sua difusatildeo e aceitaccedilatildeo dificultadas Entre os adeptos do Atomismo podemos citar os nomes de Giordano Bruno (1588) Pierre Gassendi (1649) e Robert Boyle (1661 Figura 1) Detalhes sobre o conceito de Atomismo nestes periacuteodos podem ser encontrados em PARTINGTON(1989)

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Figura 1- Robert Boyle (1661)

Em 1797 o quiacutemico e farmacecircutico francecircs Joseph Proust (1754-1826 Figura 2) propocircs a Lei das Proporccedilotildees Definidas A partir de seus dados de anaacutelise de carbonato de cobre oacutexidos de estanho e sulfetos de ferro Proust afirmou que ldquoOs elementos que reagem para formar um composto sempre se combinam em massas que guardam entre si uma relaccedilatildeo de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo Esta lei juntamente com a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier constitui duas das leis ponderais conhecidas na eacutepoca

O primeiro modelo cientiacutefico do aacutetomo foi proposto por John Dalton (quiacutemico inglecircs 1786-1844 Figura 3) em 1808 em seu livro New System of Chemical Philosophy Embora seja tentador afirmar que Dalton propocircs seu modelo atocircmico com base nas duas leis ponderais conhecidas na eacutepoca aparentemente suas ideacuteias estavam baseadas principalmente em seus tra-balhos anteriores envolvendo observaccedilotildees sobre a atmosfera misturas gasosas e solubilidade de gases em aacutegua No mesmo livro Dalton publicou sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas uma terceira lei ponderal discutida e explicada em termos de sua Teoria Atocircmica

Figura 2 - Joseph Proust (1754-1826) Figura 3 - John Dalton (1786-1844)

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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tema4

Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
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Page 4: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel

Como jaacute visto anteriormente a ideacuteia da existecircncia de um limite para a divisatildeo da mateacuteria jaacute havia surgido na eacutepoca da Greacutecia Antiga associada ao Atomismo dos filoacutesofos Leucipo e Demoacutecrito Como todo o conhecimento preacute-cientiacutefico suas ideacuteias eram inteiramente baseadas em argumentos filosoacuteficos segundo os preceitos da loacutegica natildeo tendo qualquer sustentaccedilatildeo experimental

O Atomismo persistiu como conceito filosoacutefico atraveacutes da Antiguidade Idade Meacutedia e Renascimento tendo adeptos e adversaacuterios ao longo destes periacuteodos A partir da Idade Meacutedia foi um conceito combatido pela Igreja Catoacutelica que apoiava as ideacuteias de Aristoacuteteles e em con-sequecircncia teve sua difusatildeo e aceitaccedilatildeo dificultadas Entre os adeptos do Atomismo podemos citar os nomes de Giordano Bruno (1588) Pierre Gassendi (1649) e Robert Boyle (1661 Figura 1) Detalhes sobre o conceito de Atomismo nestes periacuteodos podem ser encontrados em PARTINGTON(1989)

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Figura 1- Robert Boyle (1661)

Em 1797 o quiacutemico e farmacecircutico francecircs Joseph Proust (1754-1826 Figura 2) propocircs a Lei das Proporccedilotildees Definidas A partir de seus dados de anaacutelise de carbonato de cobre oacutexidos de estanho e sulfetos de ferro Proust afirmou que ldquoOs elementos que reagem para formar um composto sempre se combinam em massas que guardam entre si uma relaccedilatildeo de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo Esta lei juntamente com a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier constitui duas das leis ponderais conhecidas na eacutepoca

O primeiro modelo cientiacutefico do aacutetomo foi proposto por John Dalton (quiacutemico inglecircs 1786-1844 Figura 3) em 1808 em seu livro New System of Chemical Philosophy Embora seja tentador afirmar que Dalton propocircs seu modelo atocircmico com base nas duas leis ponderais conhecidas na eacutepoca aparentemente suas ideacuteias estavam baseadas principalmente em seus tra-balhos anteriores envolvendo observaccedilotildees sobre a atmosfera misturas gasosas e solubilidade de gases em aacutegua No mesmo livro Dalton publicou sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas uma terceira lei ponderal discutida e explicada em termos de sua Teoria Atocircmica

Figura 2 - Joseph Proust (1754-1826) Figura 3 - John Dalton (1786-1844)

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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                  1. Botatildeo 11
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                      1. Botatildeo 62
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                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
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                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
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                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
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                                2. Paacutegina 17
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                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
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                                    2. Paacutegina 17
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                                    4. Paacutegina 19
                                    5. Paacutegina 20
                                    6. Paacutegina 21
                                    7. Paacutegina 22
                                    8. Paacutegina 23
                                    9. Paacutegina 24
                                    10. Paacutegina 25
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Figura 1- Robert Boyle (1661)

Em 1797 o quiacutemico e farmacecircutico francecircs Joseph Proust (1754-1826 Figura 2) propocircs a Lei das Proporccedilotildees Definidas A partir de seus dados de anaacutelise de carbonato de cobre oacutexidos de estanho e sulfetos de ferro Proust afirmou que ldquoOs elementos que reagem para formar um composto sempre se combinam em massas que guardam entre si uma relaccedilatildeo de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo Esta lei juntamente com a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier constitui duas das leis ponderais conhecidas na eacutepoca

O primeiro modelo cientiacutefico do aacutetomo foi proposto por John Dalton (quiacutemico inglecircs 1786-1844 Figura 3) em 1808 em seu livro New System of Chemical Philosophy Embora seja tentador afirmar que Dalton propocircs seu modelo atocircmico com base nas duas leis ponderais conhecidas na eacutepoca aparentemente suas ideacuteias estavam baseadas principalmente em seus tra-balhos anteriores envolvendo observaccedilotildees sobre a atmosfera misturas gasosas e solubilidade de gases em aacutegua No mesmo livro Dalton publicou sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas uma terceira lei ponderal discutida e explicada em termos de sua Teoria Atocircmica

Figura 2 - Joseph Proust (1754-1826) Figura 3 - John Dalton (1786-1844)

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

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Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

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bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 6: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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A Teoria Atocircmica de Dalton envolvendo o conceito de aacutetomo indivisiacutevel eacute baseada em quatro ideacuteias principais que se seguem expressadas em linguagem moderna

1 Os elementos satildeo formados por pequenas partiacuteculas indivisiacuteveis e indestrutiacuteveis de-nominadas aacutetomos

2 Todos os aacutetomos de um dado elemento satildeo idecircnticos tendo a mesma massa atocircmica

3 Os aacutetomos de elementos diferentes tem diferentes massas atocircmicas relativas

4 Os aacutetomos de um dado elemento podem se combinar com aacutetomos de outros elementos para formar compostos Ao formarem um composto os aacutetomos se combinam manten-do relaccedilotildees de nuacutemeros inteiros e pequenos tais como 11 12 23 e assim por diante

Pela aplicaccedilatildeo dessas ideacuteias Dalton pode explicar sua Lei das Proporccedilotildees Muacuteltiplas pro-cedimento que foi posteriormente estendido as outras leis ponderais conhecidas na eacutepoca a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa de Lavoisier e a Lei das Proporccedilotildees Definidas de Proust

A Lei da Conservaccedilatildeo da Massa numa reaccedilatildeo quiacutemica pode ser racionalizada em termos das ideacuteias 1 e 4 o mesmo ocorrendo com a Lei das Proporccedilotildees Definidas

No mesmo livro Dalton propocircs um sistema de siacutembolos usados para representar a com-posiccedilatildeo dos compostos que estudou e uma tabela de massas atocircmicas de seis elementos ndash hi-drogecircnio oxigecircnio nitrogecircnio carbono enxofre e foacutesforo com o aacutetomo de hidrogecircnio sendo suposto por convenccedilatildeo ter massa atocircmica igual a 1 (Figura 4)

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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Page 7: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 4 - Sistema de siacutembolos criado por Dalton para os elementos e seus compostos

Aparentemente Dalton estabeleceu as massas relativas de uma seacuterie de elementos a partir dos dados das anaacutelises de aacutegua amocircnia dioacutexido de carbono e outros compostos publicados por pesquisadores da eacutepoca

Para obter as massas atocircmicas relativas Dalton precisava propor foacutermulas moleculares para as substacircncias cujos dados eram utilizados nos caacutelculos Dalton propocircs entatildeo uma regra adi-cional a da ldquomaacutexima simplicidaderdquo que criou controveacutersias desde que natildeo pode ser confir-mada independentemente Essa regra baseada unicamente na crenccedila sobre a simplicidade da natureza era necessaacuteria porque naquela eacutepoca os cientistas natildeo tinham como deduzir quantos aacutetomos de cada elemento se combinavam para formar um composto Como consequumlecircncia desta regra de maacutexima simplicidade Dalton propocircs erroneamente que a formula da aacutegua

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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tema4

Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
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Page 8: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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expressa em linguagem moderna seria OH e a da amocircnia NH bastante diferente do que con-hecemos hoje sobre a composiccedilatildeo dessas substacircncias Embora hoje saibamos que os valores das massas atocircmicas relativas obtidas por Dalton estavam errados pois naquela eacutepoca natildeo se sabia que a forma natural de hidrogecircnio eacute o de uma moleacutecula diatocircmica e natildeo de um aacutetomo isolado a ideacuteia foi de extrema importacircncia para o desenvolvimento do conceito perioacutedico como veremos na continuidade

Em 1808 o quiacutemico sueco Jons Jakob Berzelius (1779-1850 Figura 5) publicou a obra Lar-bok i Kemien na qual propocircs tambeacutem uma escala de massas atocircmicas relativas atribuindo por convenccedilatildeo a massa 100 para o oxigecircnio Na mesma obra propocircs as bases de siacutembolos e notaccedilatildeo quiacutemica que eacute utilizada ateacute hoje

Figura 5 - Jons Jakob Berzelius (1779-1850)

Figura 6 - Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850)

No mesmo ano de 1808 o quiacutemico e fiacutesico Frances Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850 Figura 6) publicou a Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo obtida a partir dos dados obtidos em estudos de reaccedilotildees em que reagentes e produtos estatildeo no estado gasoso A lei diz que ldquoquando gases reagem para formar outros gases e todos os volumes satildeo medidos nas mesmas condiccedilotildees de tem-peratura e pressatildeo a relaccedilatildeo entre os volumes dos gases reagentes e produtos pode ser expressa atraveacutes de nuacutemeros inteiros e pequenosrdquo

Com base na Lei dos Volumes de Combinaccedilatildeo de Gay-Lussac Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro fiacutesico e advogado italiano (1776-1850 Figura 7) propocircs em 1811 que ldquovol-umes iguais de gases diferentes medidos nas mesmas condiccedilotildees de temperatura e pressatildeo conteacutem igual nuacutemero de moleacuteculasrdquo Avogadro foi um dos primeiros cientistas a fazer a distinccedilatildeo clara entre o que hoje conhecemos como aacutetomo e moleacutecula No entanto suas ideacuteias sobre moleacutecula natildeo foram aceitas por quase cinquumlenta anos Vaacuterias razotildees contribuiacuteram para isto Uma delas eacute que

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

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Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

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bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 9: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Avogadro natildeo era um membro ativo da comunidade quiacutemica na eacutepoca concentrada quase exclusivamente nos centros de Quiacutemica da Alemanha Franccedila Inglaterra e Sueacutecia A outra razatildeo parece estar ligada agrave oposiccedilatildeo de suas ideacuteias agraves de Berzelius na eacutepoca um dos maiores nomes da Quiacutemica

Figura 7 - Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro (1776-1850)

Figura 8 ndash Johan Wolfgang Dobereiner(1780-1849)

Segundo Berzelius compostos seriam mantidos pela atraccedilatildeo entre cargas positivas e nega-tivas o que tornaria inconcebiacutevel a existecircncia de uma moleacutecula composta por dois aacutetomos idecircnticos como O2 e H2 que satildeo eletricamente semelhantes

11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev

Mesmo com os problemas existentes quanto aos valores aceitos para as massas atocircmicas relativas em 1829 Johan Wolfgang Dobereiner quiacutemico alematildeo (1780-1849 Figura 8) publi-cou suas observaccedilotildees relatando que havia regularidades entre certas propriedades de grupos de elementos selecionados Por exemplo observou que na seacuterie dos metais alcalinos liacutetio soacutedio e potaacutessio a massa atocircmica do soacutedio o elemento do meio era igual agrave meacutedia das massas atocircmicas de liacutetio e potaacutessio

O mesmo ocorria nos elementos caacutelcioestrocircnciobaacuterio enxofreselecircnioteluacuterio e clorobromoiodo Por exemplo no caso do bromo onde as massas atocircmicas relativas de cloro e iodo satildeo 35470 e 126470 respectivamente sua massa atocircmica calculada pela meacutedia eacute 80470 en-quanto que a massa determinada na eacutepoca por Berzelius eacute igual a 7833 Relaccedilotildees semelhantes existem para as densidades de compostos de composiccedilatildeo anaacuteloga formadas pelos elementos de cada um destes grupos Essa foi a primeira lei de periodicidade de propriedades em funccedilatildeo

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 10: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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da massa atocircmica descrita que por envolver grupos de trecircs elementos eacute conhecida como a Lei das Triacuteades de Dobereiner No entanto por sua limitada aplicabilidade tanto aos elementos jaacute conhecidos na eacutepoca como agravequeles que foram descobertos a seguir despertou pouco interesse junto agrave comunidade quiacutemica

Os problemas existentes com as escalas de massa atocircmicas relativas decorrentes do natildeo re-conhecimento das diferenccedilas entre aacutetomos e moleacuteculas soacute foram esclarecidos definitivamente em 1860 pelo quiacutemico italiano Stanislao Cannizarro (1826-1910 figura 9)

Figura 9 Stanislao Cannizarro (1826-1910)

Durante o primeiro congresso internacional de Quiacutemica realizado nesse ano em Karshl-ruhe Alemanha Cannizarro reativou as ideacuteias de Avogadro referente agraves moleacuteculas diatocircmicas formadas pelos elementos hidrogecircnio oxigecircnio e nitrogecircnio pondo fim a deacutecadas de conflitos relacionados com massas atocircmicas e foacutermulas moleculares Com a aceitaccedilatildeo do conceito de moleacutecula pela comunidade quiacutemica quase 50 anos depois de formulado por Avogadro foi possiacutevel criar uma escala confiaacutevel de massas atocircmicas relativas dos elementos conhecidos o que levou agraves descobertas das leis perioacutedicas culminando com a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica de Mendeleev em 1869

Em 1862 o geoacutelogo e mineralogista francecircs Alexandre-Emile Beacuteguyer de Chancourtois (1820- 1886) publicou a heacutelice teluacuterica uma versatildeo pioneira da Tabela Perioacutedica dos Elemen-tos De Chancourtois representou as massas atocircmicas dos elementos sobre a superfiacutecie de um cilindro com circunferecircncia igual a 16 unidades a massa atocircmica aproximada do elemento oxigecircnio A curva helicoidal resultante (Figura 10) denominada heacutelice teluacuterica por De Chan-courtois colocou os elementos semelhantes em pontos correspondentes situados na mesma

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

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Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

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bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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                                                                      3. Botatildeo 4
Page 11: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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vertical acima ou abaixo um do outro separados por intervalos regulares de massas atocircmicas De Chancourtois sugeriu que ldquoas propriedades dos elementos satildeo as propriedades dos nuacutemeros a eles associadosrdquo Assim sem duacutevida ele foi o primeiro cientista a ver a periodicidade das proprie-dades dos elementos quando arranjados em ordem crescente de suas massas atocircmicas No en-tanto por ter publicado inicialmente seus resultados sem a figura da heacutelice teluacuterica (Comptes rendu 1862 54 757-761) o trabalho se tornou de difiacutecil compreensatildeo Posteriormente o trab-alho com a figura foi publicado numa revista de Geologia de modo que natildeo teve praticamente nenhum impacto entre os quiacutemicos da eacutepoca

Figura 10 Heacutelice teluacuterica - De Chancourtois

Em 1864 o quiacutemico inglecircs John Alexander Reina Newlands (1837-1895) publicou a Lei das Oitavas baseadas na observaccedilatildeo de que quando os elementos conhecidos na eacutepoca eram colocados em ordem crescente de suas massas atocircmicas o oitavo elemento da sequumlecircncia tinha propriedades semelhantes agraves do primeiro elemento Isto pode ser visto na Tabela 1 do tra-balho publicado por Newlands em 1864 onde os elementos localizados na horizontal tecircm propriedades aproximadamente semelhantes Por sua analogia com a escala musical que a cada oito notas repete a sequumlecircncia a comunicaccedilatildeo foi recebida ateacute com certa ironia por parte de alguns membros da comunidade cientiacutefica

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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tema4

Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
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Page 12: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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No No No No No No No No H 1 F 8 Cl 15 Co e Ni 22 Br 29 Pd 36 I 42 Pt amp Ir 50Li 2 Na 9 K 16 Cu 23 Rb 30 Ag 37 Cs 44 Os 51G 3 Mg10 Ca 17 Zn 24 Sr 31 Cd 38 Ba e V 45 Hg 52Bo 4 Al 11 Cr 19 Y 25 Ce e La 33 U 40 Ta 46 Tl 53C 5 Si 12 Ti 18 In 26 Zr 32 Sn 39 W 47 Pb 54N 6 P 13 Mn 20 As 27 Di e Mo 34 Sb 41 Nb 48 Bi 55O 7 S 14 Fe 21 Se 28 Ro e Ru 35 Te 43 Au 49 Th 56

Tabela 1 Elementos agrupados em oitavas

Em 1864 o quiacutemico alematildeo Julius Lothar Meyer (1830-1895) com base principalmente em propriedades fiacutesicas publicou uma tabela contendo 28 elementos arranjados em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas relativas distribuiacutedos em 6 famiacutelias com caracteriacutesticas fiacutesicas e quiacutemica semelhantes em seu livro ldquoDie Modernen Theorien der Chemierdquo Nesta tabela Meyer deixou es-paccedilo em branco para um elemento ainda natildeo descoberto que posteriormente foi descoberto e se encaixou na sequumlecircncia Um avanccedilo conceitual significativo de Meyer em relaccedilatildeo aos seus predecessores foi a incorporaccedilatildeo do conceito de valecircncia - o nuacutemero que representa o poder de combinaccedilatildeo de um elemento particular ndash como um elo que une os elementos localizados em cada uma das famiacutelias da tabela Em 1870 Meyer publicou seu trabalho claacutessico (ldquoDie Natur der chemischen Elemente als Function ihrer Atomgewichterdquo Justus Liebigs Annalen der Chemie supp 7 [1870]) 354ndash364) no qual aleacutem de descrever a evoluccedilatildeo de seus trabalhos desde 1864 apresenta o famoso graacutefico (Figura 11) mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicos dos elementos

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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isciplina 02TEMAS

tema 2ficha sumaacuterio bibliografia

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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Page 13: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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isciplina 02ficha sumaacuterio bibliografia TEMAS

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Figura 11 Graacutefico mostrando a periodicidade dos volumes atocircmicos representados em funccedilatildeo das massas atocircmicas dos elementos

Em 1869 o quiacutemico russo Dmitri Ivanovich Mendeleev (1834-1907 Figura 12) publicou a primeira tabela perioacutedica moderna que englobava todos os 66 elementos quiacutemicos conhe-cidos na eacutepoca A Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev era baseada exclusivamente em propriedades quiacutemicas dos elementos reunidos em ordem crescente de suas massas atocircmicas relativas sendo essencialmente idecircntica a proposta por Lothar Meyer em 1870 A forccedila da Tabela proposta por Mendeleev sobre a de Lothar Meyer estaacute em que aleacutem de acomodar de modo satisfatoacuterio todos os elementos conhecidos na eacutepoca reunindo-os em grupos de pro-priedades semelhantes deixava espaccedilos em branco para elementos ainda natildeo existentes com previsatildeo de suas propriedades a partir das posiccedilotildees que deveriam ocupar na tabela Estes satildeo os casos dos elementos que Mendeleev denominou de eka-boro eka-siliacutecio e eka-alumiacutenio (eka =1 em sacircnscrito significando o elemento seguinte na sequumlecircncia) Nos proacuteximos 15 anos ainda durante a vida de Mendeleev foram descobertos elementos novos cujas propriedades medidas tinham uma coincidecircncia impressionante com os valores previstos por Mendeleev Em 1875 o quiacutemico francecircs Paul Emile Lecoq de Boisbaudran descobriu o gaacutelio cujas propriedades eram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-alumiacutenio (Tabela 2)

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Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

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Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

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bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 14: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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tema1

Figura 12 Dmitri Mendeleev (1834-1907)

Propriedades elementos Eka-alumiacutenio (Ea) Gaacutelio (Ga)Massa atocircmica Cerca de 68 6972Densidade do soacutelido 60 gcm3 59 gcm3

Ponto de fusatildeo baixo 2978oCValecircncia 3 3Meacutetodo de seu descobrimento

Provavelmente a partir de seu espectro

Espectroscopicamente

Oacutexido

Foacutermula Ea2O3 densidade 55 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Foacutermula Ga2O3 densidade 588 gcm3 Soluacutevel tanto em aacutecidos como em aacutelcalis

Tabela 2 Previsatildeo de Mendeleev para o elemento Gaacutelio

Com respeito a este fato conta-se que Mendeleev ficou maravilhado quando soube que os dados reportados para o gaacutelio eram praticamente idecircnticos ao que havia previsto para o eka-alumiacutenio Ao saber que a densidade encontrada por de Boisbaudran era de 49 gcm3 ao inveacutes do valor 55 gcm3 que havia previsto aconselhou-o que refizesse as medidas Ao fazer isto de Boisbaudran encontrou o valor de 588 gcm3 muito mais proacuteximo do previsto por Men-deleev que o anterior Em 1879 o sueco Lars Nilson identificou o elemento escacircndio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-boro Em 1886 o quiacutemico alematildeo Clemensen Winkler isolou o germacircnio cujas propriedades se mostraram idecircnticas agraves previstas por Mendeleev para o eka-siliacutecio

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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                  1. Botatildeo 11
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                      1. Botatildeo 62
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                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
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                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
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                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
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                                2. Paacutegina 17
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                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
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                                    2. Paacutegina 17
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                                    4. Paacutegina 19
                                    5. Paacutegina 20
                                    6. Paacutegina 21
                                    7. Paacutegina 22
                                    8. Paacutegina 23
                                    9. Paacutegina 24
                                    10. Paacutegina 25
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Page 15: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Aleacutem das previsotildees sobre a existecircncia e propriedades de elementos ainda natildeo descobertos a partir de sua tabela Mendeleev foi capaz de prever que as massas atocircmicas aceitas na eacutepoca para alguns elementos poderiam estar erradas Um exemplo ilustrativo eacute o caso dos elementos teluacuterio (Te) e iodo (I) cujas massas atocircmicas determinadas na eacutepoca eram iguais a 128 e 127 respectivamente Se colocados na ordem crescente dessas massas atocircmicas Te seria colocado antes de I na Tabela Perioacutedica e deveria formar uma seacuterie de elementos com propriedades anaacutelogas com o F Cl e Br o que natildeo eacute verdade Com base na semelhanccedila das propriedades Mendeleev colocou I antes de Te em sua Tabela Perioacutedica e propocircs que a massa atocircmica de Te deveria estar entre 123 e 126 Os valores aceitos atualmente para as massas atocircmicas de Te e I satildeo iguais a 1276 e 1269 respectivamente Embora Mendeleev estivesse errado em sua previsatildeo sobre a massa atocircmica de Te mostrou uma incriacutevel coerecircncia de raciociacutenio ao prever as posiccedilotildees de Te e I a partir das semelhanccedilas entre as propriedades de elementos anaacutelogos Esta e algumas outras pequenas incoerecircncias existentes na Tabela de Mendeleev soacute foram resolvidas com a mudanccedila do conceito de periodicidade como veremos adiante

Quando se faz um balanccedilo do problema da atribuiccedilatildeo do meacuterito da proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica agrave Mendeleev verifica-se que a essecircncia da ideacuteia de periodicidade jaacute havia sido pro-posta anteriormente por outros cientistas da eacutepoca Talvez o impacto das previsotildees corretas e das previsotildees feitas sobre novos elementos e suas propriedades tenham sido os fatores de-terminantes desta atribuiccedilatildeo e normalmente associamos a Tabela Perioacutedica quase exclusiva-mente ao nome de Mendeleev

Consideraccedilotildees a respeito do material sobre a evoluccedilatildeo da Quiacutemica ateacute a Tabela Perioacutedica de Mendeleev

A evoluccedilatildeo da Quiacutemica como ciecircncia moderna de Lavoisier ateacute a proposiccedilatildeo da Tabela Perioacutedica por Mendeleev constitui uma excelente oportunidade para o professor explorar como material para acompanhar a evoluccedilatildeo histoacuterica das ideacuteias e modelos da Quiacutemica Numa eacutepoca durante a qual natildeo se tinha ainda clara a distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula foi possiacutevel a proposiccedilatildeo das leis ponderais que regem as reaccedilotildees quiacutemicas do primeiro modelo cientiacutefico de aacutetomo a determinaccedilatildeo das massas atocircmicas relativas dos elementos e da Tabela Perioacutedica

Eacute importante destacar que apesar de hoje o fator de periodicidade da Tabela Perioacutedica

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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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tema4

Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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tema4

por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
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natildeo ser mais a massa atocircmica dos elementos a tabela proposta por Mendeleev eacute praticamente idecircntica agrave dos dias de hoje

Outro ponto a se destacar e se explorar nas aulas eacute que a Tabela de Mendeleev foi proposta unicamente com base nas propriedades quiacutemica dos elementos numa eacutepoca em que natildeo se tinha ainda nenhuma noccedilatildeo sobre a existecircncia de proacutetons eleacutetrons nuacutecleo atocircmico e nuacutemeros quacircnticos

2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Muito antes da eacutepoca de Dalton jaacute havia evidecircncias que apontavam que a mateacuteria deveria ser divisiacutevel Uma das primeiras evidecircncias para a existecircncia de cargas eleacutetricas na mateacuteria eacute o fenocircmeno da eletricidade estaacutetica gerada ao se atritar materiais isolantes Este fenocircmeno eacute conhecido desde a eacutepoca dos gregos que observavam que o acircmbar (eleacutectron em grego) uma resina natural que ao ser atritado com tecidos adquiria a propriedade de atrair corpos leves como pedaccedilos de palha Obviamente nesta eacutepoca o fenocircmeno observado natildeo tinha nenhuma

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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
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explicaccedilatildeo plausiacutevel e soacute muito mais tarde o fenocircmeno foi associado agrave separaccedilatildeo de cargas eleacutetricas que estatildeo presentes em toda mateacuteria em decorrecircncia do atrito do acircmbar com o tecido

Para serem possiacuteveis os estudos que levaram agrave compreensatildeo da natureza da eletricidade e sua relaccedilatildeo com a constituiccedilatildeo eleacutetrica de toda mateacuteria que constitui o universo foram ne-cessaacuterios os trabalhos de muitos cientistas ao longo de muito tempo

Embora fosse conhecido desde a Antiguidade como gerar eletricidade por atrito natildeo havia nenhum meio conhecido de produzi-la e armazenaacute-la de modo contiacutenuo A partir de ob-servaccedilotildees feitas por Otto Von Guericke ao redor de 1650 de que se podia gerar eletricidade estaacutetica por atrito em uma bola de enxofre em rotaccedilatildeo surgiram entatildeo projetos das chamadas ldquomaacutequinas de atritordquo Com a utilizaccedilatildeo destas maacutequinas algumas delas ainda utilizadas hoje em demonstraccedilotildees em aulas de Ciecircncias (Figura 13) era possiacutevel obter tensotildees elevadas que resultavam em grandes descargas eleacutetricas atraveacutes do ar semelhantes a um raio No entanto ainda natildeo era possiacutevel armazenar a eletricidade produzida para uso de maneira controlada

Figura 13 - Maacutequina Eletrostaacutetica de Wilmhurst

O primeiro dispositivo praacutetico para a armazenagem da eletricidade produzida por atrito surgiu ao redor de 1744-1746 e eacute conhecido como garrafa de Leiden o que hoje se conhece como um capacitor eleacutetrico Este dispositivo foi proposto independentemente por Pieter van Musschenbroeck cientista holandecircs professor da Universidade de Leiden e Ewald Georg Von Kleist fiacutesico alematildeo

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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
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Apesar de ser possiacutevel armazenar eletricidade em garrafas de Leiden os estudos relacio-nados com a natureza eleacutetrica da mateacuteria soacute tiveram grande desenvolvimento a partir da in-venccedilatildeo de um dispositivo capaz de produzir eletricidade de modo contiacutenuo e controlaacutevel a ldquopilha eleacutetricardquo A primeira pilha eleacutetrica foi montada pelo fiacutesico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745-1827 figura 14) em 1800

Figura 14 Alessandro Volta (1745-1827) Figura 15 Luigi Galvani (1737-1798)

Sua construccedilatildeo foi decorrente da disputa cientiacutefica entre Volta e outro cientista italiano Luigi Galvani (1737-1798 figura 15) sobre a natureza de um fenocircmeno descrito por Galvani Galvani observou que ao dissecar pernas de ratildes os muacutesculos das pernas sofriam contraccedilotildees quando tocadas por dois metais diferentes como se a ratilde estivesse viva Galvani atribui este fenocircmeno agrave existecircncia de uma ldquoeletricidade animalrdquo que teria origem bioloacutegica Volta atri-buiu a origem do fenocircmeno observado por Galvani ao par metaacutelico em contato com a perna da ratilde e concluiu que a perna da ratilde servia apenas como condutora e detectora da eletricidade produzida A partir dessas ideacuteias substituiu a perna da ratilde por salmoura colocada em um copo e ao mergulhar dois metais diferentes na salmoura montou o primeiro dispositivo capaz de produzir corrente eleacutetrica de maneira contiacutenua e controlada Volta conclui que os metais que apresentavam os melhores resultados eram zinco e prata Posteriormente Volta substituiu a soluccedilatildeo de salmoura na qual mergulhava as placas dos dois metais por discos dos dois metais dispostos alternadamente separados por papel embebido em salmoura com cada extremidade da pilha terminando com discos de metais diferentes Tal dispositivo eacute conhecido como ldquopilha de Voltardquo e posteriormente por pilha eleacutetrica

Volta encaminhou os resultados de sua descoberta para o Presidente da Royal Society Sir Joseph Banks em carta datada de 20 de marccedilo de 1800 que seria complementada por uma

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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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tema4

Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
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segunda carta para posterior publicaccedilatildeo Neste intervalo Banks comentou os resultados com o cirurgiatildeo inglecircs Anthony Carlisle (1768 - 1842) Carlisle e o quiacutemico William Nicholson (1753 - 1815) montaram uma pilha tentando reproduzir os resultados relatados por Volta em sua carta Ao montarem o dispositivo observaram que a passagem da corrente eleacutetrica produ-zida pela pilha pela aacutegua provocava o desprendimento de gases O gaacutes produzido em cada um dos terminais eleacutetricos foi recolhido isoladamente sendo que o volume de gaacutes recolhido em um dos terminais eleacutetricos era o dobro do recolhido no outro terminal Posteriormente esses gases foram identificados como sendo hidrogecircnio e oxigecircnio moleculares sendo que o volume de hidrogecircnio obtido no processo era sempre o dobro do de oxigecircnio Com este experimento Carlisle e Nicholson descobriram o fenocircmeno da eletroacutelise e ao mesmo tempo resolveram antiga disputa sobre a foacutermula da aacutegua

Figura 16 - Michael Faraday (1791-1867)

Posteriormente ao estudar o fenocircmeno da eletroacutelise em 1832 o fiacutesico e quiacutemico inglecircs Mi-chael Faraday (1791-1867 Figura 16) estabeleceu relaccedilotildees quantitativas entre a quantidade de cargas eleacutetricas que circula por uma soluccedilatildeo condutora de eletricidade e as massas depositadas ou dissolvidas nos eletrodos

A esta altura com a observaccedilatildeo de que o funcionamento da pilha eleacutetrica estava associado ao desgaste dos discos de zinco provocado por reaccedilotildees quiacutemicas responsaacuteveis pela geraccedilatildeo de corrente eleacutetrica e que durante o processo de eletroacutelise reaccedilotildees quiacutemicas eram promovidas pela passagem de corrente eleacutetrica pelas soluccedilotildees era indiscutiacutevel a necessidade de se rever o

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
                                1. Paacutegina 16 Off
                                2. Paacutegina 17
                                3. Paacutegina 18
                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
                                13. Paacutegina 28
                                14. Paacutegina 29
                                  1. Botatildeo 61
                                    1. Paacutegina 16 Off
                                    2. Paacutegina 17
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Page 20: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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conceito de a mateacuteria ser formada por aacutetomos indivisiacuteveis O caminho que levou agrave revisatildeo do modelo atocircmico sem duacutevida nenhuma se iniciou com a capacidade dos cientistas disporem de uma fonte contiacutenua e controlaacutevel de corrente eleacutetrica o que foi fornecido pela pilha de Volta

No entanto os experimentos que levaram agrave descoberta das partiacuteculas elementares compo-nentes do aacutetomo divisiacutevel envolveram principalmente estudos de descargas eleacutetricas de alta voltagem atraveacutes de gases em diferentes pressotildees O desenvolvimento das pesquisas nesta aacuterea dependeu fortemente do desenvolvimento das teacutecnicas de produccedilatildeo de ampolas de vidro con-tendo gases em pressotildees baixas dotadas de eletrodos metaacutelicos que permitiam a conexatildeo com dispositivos capazes de fornecerem correntes eleacutetricas de tensatildeo elevadas a partir de corrente eleacutetrica obtida atraveacutes de associaccedilotildees de pilhas de Volta No desenvolvimento destes dis-positivos estatildeo envolvidos os nomes de pesquisadores e teacutecnicos tais como Geissler Plucker Rumkorf e Crookes dentre outros cujas contribuiccedilotildees seratildeo comentadas brevemente a seguir

21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees

Em 1851 Heinrich Daniel Ruhmkorff (fabricante alematildeo de instrumentos cientiacuteficos 1803-1877 Figura 17) patenteou seu projeto de bobina de induccedilatildeo aprimorando dispositivo inventado por Nicholas Callan em 1831 Seu projeto de bobina foi bem sucedido fornecendo tensotildees tatildeo elevadas que permitiam a obtenccedilatildeo de descargas eleacutetricas de ateacute 30 centiacutemetros de comprimento no ar Por essa razatildeo a denominaccedilatildeo Bobina de Ruhmkorff passou a ser tomada como sinocircnimo de bobina de induccedilatildeo Este foi o primeiro desenvolvimento que tornou pos-siacutevel o iniacutecio das descobertas que levaram agrave reformulaccedilatildeo do modelo atocircmico de Dalton

Os outros dois desenvolvimentos teacutecnicos essenciais para o desenvolvimento desses estudos ndash o desenvolvimento de bombas de vaacutecuo eficientes e a produccedilatildeo de ampolas seladas de vidro contendo gases a baixas pressotildees e dotadas de eletrodos metaacutelicos em suas extremidades ndash foram desenvolvidos pelo fiacutesico e produtor de instrumentos cientiacuteficos alematildeo Johann Hein-rich Wilhem Geissler (1815- 1879 Figura 18)

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
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                            9. Paacutegina 12
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                                5. Paacutegina 20
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                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
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                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
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                                  1. Botatildeo 61
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                                    7. Paacutegina 22
                                    8. Paacutegina 23
                                    9. Paacutegina 24
                                    10. Paacutegina 25
                                    11. Paacutegina 26
                                    12. Paacutegina 27
                                    13. Paacutegina 28
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                                            1. Paacutegina 30 Off
                                            2. Paacutegina 31
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                                            4. Paacutegina 33
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                                              1. Botatildeo 56
                                                1. Paacutegina 35 Off
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                                                4. Paacutegina 38
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Page 21: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 17 Heinrich Ruhmkorff (1803-1877)

Figura 18 Johann Heinrich Wilhem Geissler (1815-1879)

Os tubos comercializados por Geissler conhecidos como tubos de Geissler continham gas-es diferentes em pressotildees da ordem de 10-3 atmosfera Quando seus eletrodos satildeo ligados aos terminais de uma bobina de Ruhmkorff nota-se a produccedilatildeo de emissatildeo colorida cuja cor eacute dependente da natureza do gaacutes contido no tubo e que ocupa todo o espaccedilo entre os eletrodos independentemente do formato do tubo Os tubos de Geissler satildeo utilizados ateacute hoje no que conhecemos como ldquoanuacutencios de neacuteonrdquo

Em 1856 o fiacutesico e matemaacutetico alematildeo Julius Plucker (1801-1867 Figura 19) encomen-dou vaacuterios tubos a seu colega Geissler e iniciou seus estudos sobre a luminescecircncia obser-vada no funcionamento dos mesmos Juntamente com o fiacutesico alematildeo Johan Wilhem Hittorf (1824-1914 Figura 20) observou que em tubos de Geissler com pressatildeo interna mais baixa era observada luminescecircncia do vidro na regiatildeo oposta ao eletrodo negativo o caacutetodo Aleacutem disto observou que esta luminosidade sofria deflexatildeo quando submetido agrave accedilatildeo de campos magneacuteti-cos Em 1870 o fiacutesico alematildeo Eugen Goldstein (1850 ndash 1930) denominou esta luminescecircncia de raios catoacutedicos por aparecer oposta ao caacutetodo ( poacutelo negativo do circuito) nome pelo qual o fenocircmeno passou a ser designado a partir de entatildeo

Figura 19 Julius Plucker (1801-1867) Figura 20 Johan Wilhem Hittorf (1824-1914)

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 22: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Papel fundamental nos estudos envolvendo descargas eleacutetricas em pressotildees reduzidas foi desempenhado pelo quiacutemico e fiacutesico inglecircs Wiliam Crookes (1832- 1919 Figura 21)

Figura 21 Wiliam Crookes (1832-1919)

Tendo sido aperfeiccediloada a bomba de vaacutecuo pelo seu grupo de pesquisa ele conseguia pro-duzir tubos de Geissler cuja pressatildeo interna original era da ordem de 10-3 atm com pressotildees finais na faixa entre 10-6 e 10-8 atm Em experimentos realizados com tubos com gases em pressotildees internas cada vez menores Crookes observou inicialmente que a coluna colorida que ocupava uniformemente todo o interior do tubo nas pressotildees da ordem de 10-3 atm comeccedilava a apresentar espaccedilos escuros que se afastavam do eletrodo negativo do tubo Posteriormente observou que quando a pressatildeo interna no tubo era da ordem de 10-6 atm a faixa escura ocupava todo o espaccedilo entre os dois eletrodos do tubo mas aparecia luminosidade intensa no vidro oposto ao eletrodo negativo do tubo Embora ainda natildeo conhecessem a origem do fenocircmeno os estudos foram continuados usando diversas formas dos tubos modificados por Crookes designados de um modo geral como ldquotubos de Crookesrdquo Um dos tipos desses tubos eacute mostrado nas Figuras 22a e 22b A partir dos trabalhos com tubos de Crookes diversas ob-servaccedilotildees gerais a respeito forma feitas

1 Nos tubos de Crookes com pressotildees internas mais elevadas a descarga eleacutetrica ocorria sempre entre os dois eletrodos do circuito independentemente da forma do tubo (ver Figura 22a)

2 No caso das ampolas em pressotildees mais baixas observava-se apenas a luminescecircncia do vidro que sempre aparecia na direccedilatildeo oposta ao eletrodo negativo do tubo (caacutetodo) independentemente da posiccedilatildeo do eletrodo positivo Figuras 22a e 22b

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
                                1. Paacutegina 16 Off
                                2. Paacutegina 17
                                3. Paacutegina 18
                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
                                13. Paacutegina 28
                                14. Paacutegina 29
                                  1. Botatildeo 61
                                    1. Paacutegina 16 Off
                                    2. Paacutegina 17
                                    3. Paacutegina 18
                                    4. Paacutegina 19
                                    5. Paacutegina 20
                                    6. Paacutegina 21
                                    7. Paacutegina 22
                                    8. Paacutegina 23
                                    9. Paacutegina 24
                                    10. Paacutegina 25
                                    11. Paacutegina 26
                                    12. Paacutegina 27
                                    13. Paacutegina 28
                                    14. Paacutegina 29
                                      1. Botatildeo 58
                                        1. Paacutegina 30 Off
                                        2. Paacutegina 31
                                        3. Paacutegina 32
                                        4. Paacutegina 33
                                        5. Paacutegina 34
                                          1. Botatildeo 59
                                            1. Paacutegina 30 Off
                                            2. Paacutegina 31
                                            3. Paacutegina 32
                                            4. Paacutegina 33
                                            5. Paacutegina 34
                                              1. Botatildeo 56
                                                1. Paacutegina 35 Off
                                                2. Paacutegina 36
                                                3. Paacutegina 37
                                                4. Paacutegina 38
                                                5. Paacutegina 39
                                                6. Paacutegina 40
                                                  1. Botatildeo 57
                                                    1. Paacutegina 35 Off
                                                    2. Paacutegina 36
                                                    3. Paacutegina 37
                                                    4. Paacutegina 38
                                                    5. Paacutegina 39
                                                    6. Paacutegina 40
                                                      1. Botatildeo 64
                                                        1. Paacutegina 41 Off
                                                        2. Paacutegina 42
                                                        3. Paacutegina 43
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                                                          1. Botatildeo 65
                                                            1. Paacutegina 41 Off
                                                            2. Paacutegina 42
                                                            3. Paacutegina 43
                                                            4. Paacutegina 44
                                                              1. Botatildeo 52
                                                                1. Paacutegina 45 Off
                                                                2. Paacutegina 46
                                                                3. Paacutegina 47
                                                                4. Paacutegina 48
                                                                5. Paacutegina 49
                                                                6. Paacutegina 50
                                                                  1. Botatildeo 53
                                                                    1. Paacutegina 45 Off
                                                                    2. Paacutegina 46
                                                                    3. Paacutegina 47
                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 23: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 22a ndash Ampola de Crookes em pressatildeo alta

Figura 22b - Ampola de Crookes em baixa pressatildeo

Por esta razatildeo Goldstein passou a chamar a emissatildeo responsaacutevel pela luminescecircncia do vidro de ldquoraios catoacutedicosrdquo

3 Um objeto colocado no caminho entre o eletrodo negativo do tubo e o vidro no lado oposto projetava uma sombra com a forma do objeto sobre o vidro Isto sugere que a propagaccedilatildeo dos raios catoacutedicos eacute retiliacutenea

Figura 23 - Ampolas com cruz de malta

4 A emissatildeo dos raios catoacutedicos eacute sempre perpendicular agrave superfiacutecie do eletrodo negativo Deste modo se for empregado um eletrodo curvo os raios catoacutedicos podem ser focados num ponto

5 Observou-se que quando um campo eleacutetrico era aplicado atraveacutes de placas metaacuteli-cas colocadas perpendicularmente ao feixe de raios catoacutedicos o feixe era desviado em direccedilatildeo da placa positiva o que sugeria que os raios catoacutedicos eram constituiacutedos por cargas negativas

6 Quando os poacutelos norte e sul de um imatilde eram colocados um de cada lado do feixe de raios catoacutedicos observou-se um deslocamento do feixe em direccedilatildeo perpendicular

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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                        4. Paacutegina 7
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                            2. Paacutegina 5
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                            9. Paacutegina 12
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                              1. Botatildeo 60
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                                2. Paacutegina 17
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                                5. Paacutegina 20
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                                8. Paacutegina 23
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                                    9. Paacutegina 24
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                                        2. Paacutegina 31
                                        3. Paacutegina 32
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Page 24: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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ao campo magneacutetico (Figura 24) O comportamento observado estaacute inteiramente de acordo com o previsto pelas leis de Faraday para uma corrente eleacutetrica percorrendo um fio condutor quando submetido agrave accedilatildeo de um campo magneacutetico perpendicular

Figura 24 - Ampola de raios catoacutedicos submetida a um campo magneacutetico

7 Quando se fez incidir um feixe de raios catoacutedicos sobre as paacutes de um catavento capaz de girar livremente (Figura 25) observou-se que o catavento se movia em direccedilatildeo oposta ao caacutetodo Embora haja controveacutersias sobre a veracidade das conclusotildees Crookes in-terpretou que o deslocamento se devia ao fato dos componentes dos raios catoacutedicos terem momento isto eacute possuiacuterem massa e velocidade devendo entatildeo ser constituiacutedos por partiacuteculas materiais

Figura 25 - Tubo de Crookes com montagem contendo catavento interno

A identificaccedilatildeo inequiacutevoca da constituiccedilatildeo dos raios catoacutedicos foi feita pelo fiacutesico inglecircs Joseph John Thompson (1856-1940) que provou que eram formados por corpos muito meno-res que um aacutetomo tendo carga negativa Thomson denominou estes corpos de ldquocorpuacutesculosrdquo nome posteriormente substituiacutedo por eleacutetron dado anteriormente por George Stoney devido ao fato de terem o mesmo tipo de carga eleacutetrica (negativa) que a gerada quando acircmbar era atritado com um pedaccedilo de tecido (acircmbar = elektron em grego)

A partir de estudos de deflexatildeo dos raios catoacutedicos em ampolas desenvolvidas especial-mente para este fim (Figura 26) em 1897 Thomson determinou a relaccedilatildeo massacarga do eleacutetron que se mostrou ser perto de 1000 vezes menor que a massa encontrada para um aacutetomo de hidrogecircnio em medidas de eletroacutelise

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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Page 25: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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isciplina 02TEMAS

tema 2ficha sumaacuterio bibliografia

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Figura 26 ndash Tubo original de raios catoacutedicos empregado por Thomson para a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa do eleacutetron

httpwww-outreachphycamacukcamphymuseumarea2imagescabinet3_2jpg

Embora na eacutepoca Thomson natildeo tivesse elementos suficientes para esta afirmaccedilatildeo ele ousou propor que as partiacuteculas negativas eram constituintes universais negativos da mateacuteria o que posteriormente foi confirmado

Como a mateacuteria em seu global eacute eletricamente neutra Thomson postulou para o aacutetomo um modelo em que as cargas negativas dos eleacutetrons deveriam ser exatamente contrabalanccediladas por igual nuacutemero de cargas positivas e esta carga estaria distribuiacuteda numa esfera de carga positiva dentro da qual os eleacutetrons se moveriam Embora Thomson natildeo tenha usado este termo e natildeo corresponda exatamente ao modelo atocircmico preconizado por ele o modelo se tornou conhe-cido como o modelo ldquopudim com passasrdquo posteriormente provado ser errado por Rutherford Outro detalhe que deve ser lembrado eacute que em seu modelo Thomson natildeo propocircs que a esfera de cargas positivas seria formada por proacutetons mas sim por uma esfera com a carga positiva total distribuiacuteda uniformemente por ela

Como a mateacuteria em seu total eacute neutra era oacutebvio de que deveria haver uma partiacutecula elementar de carga positiva Eacute de se esperar que num tubo de descarga as partiacuteculas positivas deveriam se deslocar em sentido oposto aos dos eleacutetrons aparecendo na regiatildeo oposta ao acircnodo da ampola (poacutelo positivo) Para poder observar as partiacuteculas positivas o fiacutesico Eugen Goldstein modificou um tubo de Crookes utilizando um caacutetodo (poacutelo negativo do circuito) perfurado e localizado no meio do tubo (Figura 27)

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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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                  1. Botatildeo 11
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                      1. Botatildeo 62
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                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
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                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
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                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
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                                2. Paacutegina 17
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                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
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                                    2. Paacutegina 17
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                                    4. Paacutegina 19
                                    5. Paacutegina 20
                                    6. Paacutegina 21
                                    7. Paacutegina 22
                                    8. Paacutegina 23
                                    9. Paacutegina 24
                                    10. Paacutegina 25
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Figura 27 ndash Tubo empregado por Goldstein

Quando o tubo era colocado para funcionar observava-se como previsto um feixe de lu-minosidade fraca na regiatildeo oposto ao acircnodo Como os raios tinham que passar pelos furos da placa foram inicialmente denominados de ldquoraios canaisrdquo (Um tubo de raios canais em funcio-namento pode ser visto em httpwwwyoutubecomwatchv=3WIjCtZLMDg)

Estudos dos raios canais por meacutetodos anaacutelogos aos empregados nos estudos dos raios catoacutedicos mostraram que

I os raios canais eram desviados por campos eleacutetricos e magneacuteticos em sentido oposto aos dos raios catoacutedicos

II para campos eleacutetricos e magneacuteticos de mesmas intensidades os desvios sofridos pelos raios canais eram muito menores que os dos raios catoacutedicos

III a natureza dos raios canais era dependente do gaacutes contido no interior do tubo

IV a determinaccedilatildeo da relaccedilatildeo cargamassa dos raios canais se mostraram muito menores que para os raios catoacutedicos com as massas estimadas serem mais de mil vezes a da partiacutecula negativa e

V os raios canais ao contraacuterio dos raios catoacutedicos eram melhor observados quando a pressatildeo interna do gaacutes do tubo natildeo era muito baixa sendo prejudicada sua observaccedilatildeo quando a pressatildeo interna era muito baixa

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Page 27: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Todas essas observaccedilotildees indicavam que os raios canais estavam ligados agrave natureza do gaacutes contido no tubo e natildeo com a do acircnodo (poacutelo positivo) Posteriormente quando Rutherford estudou raios canais em que o gaacutes interno era hidrogecircnio encontrou a partiacutecula positiva de menor massa Posteriormente comprovou-se que os raios canais observados quando o hi-drogecircnio estava presente no tubo de descarga era constituiacutedo pelas partiacuteculas elementares positivas posteriormente denominadas de proacutetons por Rutherford

Apoacutes se concluir que o fenocircmeno observado num tubo de raios canais estaacute associado agrave na-tureza do gaacutes em seu interior fica faacutecil entender a origem dos raios canais Ao se produzir o feixe de raios catoacutedicos os eleacutetrons constituintes deste feixe dotados de alta energia arrancam eleacutetrons do gaacutes contido no interior do tubo produzindo iacuteons positivos Os iacuteons positivos as-sim formados satildeo acelerados pelo campo eleacutetrico existente entre os eletrodos do tubo sendo repelido pelo poacutelo positivo e atraiacutedo pelo poacutelo negativo Sendo dotadas de energia elevada as partiacuteculas positivas atravessam a placa perfurada carregada negativamente sendo visualizadas do outro lado da placa

Em 1898 o fiacutesico alematildeo Wilhem Wien (1846-1928) estudando a deflexatildeo dos raios canais por campos eleacutetricos e magneacuteticos observou que eram compatiacuteveis com partiacuteculas positiva-mente carregadas e que as deflexotildees observadas eram funccedilotildees de suas relaccedilotildees cargamassa O meacutetodo usado neste estudo por Wien resultou 20 anos depois no espectroacutegrafo de massas que tornou possiacutevel medidas precisas de massas atocircmicas de vaacuterios aacutetomos e seus isoacutetopos

22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas

Em 1897 jaacute era conhecida a relaccedilatildeo cargamassa para o eleacutetron determinada por Thomson Em 1909 o fiacutesico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953 Figura 28) determinou a carga do eleacutetron atraveacutes da observaccedilatildeo da queda de gotas de oacuteleo carregadas atraveacutes de des-carga de raios-X

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isciplina 02TEMAS

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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isciplina 02TEMAS

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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                                                            2. Paacutegina 42
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                                                            4. Paacutegina 44
                                                              1. Botatildeo 52
                                                                1. Paacutegina 45 Off
                                                                2. Paacutegina 46
                                                                3. Paacutegina 47
                                                                4. Paacutegina 48
                                                                5. Paacutegina 49
                                                                6. Paacutegina 50
                                                                  1. Botatildeo 53
                                                                    1. Paacutegina 45 Off
                                                                    2. Paacutegina 46
                                                                    3. Paacutegina 47
                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 28: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 28 ndash Robert Andrew Millikan (1868-1953)

Medindo o tempo de queda de uma gota carregada eletricamente sob a accedilatildeo apenas da forccedila de gravidade e posteriormente sob a accedilatildeo da simultacircnea da forccedila de gravidade e de forccedila eleacutetrica aplicada convenientemente pode calcular as cargas eleacutetricas contidas em cada gota

Uma excelente simulaccedilatildeo do experimento de Millikan pode ser vista em

httpe-quimicaiqunespbrindexphpoption=com_contentampview=articleampid=71experimento-de-millikanampcatid=36videosampItemid=55

A partir de seus caacutelculos concluiu que em todas as medidas efetuadas as cargas medidas eram muacuteltiplas de uma grandeza eleacutetrica fundamental negativa a carga do eleacutetron cujo valor atualmente aceito eacute de - 1602 176 487(40) x 10-19C A partir da relaccedilatildeo cargamassa deter-minada anteriormente por Thomson foi possiacutevel calcular a massa do eleacutetron cujo valor aceito atualmente eacute de 9109 382 15(45) x 10-31 kg

Adotando-se procedimentos semelhantes com os raios canais quando o gaacutes dentro do tubo era hidrogecircnio determinou-se a carga do proacuteton atualmente aceita como sendo igual a + 1602 176 487(40) x 10-19C e massa igual a 1672 621 637 x 10-27 kg

Em 1913 ao explorar a composiccedilatildeo dos raios canais Thomson desviou um feixe destes raios por campos eleacutetricos e magneacuteticos e mediu sua deflexatildeo fazendo-o incidir sobre uma placa fotograacutefica colocada em seu caminho Para o caso do neoacuten Thomson observou dois traccedilos de luz na chapa fotograacutefica (Fgura 29) que ele explicou como sendo devido a aacutetomos de neacuteon com duas massas atocircmicas diferentes 20 e 22

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
                                1. Paacutegina 16 Off
                                2. Paacutegina 17
                                3. Paacutegina 18
                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
                                11. Paacutegina 26
                                12. Paacutegina 27
                                13. Paacutegina 28
                                14. Paacutegina 29
                                  1. Botatildeo 61
                                    1. Paacutegina 16 Off
                                    2. Paacutegina 17
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Page 29: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 29 ndash Foto obtida por Thomson ao estudar raios canais mostrando a existecircncia de isoacutetopos de neocircnio

Esta foi a primeira evidecircncia encontrada para a existecircncia de isoacutetopos (do grego isos = mesmo e topos = lugar) cuja existecircncia foi proposta anteriormente por Frederick Soddy (quiacutemico in-glecircs 1877-1956) Para explicar a existecircncia de aacutetomos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas mas iguais propriedades quiacutemicas os isoacutetopos Rutherford posteriormente propocircs que deveria haver uma partiacutecula neutra Esta partiacutecula subatocircmica soacute foi encontrada experimentalmente pelo fiacutesico inglecircs James Chadwick (1891-1974 Figura 30) em 1932 em trabalho envolvendo reaccedilatildeo nuclear entre beriacutelio e partiacuteculas alfa

Figura 30 - James Chadwick (1891-1974)

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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
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3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Em 1895 o fiacutesico alematildeo Wilhem Conrad Rontgen (1845-1923) realizava experimentos com ampolas de Crookes modificadas As modificaccedilotildees incluiacuteam a colocaccedilatildeo de anteparos metaacutelicos inclinados na direccedilatildeo oposta ao poacutelo negativo do tubo (caacutetodo) que denominou de anticaacutetodo que eram atingidos pelo feixe de raios catoacutedicos provenientes do caacutetodo da am-pola Ao colocar a ampola em funcionamento numa noite em 1895 ele descobriu que mesmo com a ampola fechada num invoacutelucro de cartatildeo preto para exclui toda a luz no escuro uma placa de papel coberta de um lado por cianoplatinato de baacuterio se tornava fluorescente quando colocado no caminho de raios invisiacuteveis mesmo quando situado a metros de distacircncia da ampola Embora supusesse que o fenocircmeno observado deveria estar associado agrave uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica o que soacute foi provado posteriormente por desconhecer a natureza exata dos

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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UnespR

edefor bull Moacutedulo I bull D

isciplina 02TEMAS

Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
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Page 31: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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isciplina 02TEMAS

tema 3ficha sumaacuterio bibliografia

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raios invisiacuteveis que provocavam a luminescecircncia do sal Rontgen denominou-o de raios-X Posteriormente ao interpor a matildeo de sua esposa entre a ampola e uma chapa fotograacutefica pro-tegida obteve a projeccedilatildeo da sombra dos ossos de sua matildeo e de um anel que usava (Figura 31)

Figura 31 ndash Primeira radiografia feita por Rontgen

Figura 32 - Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908)

Esta foi a primeira radiografia jaacute feita Posteriormente Rontgen mostrou que os raios-X eram produzidos pelo impacto dos raios catoacutedicos sobre a anticaacutetodo Por este trabalho recebeu o primeiro precircmio Nobel de Fiacutesica em 1901

Soacute mais tarde Max von Laue (fiacutesico alematildeo 1879-1960 ) mostrou sem sombra de duacutevidas que os raios-X satildeo radiaccedilotildees eletromagneacuteticas do mesmo tipo da luz visiacutevel soacute que de uma frequumlecircncia muito mais elevada que a desta uacuteltima Em 1896 apoacutes uma discussatildeo cientiacutefica com Henri Poincareacute (fiacutesico matemaacutetico e filoacutesofo francecircs 1854 - 1912) sobre a recente desco-berta dos raios-X e o fenocircmeno de luminescecircncia que provocava em certos corpos o fiacutesico francecircs Antoine Henry Becquerel (1852 ndash 1908 Figura 32) decidiu investigar se havia alguma relaccedilatildeo entre os raios-X e a fosforescecircncia natural jaacute observada em sais de uracircnio

Becquerel observou que quando frascos contendo sais de uracircnio eram colocados proacuteximos de uma placa fotograacutefica protegida da luz (Figura 33) a placa fotograacutefica era velada como se tivesse sido exposta agrave luz

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isciplina 02TEMAS

tema 3ficha sumaacuterio bibliografia

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 32: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura 33 ndash Filme fotograacutefico pelo sal de uracircnio contido no frasco de vidro

Posteriormente Becquerel mostrou que os raios emitidos pelos sais de uracircnio que por um longo tempo foram conhecidos como raios de Becquerel em sua homenagem provocavam a ionizaccedilatildeo do ar e que ao contraacuterio dos raios-X podiam ser defletidos por campos eleacutetricos e magneacuteticos Esta uacuteltima observaccedilatildeo indicava que pelo menos parte dos raios emitidos pelos sais de uracircnio tinha cargas eleacutetricas associadas

Em 1897 a fiacutesica de origem polonesa Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934 Figura 34) escolheu como tema de sua tese de doutorado o estudos dos raios de Becquerel tendo o proacuteprio Henry Becquerel como supervisor Esse trabalho envolvendo principalmente estudo do mineacuterio de uracircnio conhecido como pechblenda resultou em 1903 na tese de Doutorado intitulada Recherches sur lecircs substances radioactives defendida junto agrave Universidade de Paris Como resultado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo envolvendo toneladas de mineacuterio de uracircnio desenvolvidos em conjunto com seu marido Pierre Curie (fiacutesico francecircs 1859 ndash 1906 Figura 35) em 1898 foram publicados trecircs trabalhos relatando a separaccedilatildeo de dois novos elementos o polocircnio e o raacutedio ainda mais radioativos que o uracircnio Como reconhecimento pelos trabal-hos com a radioatividade o precircmio Nobel de Fiacutesica de 1903 foi partilhado igualmente entre Henry Becquerel e o casal Pierre e Marie Curie Em 1911 reconhecendo o trabalho de sepa-raccedilatildeo e caracterizaccedilatildeo dos elementos polocircnio e raacutedio Marie Curie se tornou a primeira pessoa a receber dois precircmios Nobel neste caso o de Quiacutemica

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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                                                                5. Paacutegina 49
                                                                6. Paacutegina 50
                                                                  1. Botatildeo 53
                                                                    1. Paacutegina 45 Off
                                                                    2. Paacutegina 46
                                                                    3. Paacutegina 47
                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 33: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Figura34 - Marie Skłodowska Curie (1867 ndash 1934)

Figura35 - Pierre Curie (1859-1906)

Seu marido Pierre que tinha participado dos aacuterduos trabalhos de separaccedilatildeo e identificaccedilatildeo dos elementos havia morrido em 1906 em consequumlecircncia de um acidente

Ao redor de 1900 natildeo se tinha ideacuteia sobre a origem e composiccedilatildeo das radiaccedilotildees emitidas pelos sais de uracircnio e toacuterio Neste caminho longo e na eacutepoca agraves vezes confuso foram muito importantes os trabalhos de desenvolvidos por Ernst Rutherford

Jaacute em 1899 Rutherford identificou a existecircncia de dois tipos de radiaccedilatildeo nas emissotildees pro-venientes de uracircnio e toacuterio com base em seus diferentes poderes de penetraccedilatildeo na mateacuteria Em 1900 Paul Ulrich Villard (fiacutesico e quiacutemico francecircs 1860-1934) observou um terceiro tipo de radiaccedilatildeo muito mais penetrante que os raios-X e que foi denominado de radiaccedilatildeo gama por Rutherford

Com a disponibilidade de raacutedio fortemente radioativo Giesel mostrou em 1899 que as partiacuteculas beta emitidas por esta substacircncia eram facilmente desviadas por um campo mag-neacutetico na mesma direccedilatildeo que um feixe de raios catoacutedicos parecendo serem constituiacutedos por partiacuteculas de carga negativa A prova de que as partiacuteculas beta na realidade satildeo eleacutetrons foi completada em 1900 por Becquerel que mostrou que as partiacuteculas beta do raacutedio tecircm a mesma massa pequena dos eleacutetrons

Em 1902 Rutherford e Soddy publicaram um trabalho no qual concluem que no processo de emissatildeo de radiaccedilatildeo ldquoos elementos radioativos devem estar sofrendo transformaccedilatildeo espon-

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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                                                                5. Paacutegina 49
                                                                6. Paacutegina 50
                                                                  1. Botatildeo 53
                                                                    1. Paacutegina 45 Off
                                                                    2. Paacutegina 46
                                                                    3. Paacutegina 47
                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 34: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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tacircneardquo Em 1909 em outro trabalho de Rutherford desta vez em parceria com Thomas Royds (quiacutemico inglecircs 1884-1955) identificou que as partiacuteculas alfa apoacutes perder sua carga positiva satildeo nuacutecleos do elemento heacutelio

As dificuldades para a identificaccedilatildeo dos trecircs tipos de emissotildees dos elementos radioativos naturais ao redor de 1900 ndash partiacutecula alfa partiacutecula beta e radiaccedilatildeo gama - atualmente asso-ciadas respectivamente ao nuacutecleo de heacutelio ao eleacutetron e radiaccedilatildeo eletromagneacutetica de frequumlecircn-cia mais elevada que a dos raios-X - hoje satildeo facilmente compreendidas Sabe-se que os problemas experimentais encontrados naquela eacutepoca para a detecccedilatildeo e caracterizaccedilotildees das emissotildees estatildeo relacionados principalmente com as capacidades de ionizaccedilatildeo do meio circun-dante provocadas por elas As partiacuteculas alfa com sua carga +2 tecircm um poder de ionizaccedilatildeo tatildeo grande que ionizam o ar e o meio circundante dissipando rapidamente sua energia Como consequumlecircncia sua distacircncia de propagaccedilatildeo no ar a partir da fonte eacute muito pequena dificultan-do sua detecccedilatildeo A partiacutecula beta com sua carga -1 embora tambeacutem ionizante provoca uma ionizaccedilatildeo muito menor do meio circundante devido sua carga ser menor o que lhe assegura uma maior penetraccedilatildeo no ar podendo ser detectada a distacircncias um pouco maiores da fonte (alguns centiacutemetros) Jaacute a radiaccedilatildeo gama sendo uma radiaccedilatildeo eletromagneacutetica e tendo baixo poder de ionizaccedilatildeo da mateacuteria tem poder de penetraccedilatildeo muito grande tanto no ar como em corpos densos podendo ser detectada agrave grandes distacircncias da fonte Por exemplo as imagens dos frascos contendo sais de uracircnio detectadas por Becquerel em filmes fotograacuteficos prote-gidos da luz foram produzidas pela emissatildeo gama do uracircnio capaz de atravessar o vidro do recipiente contendo o sal e o ar compreendido entre o frasco e o filme

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4
Page 35: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford

No iniacutecio do seacuteculo XX jaacute havia sido comprovada a existecircncia das partiacuteculas elementares o proacuteton e o eleacutetron com suas cargas e massas determinadas e sido postulada a existecircncia do necircutron soacute comprovada experimentalmente em 1932

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo neutro envolvendo iguais nuacutemeros de partiacuteculas positivas e negativas Thomson havia proposto que as cargas positivas estariam dis-tribuiacutedas uniformemente numa esfera e os eleacutetrons se movimentariam entre as partiacuteculas positivas Este eacute o modelo ao qual eacute atribuiacutedo hoje o nome de ldquopudim com passasrdquo denomi-naccedilatildeo e significado que Thomson jamais usou No entanto uma raacutepida anaacutelise mostra que tal sistema natildeo pode ser estaacutevel uma vez que a tendecircncia natural de partiacuteculas eleacutetricas de cargas opostas eacute se atraiacuterem

Na tentativa de explicar a estabilidade do aacutetomo em 1904 o fiacutesico japonecircs Hantaro Nagao-

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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Page 36: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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ficha sumaacuterio bibliografia

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ka (1865-1950) propocircs um modelo planetaacuterio para o aacutetomo com os eleacutetrons de menor massa orbitando em torno de um nuacutecleo denso maciccedilo Este modelo foi proposto por analogia com a estabilidade observada para os aneacuteis de Saturno em seus estudos sobre o planeta

Em 1909 Rutherford (Figura 36) iniciou os experimentos de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta provenientes de uma amostra de raacutedio usando uma montagem experimental es-quematizada na Figura 37

Figura 36 - Ernest Rutherford (1871 ndash 1937)

Figura 37 - Montagem experimental de espalhamento de partiacuteculas alfa e beta

As partiacuteculas alfa eram provenientes de uma amostra de raacutedio localizada no interior do bloco de chumbo R que blinda a radiaccedilatildeo e a colima na direccedilatildeo do uacutenico orifiacutecio existente no bloco R Em F estava uma folha fina de ouro com cerca de 8 x 10-6 cm tatildeo fraacutegil que teve que ser montada sobre uma lacircmina de vidro Em M estava um microscoacutepio de baixa resoluccedilatildeo possiacutevel de ser movimentado ao redor dotado de uma tela recoberta por sulfeto de zinco em uma de suas extremidades que emitia um lampejo de luz quando atingida por uma partiacutecula alfa

Por sua importacircncia histoacuterica embora hoje apenas superficialmente relatada nos cursos de Quiacutemica Geral a experiecircncia de espalhamento de partiacuteculas alfa (Figura 37) de RutherforGeigerMarsden eacute um marco para o desenvolvimento futuro do modelo de aacutetomo Por esta razatildeo vamos analisar mais detalhadamente o experimento e as conclusotildees obtidas a partir dos resultados obtidos

Embora idealizado inicialmente por Rutherford as medidas foram realizadas pelos seus

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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Page 37: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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alunos Hans Geiger (fiacutesico alematildeo 1882 - 1945) e Ernst Marsden (fiacutesico neozelandecircs 1889-1970) A realizaccedilatildeo destes experimentos exigiu muita dedicaccedilatildeo e persistecircncia pois como os lampejos provocados pelas partiacuteculas alfa satildeo fracos o pesquisador tinha que permanecer numa sala escura com um tempo de adaptaccedilatildeo visual inicial antes do iniacutecio das medidas A partir das medidas efetuadas por Geiger e Marsden surgiram as seguintes generalizaccedilotildees

1 Quase todas as partiacuteculas alfa passavam pela folha de ouro como se ela natildeo estivesse presente Essas partiacuteculas alfa logicamente continuavam suas trajetoacuterias retiliacuteneas ateacute atingir a tela detectora

2 Algumas das partiacuteculas alfa eram defletidas apenas ligeiramente geralmente 2 graus ou menos Os caacutelculos feitos por Geiger indicavam que o acircngulo mais provaacutevel de desvio era em torno de 1 grau

3 Um nuacutemero muitiacutessimo pequeno de partiacuteculas uma em cada 20000 segundo valor reportado em um trabalho publicado por Rutherford sofriam desvios maiores que 90 graus

Considerando o modelo atocircmico de Thomson era impossiacutevel prever estes resultados espe-cialmente o de que a maior parte das partiacuteculas alfa passava atraveacutes da folha de ouro como se ela natildeo existisse Embora a folha de ouro fosse extremamente fina no caminho das partiacuteculas alfa havia um nuacutemero muito grande de aacutetomos que no modelo de Thomson seriam esferas com distribuiccedilatildeo uniforme de carga positiva Seria impossiacutevel imaginar que as partiacuteculas alfa passassem atraveacutes dos interstiacutecios existentes entre as esferas nos seus caminhos indo atingir o detector localizado em posiccedilatildeo oposta agrave fonte das partiacuteculas alfa A uacutenica conclusatildeo loacutegica seria que as partiacuteculas alfa deveriam passar pelo interior do aacutetomo que em sua maior parte seria vazio

Quando Geiger comunicou que haviam detectado rariacutessimas partiacuteculas que voltavam na mesma direccedilatildeo da fonte de partiacuteculas alfa Rutherford se espantou e disse

ldquoEste foi o evento mais incriacutevel que aconteceu em minha vida Era quase tatildeo inacredi-taacutevel quanto vocecirc disparar uma bala de canhatildeo de 15 polegadas num pedaccedilo de tecido e ela ricocheteasse e o atingisse Considerando a observaccedilatildeo percebi que este ricochete devia ser resultado de uma uacutenica colisatildeo e quando fiz os caacutelculos vi que era impossiacutevel obter

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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tema4

por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
                        7. Paacutegina 10
                        8. Paacutegina 11
                        9. Paacutegina 12
                        10. Paacutegina 13
                        11. Paacutegina 14
                        12. Paacutegina 15
                          1. Botatildeo 63
                            1. Paacutegina 4 Off
                            2. Paacutegina 5
                            3. Paacutegina 6
                            4. Paacutegina 7
                            5. Paacutegina 8
                            6. Paacutegina 9
                            7. Paacutegina 10
                            8. Paacutegina 11
                            9. Paacutegina 12
                            10. Paacutegina 13
                            11. Paacutegina 14
                            12. Paacutegina 15
                              1. Botatildeo 60
                                1. Paacutegina 16 Off
                                2. Paacutegina 17
                                3. Paacutegina 18
                                4. Paacutegina 19
                                5. Paacutegina 20
                                6. Paacutegina 21
                                7. Paacutegina 22
                                8. Paacutegina 23
                                9. Paacutegina 24
                                10. Paacutegina 25
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Page 38: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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qualquer coisa com aquela ordem de grandeza a menos que consideremos um sistema em que a maior parte da massa do aacutetomo esteja concentrada num nuacutecleo diminuto Foi entatildeo que tive a ideacuteia de um aacutetomo com um centro pequeno maciccedilo dotado de uma cargardquo

Esta observaccedilatildeo tambeacutem natildeo podia ser racionalizada pelo modelo de Thomson que previa uma distribuiccedilatildeo uniforme de cargas e massa e portanto natildeo pode explicar o movimento retroacutegrado de deslocamento de algumas partiacuteculas alfa que incidiram sobre a folha de ouro Para explicar essas observaccedilotildees e caacutelculos delas derivados Rutherford foi obrigado a postular um novo modelo de aacutetomo o aacutetomo nuclear apresentando em sua famosa publicaccedilatildeo de 1911 [Rutherford E (1911)

ldquoThe Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atomrdquo

Philosophical Magazine Series 6 21 669ndash688]

Neste modelo

1 O aacutetomo eacute constituiacutedo por um nuacutecleo pequeno que engloba praticamente toda a massa do aacutetomo Caacutelculos feitos indicaram que o nuacutecleo do aacutetomo de ouro suposto esfeacuterico tem um raio da ordem de 10-13 cm comparado com o raio do proacuteprio aacutetomo da ordem de 10-8 cm O aacutetomo tem a maior parte do espaccedilo entre o nuacutecleo e o seu limite externo vazio o que explica porque a maior parte das partiacuteculas alfa incidentes sobre a lacircmina de ouro passam atraveacutes dela sem desvios

2 Algumas poucas partiacuteculas alfa por puro acaso e estatisticamente em menor nuacutemero devido agraves pequenas dimensotildees do nuacutecleo ao atravessar a lacircmina passam perto do nuacute-cleo do aacutetomo de ouro e satildeo ligeiramente desviados Uma vez que as partiacuteculas alfa satildeo cargas carregadas positivamente eacute loacutegico prever que o nuacutecleo massivo deve ser dotado de carga positiva repelindo as partiacuteculas alfa de mesma carga

3 Em um evento bastante raro algumas partiacuteculas alfa se aproximam frontalmente do nuacutecleo pequeno As partiacuteculas alfa viajando a cerca de 10 da velocidade da luz con-seguem chegar proacuteximo do nuacutecleo dotado de carga positiva A forccedila de repulsatildeo surgida eacute tatildeo grande que a partiacutecula alfa eacute defletida de volta que dependendo das condiccedilotildees de aproximaccedilatildeo pode envolver desvios de 90ordm ou maiores

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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                                                                      3. Botatildeo 4
Page 39: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Rutherford foi agraciado com o Precircmio Nobel de Quiacutemica em 1908 por ldquosuas investiga-ccedilotildees sobre a desintegraccedilatildeo dos elementos e a quiacutemica de substacircncias radioativasrdquo antecedendo seu trabalho mais conhecido sobre o modelo atocircmico nuclear

Embora bem sucedido em explicar os dados de espalhamento de partiacuteculas alfa o Modelo Nuclear de Rutherford ainda natildeo conseguia explicar a estabilidade de um sistema deste tipo uma vez que se sabe que partiacuteculas de cargas opostas se atraem o que levaria inevitavelmente ao colapso do aacutetomo Para explicar a estabilidade do aacutetomo divisiacutevel foi necessaacuterio extrapolar os limites dos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica tatildeo bem sucedida na explicaccedilatildeo de movimentos de planetas trajetoacuterias de projeacuteteis o eletromagnetismo e os princiacutepios da Termodinacircmica en-volvendo uma ruptura de seus paradigmas e a adoccedilatildeo dos princiacutepios da Fiacutesica Quacircntica uma revoluccedilatildeo cientiacutefica

Reformulaccedilatildeo do conceito de periodicidade

Com base no Modelo Nuclear de Rutherford o fiacutesico holandecircs Antonius Van den Broek (1870 ndash 1926) propocircs em 1911 que os elementos da Tabela Perioacutedica seriam mais adequadamente orga-nizados em funccedilatildeo de suas cargas nucleares positivas ao inveacutes de suas massas atocircmicas

Em 1913 desenvolvendo a ideacuteia de Van Den Broek o fiacutesico inglecircs Henry Gwyn-Jeffer-ies Moseley (1887 ndash 1915 Figura 38) realizou estudos que levaram agrave substituiccedilatildeo da massa atocircmica pelo nuacutemero das cargas positivas presentes nos nuacutecleos atocircmicos denominado nuacuteme-ro atocircmico como fator de periodicidade das propriedades dos ele

Figura 38 - Henry Gwyn-Jefferies Moseley (1887 ndash 1915)

Seus trabalhos envolveram medidas das frequumlecircncias das emissotildees de raios-X produzidos

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por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

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  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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                  1. Botatildeo 11
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Page 40: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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ficha sumaacuterio bibliografia

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tema4

por diversos elementos As emissotildees de raios-X foram obtidas atraveacutes de ampolas de raios-X com diferentes anticaacutetodos e dispersados para anaacutelise por interaccedilatildeo com cristais Quando as frequumlecircncias correspondentes emitidas por diferentes elementos foram representadas em funccedilatildeo de suas massas atocircmicas e dos nuacutemeros de cargas positivas dos nuacutecleos ( os nuacutemeros atocircmi-cos dos elementos) Moseley mostrou que o ajuste era perfeito quando era usado o nuacutemero atocircmico Ele propocircs entatildeo a adoccedilatildeo do nuacutemero atocircmico como fator de periodicidade na Ta-bela Periodica proposta por Mendeleev Com a mudanccedila do conceito de periodicidade as in-adequaccedilotildees existentes na tabela de Mendeleev foram resolvidas Como exemplo pode-se citar a inversatildeo das posiccedilotildees entre Te e I proposta por Mendeleev em funccedilatildeo das semelhanccedilas com as propriedades dos grupos de elementos a que pertencem ao contraacuterio do previsto pela ordem de suas massas atocircmicas Hoje se sabe que a inversatildeo existente na Tabela de Mendeleev se deve agrave existecircncia de isoacutetopos nuacutecleos de um mesmo elemento com diferentes massas atocircmicas devido aos diferentes nuacutemeros de necircutrons presentes em seus nuacutecleos A Tabela Perioacutedica tal como conhecemos hoje estaacute baseada no criteacuterio de periodicidade proposto por Moseley

Quase certamente Moseley seria indicado para receber o Precircmio Nobel por este trabalho mas infelizmente contrariando os conselhos de todos os seus companheiros alistou-se como voluntaacuterio no Exeacutercito Britacircnico e morreu em combate em 1915 durante a Primeira Guerra Mundial na Batalha de Gallipoli Turquia

Glossaacuterio

- Bobina de induccedilatildeo um tipo de transformador eleacutetrico utilizado para produzir pulsos de alta voltagem e corrente baixa a partir de uma fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e elevada corrente Envolve duas bobinas isoladas entre si a primaacuteria contendo um nuacutemero baixo de espiras de fio grosso de cobre e uma bobina secundaacuteria contendo um nuacutemero el-evado de espiras de fio fino A bobina primaacuteria eacute ligada agrave fonte de corrente contiacutenua de baixa voltagem e alta corrente que induz uma corrente de elevada voltagem e baixa corrente na bobina secundaacuteria Para produzir as mudanccedilas de fluxo na corrente de baixa voltagem circu-lando na bobina primaacuteria necessaacuterias para induzir corrente na bobina secundaacuteria a circulaccedilatildeo da corrente na bobina primaacuteria eacute interrompida repetidamente atraveacutes de um contato eleacutetrico mecacircnico oscilante denominado interruptor Circuito semelhante eacute ateacute hoje utilizado nos sistemas de igniccedilatildeo de motores de combustatildeo interna dotado de velas de igniccedilatildeo

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
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Page 41: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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- Fiacutesica Claacutessica Ramo da Fiacutesica dominante ateacute o final do seacuteculo XIX baseada nas leis de Newton nos Princiacutepio da Termodinacircmica e nas Leis do Eletromagnetismo Na Fiacutesica Claacutessica a energia eacute contiacutenua e o tempo e espaccedilo satildeo absolutos e por ela sempre eacute possiacutevel determinar simultaneamente e com precisatildeo a posiccedilatildeo e a velocidade de um corpo desde que sejam conhecidas sua posiccedilatildeo inicial e a lei que rege seu movimento Aplicada ao mundo mac-roscoacutepico descreve com sucesso a queda de um corpo a trajetoacuteria de um projeacutetil o movimento dos planetas e todos os fenocircmenos nele observados No entanto ao ser aplicada ao mundo submicroscoacutepico como por exemplo para descrever as interaccedilotildees das partiacuteculas elementares no aacutetomo de hidrogecircnio falha completamente Por esta razatildeo para a descriccedilatildeo de sistemas submicroscoacutepicos a partir do seacuteculo XIX e iniacutecio do seacuteculo XX foi substituiacuteda pela Fiacutesica Quacircntica

- Fiacutesica Quacircntica Ramo da Fiacutesica desenvolvido a partir do final do seacuteculo XIX para expli-car fenocircmenos impossiacuteveis de o serem pelos princiacutepios da Fiacutesica Claacutessica envolvendo princi-palmente as interaccedilotildees entre radiaccedilatildeo e mateacuteria Dentre estes fenocircmenos estatildeo principalmente a radiaccedilatildeo de corpo negro espectros de raias dos elementos e efeito fotoeleacutetrico Na Fiacutesica Quacircntica a energia pode ser descontiacutenua emitida ou absorvida em muacuteltiplos inteiros de ldquopa-cotes fundamentais de energiardquo o quanta Aleacutem disto a posiccedilatildeo x e a velocidade v de um corpo natildeo podem ser determinadas simultaneamente com precisatildeo estando sujeitas ao Princiacutepio da Incerteza de Heisenberg Segundo este princiacutepio as incertezas envolvidas na determinaccedilatildeo da posiccedilatildeo do corpo ∆x e na sua velocidade ∆v estatildeo interligadas pela relaccedilatildeo ∆x m ∆v ge h 2π onde m eacute a massa do corpo e h eacute a constante de Planck com valor 6602 10-34 Js As-sim se a posiccedilatildeo do corpo eacute determinada com precisatildeo grande (∆x rarr 0) a incerteza sobre a velocidade cresce e nada pode ser dito sobre seu valor numa determinaccedilatildeo Por esta razatildeo um sistema submicroscoacutepico eacute expresso em termos da probabilidade de encontraacute-lo num determi-nado estado ao longo de um nuacutemero grande de medidas

- Paradigma No significado atribuiacutedo pelo filoacutesofo da ciecircncia Thomas Kuhn ldquoum paradig-ma eacute aquilo que os membros de uma comunidade partilham e inversamente uma comunidade cientiacutefica consiste em indiviacuteduos que partilham um paradigmardquo Considerando ldquoalguns exem-plos aceitos na praacutetica cientiacutefica real mdash exemplos que incluem ao mesmo tempo lei teoria aplicaccedilatildeo e instrumentaccedilatildeo mdash proporcionam modelos dos quais surgem as tradiccedilotildees coeren-tes e especiacuteficas da pesquisa cientiacuteficardquo Esses modelos satildeo os paradigmas p ex a astronomia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
                    1. Paacutegina 3 Off
                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
                        2. Paacutegina 5
                        3. Paacutegina 6
                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
                        6. Paacutegina 9
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Page 42: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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copernicana a mecacircnica de Galileu a mecacircnica quacircntica etc Quando os paradigmas aceitos sobre um determinado assunto numa eacutepoca precisam ser substituiacutedos por outros segundo Kuhn ocorrem as revoluccedilotildees cientiacuteficas Como exemplo de revoluccedilatildeo cientiacutefica pode-se citar a substituiccedilatildeo da Fiacutesica Claacutessica pela Fiacutesica Quacircntica para a descriccedilatildeo da radiaccedilatildeo de corpo negro dos espectros de raia dos elementos e do efeito fotoeleacutetrico

Referecircncias Consultadas

bull ALFONSO-GOLDFARB A M Da Alquimia agrave Quiacutemica um estudo sobre a passagem do pensamento maacutegico-vitalista ao mecanicismo Satildeo Paulo Landy Editora 2001

bull CHASSOT A I A ciecircncia atraveacutes dos tempos 2 ed Satildeo Paulo Editora Moderna 2004 (Coleccedilatildeo polecircmica)

bull FARIAS R F de A grande obra um romance da histoacuteria da quiacutemica Satildeo Paulo SP EI ndash Ediccedilotildees Inteligentes 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica 2 ed Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica II Campinas SP Editora Aacuteto-mo 2005

bull FARIAS R F de Para gostar de ler a histoacuteria da quiacutemica III Campinas SP Editora Aacutetomo 2005

bull PARTINGTON J R A Short History of Chemistry 3 ed Nova Iorque Dover 1989

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 1 Das origens agrave Greacutecia

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volume 2 Oriente Roma e Idade Meacutedia

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
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Page 43: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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isciplina 02TEMAS

bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica de Yedda Botelho Salles Rio de Janeiro Jorge Zahar Ed 2001 Volume 3 Da Renascenccedila agrave revoluccedilatildeo cientiacutefica

bull RONAN C A Histoacuteria ilustrada da ciecircncia da Universidade de Cambridge Traduccedilatildeo de Jorge Eneacuteas Fortes revisatildeo teacutecnica Marcelo Gleiser Rio de Janeiro Jorge Zahar 2001 Volu-me 4 A ciecircncia nos seacuteculos XIX e XX

bull STRATHERN P O sonho de Mendeleiev a verdadeira histoacuteria da quiacutemica Traduccedilatildeo Maria Luiza X de A Borges Rio de Janeiro Jorge Zahar 2002

bull VANIN J A Alquimistas e quiacutemicos o passado o presente e o futuro Satildeo Paulo Edito-ra Moderna 1994 (Coleccedilatildeo polecircmica)

Sitios (sites) interessantes sobre os temas envolvidos no texto

siacutetios em portuguecircs

httpefisicaifuspbrmodernaconducao-gas

Sitio do Instituto de Fiacutesica da USP contendo livro eletrocircnico com conteuacutedos de vaacuterias aacutereas da Fiacutesica

siacutetios em inglecircs

httpwwwchemteaminfoChemTeamIndexhtml

httpweblemoyneedu~giuntapapershtml

(Dois siacutetios com Trabalhos claacutessicos selecionados traduzidos para o inglecircs)

httpwwwcrtsitecom

(sitio sobre tubos de raios catoacutedicos)

httpwww-outreachphycamacukcamphy

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bibliografiaficha sumaacuterio bibliografia

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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
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Sitio da Universidade de Cambridge com museu contendo tubo de raios catoacutedicos uti-lizado por Thomson na descoberta dos eleacutetrons e simulaccedilotildees interessantes sobre Fiacutesica

httpnobelprizeorgnobel_prizesphysicslaureates

(endereccedilo da Fundaccedilatildeo Nobel onde eacute possiacutevel buscar dados biograacuteficos de todos os laurea-dos em Fiacutesica)

httpnobelprizeorgnobel_prizeschemistrylaureates

( idem em Quiacutemica)

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
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Autoria

Luiz Antonio Andrade de Oliveira

Camila Silveira da Silva

Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira

Ficha da Disciplina

Visatildeo Macrosocoacutepica da Mateacuteria Aspectos Gerais sobre a

Histoacuteria da Quiacutemica Moderna

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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
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Resumo

Na segunda disciplina deste moacutedulo abordou-se o desenvolvimento da Quiacutemica como ciecircncia moderna indo da eacutepoca que se seguiu agrave Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford Durante este periacuteodo de aproximadamente 150 anos o conhecimento quiacutemico sofreu grande evoluccedilatildeo em vaacuterias de suas aacutereas sendo impossiacutevel acompanhar o desenvolvim-ento histoacuterico de cada uma delas numa disciplina de curta duraccedilatildeo A opccedilatildeo foi pela aborda-gem dos conceitos fundamentais em Quiacutemica tais como modelo atocircmico escalas de massas atocircmicas distinccedilatildeo entre elemento e moleacutecula periodicidade de propriedades quiacutemicas e fiacutesi-cas e Tabela Perioacutedica No caminho escolhido foram abordados os toacutepicos essenciais para este desenvolvimento tais como leis ponderais o modelo atocircmico indivisiacutevel de Dalton a escala de massas atocircmicas relativas as propriedades perioacutedicas evidecircncias da divisibilidade da mateacute-ria radioatividade e modelo atocircmico nuclear A ecircnfase da abordagem natildeo foi apenas o acom-panhamento da cronologia histoacuterica do desenvolvimento da Quiacutemica mas principalmente o acompanhamento da evoluccedilatildeo do pensamento quiacutemico com os erros e acertos envolvidos em cada modelo e teoria propostos colocados dentro da realidade do pensamento dominante e do

desenvolvimento teacutecnico de cada eacutepoca

Palavras-chave

leis ponderais modelos atocircmicos massas atocircmicas Tabela Perioacutedica partiacuteculas elementa-res radioatividade

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
                1. Paacutegina 3 Off
                  1. Botatildeo 11
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                      1. Botatildeo 62
                        1. Paacutegina 4 Off
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                        4. Paacutegina 7
                        5. Paacutegina 8
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Page 47: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Apresentaccedilatildeo

Comentaacuterios sobre a disciplina

No caminho percorrido entre os trabalhos pioneiros de Lavoisier ateacute o modelo de aacutetomo nuclear de Rutherford podemos distinguir duas etapas distintas A primeira etapa envolveu principalmente dados estequiomeacutetricos sobre reaccedilotildees quiacutemicas as leis ponderais que levaram ao modelo de aacutetomo indivisiacutevel de Dalton Com base neste modelo foi possiacutevel estabelecer uma escala de massas atocircmicas relativas e atraveacutes da relaccedilatildeo entre esta escala de massas atocircmicas e propriedades fiacutesicas e quiacutemicas dos elementos chegar ao que Roald Hoffman (Premio Nobel de Quiacutemica em 1981) denominou de ldquomaior instrumento da Quiacutemicardquo a Tabela Perioacutedica

Na segunda etapa envolvendo o caminho entre o aacutetomo indivisiacutevel de Dalton e o Modelo de Aacutetomo Nuclear de Rutherford passamos pelos estudos de descargas em gases envolvendo trabalhos de muitos cientistas incluindo quiacutemicos e fiacutesicos Como se pode verificar por ser um assunto na fronteira da Fiacutesica e da Quiacutemica a contribuiccedilatildeo da Fiacutesica nesta etapa foi muito grande Como decorrecircncia destes estudos o modelo do aacutetomo indivisiacutevel foi substituiacutedo pelo do aacutetomo divisiacutevel formado por partiacuteculas elementares negativas e positivas o eleacutetron e o proacute-ton respectivamente A maior parte destas descobertas resulta de experimentos de descarga eleacutetrica em gases envolvendo os tubos de Crookes e suas modificaccedilotildees Paralelamente foram descobertos os raios-X e a radioatividade natural sendo a radioatividade natural oriunda de transmutaccedilotildees nucleares o velho sonho dos alquimistas Aleacutem de fornecer dados para o conhe-cimento sobre o nuacutecleo atocircmico a radioatividade forneceu condiccedilotildees para o estudo do aacutetomo culminando com a proposiccedilatildeo do modelo nuclear de Rutherford para o aacutetomo No modelo de Rutherford o aacutetomo apresenta um nuacutecleo massivo e pequeno formado por cargas positi-vas os proacutetons cujo nuacutemero caracteriza o elemento e os eleacutetrons se movimentando agrave uma grande distacircncia do nuacutecleo Embora o aacutetomo nuclear de Rutherford seja capaz de fornecer um modelo razoaacutevel para o aacutetomo uma questatildeo fundamental ainda resta para ser respondida Como explicar a estabilidade de um sistema composto por duas partiacuteculas de cargas opostas cuja tendecircncia espontacircnea eacute se atraiacuterem e se aniquilarem Esta resposta soacute pode ser razoavel-mente fornecida pela Modelo Quacircntico do Aacutetomo uma etapa posterior do desenvolvimento do modelo atocircmico

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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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Introduccedilatildeo

A partir da segunda metade do seacuteculo XVIII com a adoccedilatildeo progressiva e irreversiacutevel dos preceitos do meacutetodo cientiacutefico no estudo dos fenocircmenos naturais no qual a proposiccedilatildeo e aceitaccedilatildeo de hipoacuteteses teorias e modelos sobre as causas e explicaccedilatildeo desses fenocircmenos estatildeo atreladas agrave possibilidade de sua verificaccedilatildeo experimental a Quiacutemica passou a ter um desen-volvimento raacutepido e intenso Para este desenvolvimento foram importantes os trabalhos de Lavoisier sobre a combustatildeo que levaram agrave primeira lei ponderal a Lei da Conservaccedilatildeo da Massa em uma reaccedilatildeo quiacutemica Os procedimentos experimentais utilizados nesses trabalhos por Lavoisier com o uso intensivo da balanccedila analiacutetica e o rigoroso controle das condiccedilotildees experimentais praticamente estabeleceram os fundamentos da anaacutelise quiacutemica quantitativa que possibilitaram a determinaccedilatildeo das massas de reagentes e produtos envolvidos numa reaccedilatildeo quiacutemica a estequiometria quiacutemica

Acompanhar o desenvolvimento histoacuterico da Quiacutemica como ciecircncia moderna a partir deste ponto eacute uma tarefa aacuterdua e impossiacutevel de ser feita em uma disciplina curta Desse modo torna-se necessaacuterio fazer um recorte da histoacuteria de seu desenvolvimento tendo em mente que qual-quer recorte que for feito seraacute arbitraacuterio representando uma opccedilatildeo pessoal do autor Na escolha feita na abordagem que se segue natildeo estaacute envolvido nenhum juiacutezo de valor sobre a importacircncia relativa de cada uma das aacutereas da Quiacutemica Por seus papeacuteis centrais no estabelecimento dos alicerces de todo o conhecimento quiacutemico moderno escolheu-se abordar inicialmente dois toacutepicos i) o desenvolvimento do conceito de periodicidade das propriedades dos elementos quiacutemicos culminando na Tabela Perioacutedica proposta por Mendeleev e ii) o desenvolvimento do modelo atocircmico envolvendo o nuacutecleo atocircmico e os eleacutetrons

Eacute interessante notar nesse desenvolvimento que embora guiados pelos preceitos do meacutetodo cientiacutefico as hipoacuteteses teorias e modelos propostos pelos cientistas para explicar os fenocircme-nos naturais observados muitos erros foram cometidos e corrigidos no caminho Esses erros e acertos mostram que a ciecircncia eacute dinacircmica natildeo sendo um corpo estaacutetico de verdades sobre um assunto mas que reflete o que se sabe sobre o assunto numa determinada eacutepoca Agrave medida que novos dados surgem as teorias e modelos tecircm que ser modificados corrigidos e mesmo substituiacutedos por teorias e modelos mais completos que incorporem os novos conhecimentos

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
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Page 49: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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Aleacutem disto o acompanhamento do desenvolvimento de uma ciecircncia nos mostra que ela natildeo eacute um conjunto imparcial de conhecimentos Sendo feita por seres humanos os cientistas tanto a Quiacutemica como todas as ciecircncias reflete em seu desenvolvimento a influecircncia das virtudes e limitaccedilotildees tiacutepicas do ser humano Satildeo vaacuterios os episoacutedios no desenvolvimento da Quiacutemica em que uma ideacuteia correta teve sua aceitaccedilatildeo pela comunidade cientiacutefica prejudicada devido agrave influecircncia de um pensamento dominante haacute longo tempo ou associado ao nome de um cien-tista influente da eacutepoca

Neste caminho os trabalhos de muitos cientistas estatildeo envolvidos tanto da aacuterea da Quiacutemica como de outras aacutereas da ciecircncia e em especial da Fiacutesica Isto obriga a uma seleccedilatildeo dos cientistas associados a contribuiccedilotildees importantes para o desenvolvimento da Quiacutemica nos toacutepicos escol-hidos sem esquecer que estas contribuiccedilotildees resultaram dos trabalhos de muitos pesquisadores muitos deles anocircnimos ou pouco lembrados O enfoque desse aspecto do trabalho cientiacutefico eacute importante para desmistificar a imagem do gecircnio solitaacuterio que cria uma teoria revolucionaacuteria sozinho como resultado de um momento de inspiraccedilatildeo Sempre que permitido pelo espaccedilo trabalhos precursores de modelos que mudaram o conhecimento cientiacutefico da eacutepoca foram incluiacutedos no texto que se segue

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edefor bull Moacutedulo I bull D

isciplina 02TEMAS

Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

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ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
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Page 50: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

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UnespR

edefor bull Moacutedulo I bull D

isciplina 02TEMAS

Ficha da disciplinaficha sumaacuterio bibliografia

1

2

3

4

ESTRUTURA DA DISCIPLINA

Semana 1

Semana 2Tema 1 ndash O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton o aacutetomo indivisiacutevel

Semana 3 Tema 2 ndash A mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel

Semana 4 Tema 3 ndash A descoberta da radioatividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos

Semana 5 Tema 4 ndash A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel o Modelo Nuclear de Rutherford

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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Page 51: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

UNESP ndash Universidade Estadual PaulistaProacute-Reitoria de Poacutes-GraduaccedilatildeoRua Quirino de Andrade 215CEP 01049-010 ndash Satildeo Paulo ndash SPTel (11) 5627-0561wwwunespbr

Governo do Estado de Satildeo Paulo Secretaria de Estado da EducaccedilatildeoCoordenadoria de Estudos e Normas PedagoacutegicasGabinete da CoordenadoraPraccedila da Repuacuteblica 53CEP 01045-903 ndash Centro ndash Satildeo Paulo ndash SP

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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Page 52: Cursos de Especialização para o quadro do Magistério da ... · para formar compostos. Ao formarem um composto, os átomos se combinam manten- ... era necessária porque naquela

Proacute-Reitora de Poacutes-graduaccedilatildeoMarilza Vieira Cunha Rudge

Equipe CoordenadoraElisa Tomoe Moriya Schluumlnzen

Coordenadora Pedagoacutegica

Ana Maria Martins da Costa SantosClaacuteudio Joseacute de Franccedila e Silva

Rogeacuterio Luiz Buccelli

Coordenadores dos CursosArte Rejane Galvatildeo Coutinho (IAUnesp)

Filosofia Luacutecio Lourenccedilo Prado (FFCMariacutelia)Geografia Raul Borges Guimaratildees (FCTPresidente Prudente)

Antocircnio Cezar Leal (FCTPresidente Prudente) - sub-coordenador Inglecircs Mariangela Braga Norte (FFCMariacutelia)

Quiacutemica Olga Maria Mascarenhas de Faria Oliveira (IQ Araraquara)

Equipe Teacutecnica - Sistema de Controle AcadecircmicoAri Araldo Xavier de Camargo

Valentim Aparecido ParisRosemar Rosa de Carvalho Brena

SecretariaAdministraccedilatildeoMaacutercio Antocircnio Teixeira de Carvalho

NEaD ndash Nuacutecleo de Educaccedilatildeo a Distacircncia(equipe Redefor)

Klaus Schluumlnzen Junior Coordenador Geral

Tecnologia e InfraestruturaPierre Archag Iskenderian

Coordenador de Grupo

Andreacute Luiacutes Rodrigues FerreiraGuilherme de Andrade Lemeszenski

Marcos Roberto GreinerPedro Caacutessio Bissetti

Rodolfo Mac Kay Martinez Parente

Produccedilatildeo veiculaccedilatildeo e Gestatildeo de materialElisandra Andreacute Maranhe

Joatildeo Castro Barbosa de SouzaLia Tiemi Hiratomi

Liliam Lungarezi de OliveiraMarcos Leonel de Souza

Pamela GouveiaRafael Canoletti

Valter Rodrigues da Silva

  • Marcador 1
  • 1 O caminho para o Modelo Atocircmico de Dalton ndash o aacutetomo indivisiacutevel
    • 11 ndash O caminho para a tabela perioacutedica de Mendeleev
      • 2 A Mudanccedila do Modelo Atocircmico Indivisiacutevel para o de Aacutetomo Divisiacutevel
        • 21 - Desenvolvimento de teacutecnicas envolvidas nos estudos de descargas eleacutetricas em gases a baixas pressotildees
        • 22 - A determinaccedilatildeo da carga e massa das partiacuteculas subatocircmicas ateacute entatildeo conhecidas
          • 3 A descoberta da radiotividade e sua influecircncia sobre o desenvolvimento dos modelos atocircmicos
          • 4 A evoluccedilatildeo do modelo do aacutetomo divisiacutevel - O Modelo Nuclear de Rutherford
          • Glossaacuterio
          • Referecircncias Consultadas
          • Ficha da Disciplina
              1. Botatildeo 2
              2. Botatildeo 3
              3. Botatildeo 10
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                                                            3. Paacutegina 43
                                                            4. Paacutegina 44
                                                              1. Botatildeo 52
                                                                1. Paacutegina 45 Off
                                                                2. Paacutegina 46
                                                                3. Paacutegina 47
                                                                4. Paacutegina 48
                                                                5. Paacutegina 49
                                                                6. Paacutegina 50
                                                                  1. Botatildeo 53
                                                                    1. Paacutegina 45 Off
                                                                    2. Paacutegina 46
                                                                    3. Paacutegina 47
                                                                    4. Paacutegina 48
                                                                    5. Paacutegina 49
                                                                    6. Paacutegina 50
                                                                      1. Botatildeo 7
                                                                      2. Botatildeo 8
                                                                      3. Botatildeo 4