Então um átomo é feito de um núcleo, feito de prótons e nêutrons, e um monte de elétrons a sua volta que ficam em órbitas estáveis e bla-bla-bla. Tá bom, essa ladainha sempre aparece nas primeiras aulas de química do colégio pra gente engolir. Mas o que tudo isso significa? Hoje vou falar sobre as órbitas dos elétrons e o que isso tem a ver com a mecânica quântica e deixar o núcleo para outro dia.
Para entender como é a estrutura do átomo vamos utilizar o método mais celebrado da física. Tacar alguma coisa nele e ver o que acontece. Pode parecer pouco sofisticado mas é assim que nos acostumamos a entender as coisas. Quer saber sobre um determinado objeto (um átomo, partícula, qualquer coisa mesmo)? Pega alguma coisa que você entende bem e joga nele. É essa a idéia por trás de um acelerador de partículas. Você colide coisas que você conhece e do que sobrar você tenta reconstruir o que aconteceu na hora da colisão.
Para o átomo em particular eu vou usar a única coisa bem entendida no século XIX, a luz. Se você pegar um feixe de luz branca e passar por um prisma verá o feixe se decompondo em inúmeras cores diferentes, como na capa de um certo álbum de rock. Cada cor de luz corresponde uma energia diferente, em particular quanto mais vermelha a luz menor sua energia e quanto mais azul maior a energia. Em especial isso significa que infravermelho é a luz com menos energia que a vermelha e correspondentemente para o ultravioleta.
Ok, vamos aos átomos então. Como eu não sou muito esperto vou usar o átomo mais simples, o de Hidrogênio que tem apenas um elétron. Normalmente você encontra ele na natureza na forma de molécula, formada de dois átomos. Pra corrigir isso vamos colocar o gás hidrogênio em um recipiente e esquentar até romper as ligações químicas e ficar com um monte de átomos. Agora pegamos o nosso recipiente, jogamos luz branca nele, e vemos a luz que sai. Curiosamente na luz que sai do recipiente estão faltando algumas cores, isto é algumas energias.
Sabemos que o núcleo é muito mais pesado que os elétrons e é mais difícil que eles adquiram energia considerável, então para testar que são os elétrons os responsáveis pelas cores faltantes fazemos o seguinte. Vamos aumentar a temperatura do recipiente e ver o que acontece. Nesse caso, sem nenhuma luz incidente o observado é que os átomos de hidrogênio emitem luz exatamente nas energias que estavam faltando antes.
O que está acontecendo? Bom, os elétrons que são negativamente carregados orbitam o núcleo carregado positivamente por causa da atração elétrica, da mesma forma que os planetas orbitam o Sol. A princípio os elétrons podem ter qualquer órbita, a única diferença é que quanto mais perto do núcleo menos energia eles tem porque a atração é mais forte. Quando a luz incide nos elétrons ele absorve a energia e se distancia do núcleo. Se todas as órbitas fossem possíveis os elétrons deveriam absorver todas as diferentes cores e atenuar a luz como um todo. Mas só vemos algumas cores sumirem do espectro o que significa que apenas algumas energias são absorvidas. Então só devem existir algumas órbitas possíveis e as cores faltantes são as que correspondem a diferença de energia entre as órbitas que o elétron pode ocupar.
É assim então que sabemos que os elétrons ocupam apenas algumas órbitas específicas dos átomos. Essas órbitas não tem nenhum motivo do ponto de vista clássico, isto é, até o começo do século XX ninguém sabia dizer porque outras órbitas não existiam. A mecânica quântica é a teoria que surgiu no começo do século passado oferecendo uma explicação para essa discrepância. Em geral ela afirma que sempre que existir uma força de atração forte o suficiente para limitar a posição de um objeto esse só poderá assumir um número discreto de energias distintas, o que em particular acontece no caso do átomo, a força elétrica força o elétron a ficar localizado em uma órbita e a mecânica quântica diz que apenas algumas energias são possíveis.
E os outros átomos? Cada átomo diferente tem uma estrutura distinta e assim vai absorver/emitir apenas algumas cores, sendo que o espectro de cores varia conforme o elemento. Conhecendo o espectro de todos os elementos podemos fazer o caminho reverso. Por exemplo, mire um telescópio na direção de uma estrela e observe todas as cores diferentes emitidas por ela. Comparando com os espectros conhecidos podemos determinar quais elementos estão presentes na estrela e a diferença de intensidade em cada cor dá a proporção desses elementos. Desse modo podemos saber do que a estrela é feita mesmo a milhões de anos-luz de distância.
Publicado por Cesar Uliana
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