Modelo Atômico Atual

Durante anos e anos, os modelos atômicos mudaram à medida que a física evoluiu. Todos poderiam explicar certas propriedades dos átomos. No entanto, houve resultados experimentais que não concordaram com a teoria, revelando suas inadequações.

E então… Qual é o modelo atômico atual?

Bem, acontece que na década de 20 do século passado surgiu uma das teorias mais belas e inexplicáveis que temos hoje: mecânica quântica.

Esta teoria estranha, mas surpreendente, permite-nos modelar fenómenos no mundo microscópico de uma forma muito precisa.

EXATO!

Com ele podemos estudar átomos com precisão e explicar matematicamente o que vemos nos experimentos.

Antes de começar é importante que você saiba o que é um átomo. Eu convido você a ler nosso extenso artigo sobre o átomo.

O atual modelo atômico quântico, conhecido como modelo atômico quântico, representa a compreensão mais avançada e precisa da estrutura e do comportamento do átomo, baseada nos princípios da mecânica quântica. Este modelo transcende as noções clássicas, substituindo as órbitas definidas dos elétrons por regiões de probabilidade onde é mais provável que sejam encontrados.

Ao integrar conceitos como a dualidade onda-partícula e o princípio da incerteza, O modelo quântico oferece uma descrição detalhada que nos permite explicar e prever uma ampla gama de fenômenos físicos e químicos. com precisão sem precedentes. Em essência, este modelo não é apenas fundamental para a física e a química modernas, mas também é crucial para tecnologias avançadas que vão da electrónica à medicina.

Vamos por partes.

Para estudar átomos através da mecânica quântica temos duas opções: usar as equações diferenciais integrais de Schrödinger ou as equações matriciais de Heisenberg. Essas duas abordagens são equivalentes.

Neste caso utilizaremos a equação de Schrödinger para tentar explicar o modelo atômico moderno.

Neste referencial teórico, temos o núcleo do átomo no centro e depois os elétrons “ao seu redor”. Ao contrário de outros modelos mais antigos, os elétrons não seguem mais órbitas, mas são encontrados em orbitais. Isso ocorre porque os elétrons são modelados usando uma função de onda e não são mais tratados como se fossem partículas pontuais.

E o que isto significa?

Isso significa que os elétrons não têm mais uma posição fixa, mas podem estar em vários lugares ao mesmo tempo. Isso é conhecido como superposição quântica.

Portanto, ao invés de termos posições, temos uma distribuição probabilística de quais são as áreas ao redor do núcleo com maior probabilidade de encontrar elétrons.

O modelo atual do átomo é baseado nos princípios da mecânica quântica, representando uma evolução significativa em relação aos modelos mais simples propostos no passado. Este modelo não descreve os elétrons como partículas em órbitas fixas ao redor do núcleo, mas como ondas de probabilidade distribuídas em regiões do espaço chamadas orbitais atômicos. Aqui estão as principais características do modelo quântico do átomo:

PERFEITO!

Agora temos uma ideia básica do modelo atômico moderno. E agora que?

Agora é hora de entender as características dos elétrons neste modelo e como usamos a equação de Schrödinger para entendê-los.

A equação proposta por Erwin Schrödinger é muito complicada de resolver matematicamente. É por isso que só pode ser resolvido para átomos hidrogenóides, que possuem apenas um próton e um elétron. Com átomos que possuem maior número de elétrons só podemos obter soluções aproximadas.

Quando desenvolvemos esta equação vemos que existem determinados valores que são parametrizados e só podem assumir determinados valores. Esses valores são chamados de números quânticos e nos permitem descrever as propriedades dos diferentes elétrons no núcleo de um elétron.

NÃO ENTENDO NADA!

Se esta é a primeira vez que você está lendo isto sobre números quânticos, provavelmente não entendeu o conceito. Poderíamos dizer que existem diferentes tipos de elétrons dependendo de onde eles estão no núcleo. Esses elétrons têm energias diferentes e “formas” diferentes. Para descrever cada elétron usamos números quânticos que nos dizem a energia e a forma que cada elétron possui.

Melhor com esta explicação?

Além disso, existe um quarto número quântico que não sai da equação de Schrödinger: o número quântico de spin.

Se você é novo neste mundo, provavelmente está se perguntando: mas o que diabos é spin?

Mas não se preocupe!

Para esta explicação, com uma simples comparação você entenderá conceitualmente o que é spin.

Os elétrons têm a propriedade de “girar” sobre si mesmos. Se virarem para a direita diremos que têm spin-up e se virarem para a esquerda diremos que têm spin-down. Assim, o número quântico magnético indica simplesmente a direção de rotação do elétron. Se for spin-up, o número quântico magnético associado é +1/2. Por outro lado, se for spin-down, o número associado é -1/2.

O modelo atômico mais recente, o que temos hoje, na verdade não é inteiramente o modelo de Schrödinger. Isso ocorre porque há inadequações nele e, portanto, tivemos que adotar algumas correções para melhorá-las.

Como vimos, os números quânticos de spin não surgem naturalmente das equações de Schrödinger. Portanto, tiveram que ser acrescentados a posteriori, dando origem ao modelo atômico de Schrödinger-Pauli.

Em certos tipos de átomos muito pesados, as forças entre os elétrons dentro do núcleo significam que os elétrons podem atingir velocidades muito altas. Neste ponto, os efeitos relativísticos tornam-se importantes. Portanto, temos que adicionar correções para podermos levar em conta os efeitos da relatividade especial de Einstein.

Essas correções são realizadas através do Equação de Dirac. Paul Dirac conseguiu unificar a fórmula que descreve a energia na relatividade (E=mc2) e a equação de Schrödinger. Adicionando esta correção necessária.

A evolução do modelo atômico reflete como a nossa compreensão da matéria avançou de ideias filosóficas primitivas para teorias quânticas sofisticadas. Ao longo dos séculos, a noção de átomo foi refinada através das contribuições de muitos cientistas proeminentes, cada um contribuindo com uma peça crucial para o complexo puzzle do que sabemos hoje sobre a estrutura atómica.

O filósofo grego Demócrito foi um dos primeiros a sugerir a ideia de que a matéria era composta de partículas indivisíveis e invisíveis que ele chamou de átomos. Embora sua teoria fosse puramente especulativa e carecesse de base experimental, ela lançou as bases para futuras pesquisas sobre a composição da matéria.

No século XIX, John Dalton revitalizou a ideia do átomo com sua teoria atômica, propondo que cada elemento químico era composto por átomos de um tipo único. Dalton introduziu conceitos como peso atômico e estabeleceu as bases para a compreensão das reações químicas em termos de união e separação de átomos.

J. J. Thomson descobriu o elétron no final do século 19, o que levou ao desenvolvimento de seu modelo atômico, conhecido como “pudim de ameixa”. Ele propôs que os átomos eram esferas carregadas positivamente com elétrons embutidos, uma teoria que explicava a existência de partículas subatômicas carregadas negativamente dentro do átomo.

O modelo de Thomson foi substituído pelo modelo nuclear de Ernest Rutherford, que, com base em seus experimentos de espalhamento de partículas alfa, concluiu que o átomo tinha um núcleo denso e carregado positivamente no centro, com elétrons orbitando ao seu redor.

Niels Bohr desenvolveu um modelo atômico que incorporou a quantização de energia para explicar as órbitas estáveis ​​dos elétrons e os espectros de emissão dos átomos. Seu modelo introduziu órbitas circulares fixas nas quais os elétrons podiam se mover sem irradiar energia.

O modelo de Bohr evoluiu com o desenvolvimento da mecânica quântica na primeira metade do século XX. Cientistas como Schrödinger, Heisenberg e Pauli contribuíram para um modelo mais sofisticado onde as posições dos elétrons são descritas por probabilidades em vez de órbitas definidas, dando origem ao modelo atômico moderno.