MODELO ATÔMICO DE THOMSON: CARACTERÍSTICAS, POSTULADOS, PARTÍCULAS SUBATÔMICAS - FISICA - 2025

O modelo atômico de Thomson foi criado pelo célebre físico inglês JJ Thomson, que descobriu o elétron. Por essa descoberta e seu trabalho sobre a condução elétrica em gases, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1906.

A partir de seu trabalho com raios catódicos, ficou claro que o átomo não era uma entidade indivisível, como Dalton havia postulado no modelo anterior, mas continha uma estrutura interna bem definida.

Thomson fez um modelo do átomo com base nos resultados de seus experimentos com raios catódicos. Nele, ele afirmou que o átomo eletricamente neutro era composto de cargas positivas e negativas de igual magnitude.

Como foi chamado o modelo atômico de Thomson e por quê?

De acordo com Thomson, a carga positiva foi distribuída por todo o átomo e as cargas negativas foram embutidas nele como se fossem passas em um pudim. Dessa comparação surgiu o termo "pudim de passas", como o modelo era informalmente conhecido.

Joseph John Thomson

Embora a ideia de Thomson pareça bastante primitiva hoje, na época ela representou uma nova contribuição. Durante a curta vida do modelo (de 1904 a 1910), teve o apoio de muitos cientistas, embora muitos outros o considerassem uma heresia.

Finalmente, em 1910, novas evidências surgiram sobre a estrutura atômica, e o modelo de Thomson rapidamente caiu de lado. Isso aconteceu assim que Rutherford publicou os resultados de seus experimentos de espalhamento, que revelaram a existência do núcleo atômico.

No entanto, o modelo de Thomson foi o primeiro a postular a existência de partículas subatômicas e seus resultados foram fruto de uma experimentação fina e rigorosa. Desta forma, ele estabeleceu o precedente para todas as descobertas que se seguiram.

Características e postulados do modelo Thomson

Thomson chegou a seu modelo atômico com base em várias observações. A primeira era que os raios X recém-descobertos por Roentgen eram capazes de ionizar moléculas de ar. Até então, a única maneira de ionizar era separando quimicamente os íons em solução.

Mas o físico inglês conseguiu ionizar com sucesso até gases monoatômicos, como o hélio, usando raios X. Isso o levou a acreditar que a carga dentro do átomo poderia ser separada e, portanto, não era indivisível. Ele também observou que os raios catódicos eles podem ser desviados por campos elétricos e magnéticos.

JJ Thomson, descobridor do elétron. Fonte: Lifeder.

Então Thomson concebeu um modelo que explicava corretamente o fato de que o átomo é eletricamente neutro e que os raios catódicos são compostos de partículas carregadas negativamente.

Usando evidências experimentais, Thomson caracterizou o átomo da seguinte forma:

-O átomo é uma esfera sólida eletricamente neutra, com um raio aproximado de 10 ^-10 m.

-A carga positiva é distribuída mais ou menos uniformemente por toda a esfera.

-O átomo contém "corpúsculos" carregados negativamente, que garantem sua neutralidade.

-Estes corpúsculos são iguais para todas as matérias.

-Quando o átomo está em equilíbrio, existem n corpúsculos regularmente dispostos em anéis dentro da esfera de carga positiva.

-A massa do átomo é distribuída uniformemente.

Raios catódicos

Feixes de elétrons são direcionados do cátodo para o ânodo.

Thomson realizou seus experimentos usando raios catódicos, descobertos em 1859. Os raios catódicos são feixes de partículas carregadas negativamente. Para produzi-los, são utilizados tubos de vidro a vácuo, nos quais são colocados dois eletrodos, chamados cátodo e ânodo.

Em seguida, passa uma corrente elétrica que aquece o cátodo, que assim emite radiação invisível que é direcionada diretamente para o eletrodo oposto.

Para detectar a radiação, que nada mais é do que raios catódicos, a parede do tubo atrás do ânodo é coberta com um material fluorescente. Quando a radiação chega até lá, a parede do tubo emite uma luminosidade intensa.

Se um objeto sólido ficar no caminho dos raios catódicos, ele projetará uma sombra na parede do tubo. Isso indica que os raios viajam em linha reta e também que podem ser facilmente bloqueados.

A natureza dos raios catódicos foi amplamente discutida, pois sua natureza era desconhecida. Alguns pensaram que eram ondas do tipo eletromagnético, enquanto outros argumentaram que eram partículas.

Partículas subatômicas do modelo atômico de Thomson

O modelo atômico de Thomson é, como dissemos, o primeiro a postular a existência de partículas subatômicas. Os corpúsculos de Thomson nada mais são do que elétrons, as partículas fundamentais do átomo com carga negativa.

Agora sabemos que as outras duas partículas fundamentais são o próton com carga positiva e o nêutron sem carga.

Mas isso não foi descoberto na época em que Thomson desenvolveu seu modelo. A carga positiva no átomo estava nele distribuída, não considerava nenhuma partícula portadora dessa carga e no momento não havia evidências de sua existência.

Por esse motivo, seu modelo teve uma existência fugaz, pois, no decorrer de alguns anos, os experimentos de espalhamento de Rutherford abriram caminho para a descoberta do próton. E quanto ao nêutron, o próprio Rutherford propôs sua existência alguns anos antes de ser finalmente descoberto.

Tubo de crookes

Sir William Crookes (1832-1919) desenhou o tubo que leva seu nome por volta de 1870, com a intenção de estudar cuidadosamente a natureza dos raios catódicos. Ele adicionou campos elétricos e campos magnéticos e observou que os raios eram desviados por eles.

Esquema de tubo de raios catódicos. Fonte: Knight, R.

Desta forma, Crookes e outros pesquisadores, incluindo Thomson, descobriram que:

1. Uma corrente elétrica foi gerada dentro do tubo de raios catódicos
2. Os raios foram desviados pela presença de campos magnéticos, da mesma forma que as partículas carregadas negativamente.
3. Qualquer metal usado para fazer o cátodo era igualmente bom na produção de raios catódicos e seu comportamento era independente do material.

Essas observações alimentaram a discussão sobre a origem dos raios catódicos. Aqueles que afirmavam que eram ondas baseavam-se no fato de que os raios catódicos podiam viajar em linha reta. Além disso, essa hipótese explicava muito bem a sombra que um objeto sólido interposto projetava na parede do tubo e, em certas circunstâncias, sabia-se que as ondas podiam causar fluorescência.

Mas, em vez disso, não se entendia como era possível que os campos magnéticos desviem os raios catódicos. Isso só poderia ser explicado se esses raios fossem considerados partículas, uma hipótese compartilhada por Thomson.

Partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos uniformes

Uma partícula carregada com carga q experimenta uma força Fe no meio de um campo elétrico uniforme E, de magnitude:

Fe = qE

Quando uma partícula carregada perpendicularmente passa por um campo elétrico uniforme, como aquele produzido entre duas placas com cargas opostas, ela sofre uma deflexão e, conseqüentemente, uma aceleração:

qE = ma

a = qE / m

Por outro lado, se a partícula carregada se move com uma velocidade de magnitude v, no meio de um campo magnético uniforme de magnitude B, a força magnética Fm que ela experimenta tem a seguinte intensidade:

Fm = qvB

Contanto que os vetores de velocidade e campo magnético sejam perpendiculares. Quando uma partícula carregada é perpendicular a um campo magnético homogêneo, ela também sofre uma deflexão e seu movimento é circular uniforme.

A aceleração centrípeta a _c neste caso é:

qvB = ma _c

Por sua vez, a aceleração centrípeta está relacionada à velocidade da partícula ve ao raio R do caminho circular:

a _c = v ² / R

Portanto:

qvB = mv ² / R

O raio do caminho circular pode ser calculado da seguinte forma:

R = mv / qB

Mais tarde, essas equações serão usadas para recriar a maneira como Thomson derivou a relação carga-massa do elétron.

Experimento de Thomson

Thomson passou um feixe de raios catódicos, um feixe de elétrons, embora ainda não soubesse, por campos elétricos uniformes. Esses campos são criados entre duas placas condutoras carregadas separadas por uma pequena distância.

Ele também passou os raios catódicos por um campo magnético uniforme, observando o efeito que isso tinha no feixe. Tanto em um campo quanto no outro, houve uma deflexão dos raios, o que levou Thomson a pensar, corretamente, que o feixe era composto de partículas carregadas.

Para verificar isso, Thomson realizou várias estratégias com raios catódicos:

1. Ele variou os campos elétrico e magnético até que as forças se cancelassem. Desta forma, os raios catódicos passaram sem sofrer deflexão. Ao igualar as forças elétrica e magnética, Thomson foi capaz de determinar a velocidade das partículas no feixe.
2. Ele anulou a intensidade do campo elétrico, dessa forma as partículas seguiram um caminho circular no meio do campo magnético.
3. Ele combinou os resultados das etapas 1 e 2 para determinar a relação carga-massa dos "corpúsculos".

A relação carga-massa do elétron

Thomson determinou que a relação carga-massa das partículas que compunham o feixe de raios catódicos tem o seguinte valor:

q / m = 1,758820 x 10 11 C.kg-1.

Onde q representa a carga do "corpúsculo", que na verdade é o elétron, em é sua massa. Thomson seguiu o procedimento descrito na seção anterior, que recriaremos aqui passo a passo, com as equações que utilizou.

Quando os raios catódicos passam pelos campos elétricos e magnéticos cruzados, eles passam sem deflexão. Quando o campo elétrico é cancelado, eles atingem a parte superior do tubo (o campo magnético é indicado pelos pontos azuis entre os eletrodos). Fonte: Knight, R.

Passo 1

Equalize a força elétrica e a força magnética, passando o feixe através dos campos elétrico e magnético perpendiculares:

qvB = qE

Passo 2

Determine a velocidade adquirida pelas partículas no feixe quando elas passam diretamente sem deflexão:

v = E / B

etapa 3

Cancele o campo elétrico, deixando apenas o campo magnético (agora há deflexão):

R = mv / qB

Com v = E / B resulta:

R = mE / qB ²

O raio da órbita pode ser medido, portanto:

q / m = v / RB

O bem:

q / m = E / RB ²

Seguintes passos

A próxima coisa que Thomson fez foi medir a razão q / m usando cátodos feitos de materiais diferentes. Como mencionado anteriormente, todos os metais emitem raios catódicos com características idênticas.

Em seguida, Thomson comparou seus valores com os da razão q / m do íon hidrogênio, obtida por eletrólise e cujo valor é de aproximadamente 1 x 10 ⁸ C / kg. A relação carga-massa do elétron é aproximadamente 1750 vezes a do íon de hidrogênio.

Portanto, os raios catódicos tinham carga muito maior, ou talvez uma massa muito menor do que a do íon de hidrogênio. O íon de hidrogênio é simplesmente um próton, cuja existência se tornou conhecida muito depois dos experimentos de espalhamento de Rutherford.

Hoje se sabe que o próton tem quase 1.800 vezes mais massa do que o elétron e tem carga de magnitude igual e sinal oposto ao do elétron.

Outro detalhe importante é que com os experimentos de Thomson a carga elétrica do elétron não foi determinada diretamente, nem o valor de sua massa separadamente. Esses valores foram determinados pelos experimentos Millikan, iniciados em 1906.

Diferenças dos modelos de Thomson e Dalton

A diferença fundamental entre esses dois modelos é que Dalton pensava que o átomo é uma esfera. Ao contrário de Thomson, ele não propôs a existência de cargas positivas ou negativas. Para Dalton, um átomo era assim:

Átomo de Dalton

Como vimos antes, Thomson pensava que o átomo era divisível e cuja estrutura é formada por uma esfera positiva e elétrons ao seu redor.

Falhas e limitações do modelo

Na época, o modelo atômico de Thomson conseguia explicar muito bem o comportamento químico das substâncias. Ele também explicou com precisão os fenômenos que ocorreram no tubo de raios catódicos.

Mas na verdade Thomson nem mesmo chamou suas partículas de "elétrons", embora o termo já tivesse sido cunhado anteriormente por George Johnstone Stoney. Thomson simplesmente os chamou de "corpúsculos".

Embora Thomson tenha feito uso de todo o conhecimento disponível na época, existem várias limitações importantes em seu modelo, que se tornaram aparentes desde o início:

- A carga positiva não é distribuída por todo o átomo. Os experimentos de espalhamento de Rutherford mostraram que a carga positiva do átomo está necessariamente confinada a uma pequena região do átomo, que mais tarde ficou conhecida como núcleo atômico.

- Os elétrons têm uma distribuição específica dentro de cada átomo. Os elétrons não são distribuídos uniformemente, como as passas no famoso pudim, mas, em vez disso, têm um arranjo em orbitais que modelos posteriores revelaram.

É precisamente o arranjo dos elétrons dentro do átomo que permite que os elementos sejam organizados por suas características e propriedades na tabela periódica. Essa era uma limitação importante do modelo de Thomson, que não conseguia explicar como era possível ordenar os elementos dessa forma.

- O núcleo atômico é o que contém a maior parte da massa. O modelo de Thomson postulou que a massa do átomo estava uniformemente distribuída dentro dele. Mas hoje sabemos que a massa do átomo está praticamente concentrada nos prótons e nêutrons do núcleo.

É importante notar também que este modelo do átomo não permitiu inferir o tipo de movimento que os elétrons tinham dentro do átomo.

Artigos de interesse

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Modelo atômico de Bohr.

Modelo atômico de Sommerfeld.

Referências

1. Andriessen, M. 2001. Curso HSC. Física 2. Jacaranda HSC Science.
2. Arfken, G. 1984. University Physics. Academic Press.
3. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
4. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
5. Wikipedia. Modelo atômico de Thomson. Recuperado de: es.wikipedia.org.