Física Mderna, o início e o Átomo de Bohr

Física Moderna

O inicio da Física moderna começou no século XX, pois já no final do século XIX alguns fenômenos (Descobertas) estavam em desacordo com a física daquele momento         (Física Clássica). O grande desenvolvimento experimental nesta fase de desenvolvimento da Física mostrava a necessidade de reformulação e inovação teórica, para que pudesse explicar uma grande variedade de fenômenos que as teorias do momento não conseguiam explicar.

Podemos destacar sete descobertas experimentais que foram, digamos, o estopim que deram o início para a Física moderna com criação de novas teorias. Foram eles:

  1. Raios catódicos de William Crookes (1879) e Eugen Goldstein;
  2. O efeito fotoelétrico, por Heinrich Hertz (1887);
  3. Os Raios-X, por Wilhelm Conrad Roentgen (1895);
  4. Os elétrons J J Thomson (1897);
  5. Radioatividade, por Henri Becquerel (1896) e pelo casal Pierre e Marie Curie (1898);
  6. O efeito Zeeman (1896);
  7. As radiações alfa, beta e gama por Ernest Rutherford e Paul Villard 1897 e 1900 respectivamente.

Para explicar certos fenômenos físicos em desacordo com a física clássica, surgiu a Física moderna cujos pilares seriam: 1) a Teoria quântica de Planck, que introduziu  a descontinuidade da energia, que explicaria, por exemplo, o efeito fotoelétrico e seria a base teórica para estudos de fenômenos Físicos  em escala microscópica  e 2) Com as teorias da relatividade Especial e Geral por Einstein. Com essas duas grandes teorias temos relacionadas a elas duas constantes universais que são a constante de Planck e a velocidade da luz. A teoria quântica descreve o comportamento do mundo atômico, pequena dimensões e a teoria da relatividade para situações em que a velocidade é próxima da luz.

Com tanta teoria surgindo foi criada em 1912 o Instituto Internacional Solvay, para Física e Química, onde os avanços da ciência pudessem ser discutidos entre os cientistas. Uma das mais importantes reuniões foi a 5ª conferencia de 1927, que tratou de elétrons e fóton e foi palco de debate entre Einstein e Bohr.

 Modelos Atômicos

Modelo de Thomson

Já se conhecia a existência de partículas negativas (elétrons) através de estudos da condução de gases dentro de um tubo a baixa pressão, onde estes eram desviados quando submetidos a um campo elétrico. A partir daí como átomo era eletricamente neutro, J J Thomson (1856-1940) propôs um modelo de átomo que explicasse a sua neutralidade. Em 1898 elaborou o primeiro modelo de átomo divisível, que era uma esfera com distribuição contínua de cargas positivas e nela estariam distribuídas as cargas negativas. Este modelo, por exemplo, conseguia explicar a emissão de radiação eletromagnética quando um material em alta temperatura, pois os elétrons passariam a vibrar em torna da posição de equilíbrio e emitiriam radiação de acordo com a teoria do eletromagnetismo clássico.

Modelo de Rutherford

O modelo do átomo de Thompson deixava de explicar, por exemplo, a condutividade elétrica. Ernest Rutherford (1871-1937) já trabalhava com fontes radioativas e conhecia as partículas α e β, já se sabia que a partícula α era o núcleo do átomo de Hélio e que essas partículas que eram emitidos de um elemento radioativo saiam com velocidade de 10% da velocidade da luz. Fez experimentos bombardeando laminas de ouro, cobre e alumínio com uma fonte de emissão de α e verificou que estas partículas eram desviadas e até retrocediam. Rutherford propôs o modelo para a estrutura do átomo em que todas as cargas positivas estariam concentradas no núcleo e em volta deste núcleo giravam os elétrons, cargas negativas, de mesma quantidade do número de prótons para tornar o átomo eletricamente neutro. Este modelo era conhecido como modelo planetário, porém sendo o elétron uma carga negativa irradiaria energia e este cairia no núcleo. Era sabido que esta energia irradiada era dada pela fórmula de Lamor que calculava a energia emitida pela partícula na unidade de tempo (Potência)

Potência irradiada por uma carga em movimento

onde, p(t) é a potencia emitida pela partícula no instante t, q é a sua carga  e a(t) , é o módulo da aceleração instantânea da partícula e C a velocidade da luz.

Modelo Bohr

Já se conhecia a teoria de Planck, a qual afirmava que: Qualquer ente físico com um grau de liberdade cuja “coordenada” é função senoidal do tempo, ou seja, executa oscilações harmônicas simples, pode possuir apenas energias totais que satisfaça a equação E=nhγ, onde n é um inteiro positivo, h=6,63×10-34j.s é constante de Planck e γ é a frequência. A questão do efeito fotoelétrico já tinha sido explicada em 1905 por Einstein, em termos da quantização da energia dada pele equação de Planck   E=hγ .

Para contornar o que a mecânica clássica afirmava com respeito às cargas aceleradas e contornar o modelo proposto por Rutherford, que não sabia explicar a questão de o elétron não colidir com o núcleo, Bohr desenvolveu um modelo para o átomo do hidrogênio em 1913, onde estava de acordo com os dados espectroscópicos do átomo de hidrogênio. Ele propôs o seguinte:

  • Os elétrons nos átomos podiam mover-se em órbitas bem definidas, sem irradiar energia. O que era revolucionário, pois ia de encontro com teoria clássica do eletromagnetismo;
  • Os elétrons só poderiam ser transferidos para outra órbita estável, dando saltos quânticos e cuja energia necessária para que isto acontecesse era dada por: hγ = E1-E2 , onde 1 e 2 são os estados quânticos respectivamente.
  • As órbitas estáveis, ou estadas “estacionárias”, eram determinadas pela seguinte condição quântica: Somente eram permitidas aquelas órbitas para as quais o momento angular, mrv, de um elétron em movimento em órbita circular de raio r, era igual ao múltiplo inteiro, n, de h/2 .
Momento angular

Momento angular

Referências

  • A.G.Parentre , artigo Os 100 anos do átomo de Bohr(2013).
  • Herbert A. Pohl, Introdução à Mecânica Quântica (1971).
  • Robert Eiseberg, Física Quantica ed Campus(1979).
  • A Tripler, Física para cientistas e engenheiros ( LTC, RJ 2001 3ª ed)

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