Modelo atômico atual: características, postulados e cientistas influentes - Ciência - 2023

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o modelo atômico atual é aquele que se baseia na mecânica quântica, em particular na equação de Schrödinger, no princípio de exclusão de Pauli e uma propriedade do elétron chamada girar ou girar.

É o modelo mais amplamente aceito e utilizado no estudo da estrutura de átomos, moléculas e reatividade química de elementos, devido à precisão de suas previsões e sua relativa simplicidade.

Este modelo é a evolução de vários modelos atômicos anteriores, como o modelo de Rutherford e o modelo de Bohr - Sommerfeld, considerados modelos clássicos ou semiclássicos.

Atualmente existem modelos teoricamente mais completos do que o modelo da mecânica quântica de Schrödinger, como o modelo de Dirac-Jordan, que incorpora a relatividade especial e é baseado na equação de onda de Dirac. Nessa equação, o spin, propriedade dos elétrons mencionada no início, aparece naturalmente.

Existem também modelos baseados na teoria quântica de campos, aplicados na física de altas energias. Esses modelos são excelentes para prever a criação e aniquilação de partículas fundamentais, objetivo desta área da física.

Vale ressaltar que as teorias mais sofisticadas convergem para os mesmos resultados da equação de Schrödinger, principalmente para átomos leves.

Características do modelo atômico atual

Na visão atual do átomo, baseada na mecânica quântica não relativística, o conceito de órbitas eletrônicas no estilo dos sistemas planetários não se encaixa.

No entanto, a imagem mais difundida do átomo ainda é a de um núcleo central positivo e alguns pontos de carga elétrica negativa (elétrons), girando em órbitas perfeitamente definidas em torno do núcleo central. Mas, apesar de suas raízes, não corresponde mais ao modelo atômico atual.

A Figura 2 mostra a imagem antiga e a imagem atual de um átomo de hélio em seu estado de energia mais baixo (nível n = 1 e l = 0).

A imagem clássica é útil para ver que o núcleo contém dois prótons e dois nêutrons. Garantindo a neutralidade do átomo, existem dois elétrons ocupando o mesmo nível de energia.

O resto é uma imagem distante da realidade, pois a escala do núcleo nem corresponde à do átomo: o núcleo tem 1/100000 vezes o tamanho do átomo, mas é aí que se concentra a massa atômica.

Onda - dualidade de partículas

A mecânica clássica estabelece que cada partícula material tem uma onda associada, chamadafunção de onda. Este é o famoso dualidade onda-partícula por Louis De Broglie.

No modelo atômico atual, o comportamento do elétron na escala dos átomos é proeminentemente ondulatório, enquanto no nível macroscópico, como os elétrons se movendo nos tubos catódicos de aparelhos de televisão antigos, predomina o comportamento corpuscular.

Por outro lado, com os fótons ocorre o contrário, na maioria dos fenômenos ópticos (no nível macroscópico) eles têm um comportamento fundamentalmente ondulatório. E quando eles interagem com os átomos da matéria, eles têm um comportamento de partícula.

Por causa disso, os elétrons ao redor do núcleo estão espalhados em áreas chamadas orbitais atômicos, cuja forma e extensão dependerão do nível de energia dos elétrons e do momento angular.

Tanto a energia quanto o momento angular do elétron ao redor do núcleo têm certos valores permitidos, portanto, eles são considerados quantificado.

A equação de onda de Schrödinger prevê quais valores de energia e momento angular são permitidos, bem como a função de onda associada a cada nível de energia e momento.

O quadrado matemático da função de onda determina os orbitais, ou seja, as áreas ao redor do núcleo onde os elétrons terão maior probabilidade de se encontrar.

O tamanho do átomo

Para ter uma imagem em escala do modelo atômico atual, vamos imaginar que um átomo tenha um diâmetro semelhante ao de um campo de futebol. O núcleo seria como uma formiga no centro do campo, mas surpreendentemente com 99,9% da massa atômica.

Por outro lado, os elétrons seriam como jogadores fantasmagóricos espalhados pelo campo, com maior probabilidade de serem encontrados no meio-campo.

Existem alguns alinhamentos permitidos ou maneiras de ocupar o campo, dependendo da energia dos jogadores (os elétrons) e da quantidade de "giro" ou giro em torno do centro.

Postulados do modelo atômico atual

1.- O elétron é caracterizado por sua massa m, por seu spin s e porque é a partícula carregando uma carga elementar negativa (-e).

2.- Os elétrons têm comportamento dual, onda-partícula simultaneamente, mas dependendo de sua energia e da escala do fenômeno, um pode ser mais prevalente que o outro.

3.- Os elétrons circundam o núcleo atômico positivo, de forma que garantem a neutralidade elétrica do átomo. Portanto, o número de elétrons é igual ao número de prótons; este é ele número atômico, que fornece as características químicas e físicas de cada elemento.

4.- A interação entre elétrons e núcleo é modelada pelo potencial V (r) Coulomb eletrostático, ao qual o termo energia potencial é incorporado no operador hamiltoniano.

5.- O termo energia cinética no operador hamiltoniano é um operador que se constrói a partir do operador momento linear, sendo o mesmo:

p = - i ħ ∂ / ∂r

Onde ħ é a constante de Planck dividida por 2π.

6.- O operador hamiltoniano H = (p⋅p)/ 2m - e V (r) atua na função de onda eletrônica Ψ (r).

7.- À medida que as soluções estacionárias da função de onda eletrônica são buscadas, a equação de Schrödinger independente do tempo é usada:

H Ψ (r) = E Ψ (r)

Onde E representa a energia total do elétron.

8.- Em átomos com vários elétrons, a interação entre eles não é levada em consideração.

9.- Quando se trata de átomos de muitos elétrons, os orbitais dos elétrons mais externos são modelados pelo potencial do núcleo protegido pelos elétrons mais internos, que é conhecido como potencial de Debye.

10.- A equação (7) tem uma solução para alguns valores discretos de energia, de forma que o famoso planck quanta, aparecem naturalmente a partir das soluções da equação de Schrödinger.

11.- Para cada valor discreto de E existe uma função de onda. Mas algumas soluções são degeneradas, dependendo do valor do momento angular L.

12.- A função de onda é o produto de uma função radial, a função azimutal e a função polar.

13.- Esta função de onda determina as regiões permitidas para o elétron. O quadrado da função de onda é o densidade de probabilidade para encontrar o elétron em uma determinada posição, visto do centro do núcleo atômico.

14.- O spin não aparece na equação de Schrödinger, mas é incorporado ao modelo atômico através do princípio de Pauli:

O elétron é um férmion com dois estados de spin possíveis + ½ e -½.

Assim, o mesmo estado caracterizado pelos números quânticos n, l, m da equação de Schrödinger, pode ser ocupado por no máximo 2 elétrons com spins opostos. Desta forma, o spin se torna o quarto número quântico.

Cientistas influentes no modelo atômico atual

Parece incrível, mas a maioria dos físicos que contribuíram para o modelo atômico atual aparecem na mesma foto. Eles se conheceram nas famosas conferências patrocinadas por Ernest Solvay, um químico e industrial de origem belga que se tornou famoso no mundo da ciência.

Eles começaram a ser realizados em 1911 e reuniram os maiores cientistas da época, entre eles estavam praticamente todos aqueles que deram sua contribuição para o modelo atômico atual.

A mais famosa dessas conferências foi realizada em Bruxelas em 1927 e esta fotografia histórica foi tirada lá:

Peter Debye
Irving Langmuir
Martin Knudsen
Auguste Piccard
Max planck
William Lawrence Bragg
Emile Henriot
Paul Ehrenfest
Marie Curie
Hendrik Anthony Kramers
Edouard Herzen
Hendrik Antoon Lorentz
Théophile de Donder
Paul Adrien Maurice Dirac
Albert Einstein
Erwin Schrödinger
Arthur Holly Compton
Jules-Émile Verschaffelt
Paul Langevin
Louis-Victor de Broglie
Charles-Eugène Guye
Wolfgang Pauli
Werner Heisenberg
Max nascido
Charles Thomson Rees Wilson
Ralph Howard Fowler
Léon Brillouin
Niels Bohr
Owen Williams Richardson

Artigos de interesse

Modelo atômico de Schrödinger.

Modelo atômico de Broglie.

O modelo atômico de Chadwick.

Modelo atômico de Heisenberg.

Modelo atômico de Perrin.

Modelo atômico de Thomson.

Modelo atômico de Dalton.

Modelo atômico de Dirac Jordan.

Modelo atômico de Demócrito.

Modelo atômico de Leucippus.

Modelo atômico de Bohr.

Referências

Alonso - Finn. Fundamentos quânticos e estatísticos. Addison Wesley.
Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
Eisberg e Resnick. Física quântica. Limusa - Wiley.
Wikipedia. Teoria atômica. Recuperado de: es.wikipedia.com
Zapata F. Modelo de mecânica quântica do átomo. Recuperado de: lifeder.com