O Atomo 1

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DESCRIÇÃO
Uma abordagem didático-pedagógica sobre a origem e evolução do Universo, a partir da teoria do Big Bang; além de uma descrição
cronológica sobre a evolução dos modelos atômicos, desde os primórdios (modelos atômicos filosóficos) até o mais moderno (modelo
atômico quântico).
Por fim, uma descrição detalhada sobre a estrutura do átomo, como composição, dimensões, valores de carga e massa, tanto para o
núcleo atômico quanto para a eletrosfera.
PROPÓSITO
Conhecer e compreender a origem, história, evolução e o futuro do nosso Universo, bem como todo o processo histórico da constituição
da matéria em sua essência- os átomos.
Ampliaremos o conhecimento do aluno e sua visão acerca da evolução do Universo, suas origens e a estrutura atômica, oferecendo
motivação e subsídios para que ele compreenda as evoluções cientificas e tecnológicas em todas as áreas da Ciência.
OBJETIVOS
MÓDULO 1
Analisar a origem do Universo, bem como sua evolução, a partir da teoria mais bem fundamentada e aceita pela comunidade científica:
O Big Bang
MÓDULO 2
Reconhecer, a partir de uma sequência cronológica dos modelos atômicos, como nossa compreensão moderna do átomo evoluiu ao
longo do tempo
MÓDULO 3
Avaliar a importância do empirismo para a construção da Ciência no que diz respeito à estrutura atômica, a partir da descrição das várias
evidências experimentais de suas partículas constituintes
INTRODUÇÃO
Para nós, seres humanos, descobrir a origem do Universo significa compreender melhor sua natureza e nossas origens. Possuímos uma
necessidade intrínseca de explorar o mundo, de questionar nosso lugar no Universo. Através da exploração, descobrimos novos
continentes, encontramos curas para doenças, avançamos em tecnologia, comunicação e muito mais.
A teoria mais bem fundamentada da origem do nosso Universo está centrada em um evento conhecido como Big Bang: A expansão do
Universo a partir de um estado inicial. Essa teoria considera que o Universo se formou após uma grande explosão e que as partículas
atômicas foram as primeiras a existirem, dando origem a tudo que conhecemos hoje.
As primeiras evidências experimentais sobre a formação e estrutura do Universo, como as principais partículas constituintes,
impulsionaram a teoria do Big Bang, a necessidade de conhecer os principais ingredientes, e como eles compõem o átomo. 
A descoberta das partículas subatômicas (como prótons, nêutrons e elétrons) refutou a suposição da teoria atômica de Dalton, em que o
átomo era considerado indivisível e a menor porção da matéria.
Isso levou à necessidade de um modelo atômico que fosse capaz de explicar a estabilidade de todos os átomos e moléculas, bem como
proporcionar uma comparação entre as diferenças nas propriedades físicas e químicas de diferentes elementos. Além disso, os modelos
atômicos foram muito importantes para explicar a formação de compostos de dois ou mais átomos, bem como a emissão da radiação
eletromagnética pelos átomos. 
É importante perceber que muito do que sabemos sobre a estrutura dos átomos foi desenvolvido ao longo de um longo período, através
de diversos modelos. Muitos destes não se sustentaram por não condizerem com a realidade da matéria. Frequentemente, é assim que
o conhecimento científico ocorre, com um cientista desenvolvendo e aperfeiçoando as ideias de outro.
Além da intensa pesquisa em estrutura da matéria/Física atômica, por um expressivo número de cientistas, as aplicações técnicas
evoluíram enormemente a partir do século XIX. Atualmente, os métodos desenvolvidos a partir da Física atômica são, rotineiramente,
utilizados em Química, Biologia, Indústria e, principalmente, Medicina.
MÓDULO 1
 Analisar a origem do Universo, bem como sua evolução, a partir da teoria mais bem fundamentada e aceita pela
comunidade científica: O Big Bang
ORIGEM DO UNIVERSO: TEORIA DO BIG BANG
Estamos todos girando no espaço em um pequeno planeta; banhados, durante o dia, pela luz e calor de uma estrela próxima que
chamamos de Sol.
Estamos viajando 19 milhões de quilômetros por dia ao redor do centro da galáxia, a Via Láctea, que gira em um Universo de mais de
100 bilhões de galáxias, cada uma abrigando 100 bilhões de estrelas (Figura 1).
 Figura 1. Via Láctea.
Este Universo em que giramos começou como um único ponto há aproximadamente 13,8 bilhões de anos; desde então, tem se
expandido, com sua temperatura diminuindo constantemente. Nosso Universo tem pelo menos quatro dimensões, três de espaço e uma
de tempo, o que significa que o tempo e o espaço estão interligados.
Neste momento, o tamanho do nosso Universo observável é de aproximadamente 13,8 bilhões de anos-luz em cada uma das três
dimensões; por 13,8 bilhões de anos na dimensão do tempo, aumentando conforme escrevemos e você lê.
Desde que se desenvolveram, os seres humanos têm olhado para pontos de luz no céu noturno com temor e respeito, aprendendo o
que podiam a partir de observações diretas e usando esse conhecimento para fazer previsões, viajar por terra e navegar pelo mar.
 
Sem instrumentos especializados, no entanto, as pessoas não poderiam detectar muito sobre a origem de nosso imenso Universo e a
natureza da matéria, porque a escala do Universo e da matéria é muito diferente da vida cotidiana. No final do século XX, os cientistas
inventaram instrumentos que podiam visualizar os céus macroscópicos e o domínio microscópico.
O conhecimento sobre esses mundos recentemente se expandiu exponencialmente. Agora todos podem entender o Universo incrível
que é a nossa casa - se usarmos nossa imaginação e observar as imagens fotográficas e diagramas disponíveis.
BIG BANG
Tudo começou com um evento inconcebível: o Big Bang. (Esse nome foi dado pelo astrofísico britânico Fred Hoyle em uma transmissão
de rádio pela BBC em 1952.)
ÁTOMO
O Universo surgiu de um único ponto, talvez do tamanho de um átomo, no qual toda a matéria, energia, espaço e tempo conhecidos
foram comprimidos em uma densidade inimaginável.
MATÉRIA E ENERGIA
O espaço comprimido se desenrolou como uma onda gigantesca, expandindo-se e esfriando em todas as direções, carregando matéria
e energia até os dias de hoje.
GALÁXIAS
O poder dessa expansão inicial foi suficiente para lançar cem bilhões de galáxias por 13,8 bilhões de anos.
UNIVERSO
O Universo ondulante estava em andamento.
ONDE ESSA ERUPÇÃO OCORREU?
Em todos os lugares, incluindo onde cada um de nós está agora. No início, todos os locais que vemos como separados eram o mesmo
local.
Inicialmente, o Universo era composto de “plasma cósmico”, uma substância homogênea tão quente que não tinha nenhuma estrutura
conhecida. Matéria e energia são intercambiáveis, em temperaturas de muitos trilhões de graus; ninguém sabe o que é energia, mas a
matéria é energia em repouso.
À medida que o Universo esfriava, os menores constituintes da matéria que conhecemos atualmente, chamados quarks, começaram a
se agrupar em grupos de três, formando prótons e nêutrons (Figura 2).
Não sabemos se quarks são compostos por algo menor
Isso ocorreu cerca de cem milésimos de segundo após o Big Bang, quando a temperatura havia esfriado para cerca de um milhão de
vezes mais quente do que o interior do Sol. Um centésimo de segundo depois, esses prótons e nêutrons começaram a se unir para
formar o que mais tarde se tornariam os núcleos dos dois elementos mais leves, hidrogênio e hélio.
Figura 2: Os constituintes da matéria. A matéria é composta de átomos, cada um dos quais é composto de elétrons circulando um
núcleo contendo prótons e nêutrons, os quais são feitos de quarks. 
 
Antes de decorrido um segundo, as quatro interações fundamentais que governam a matéria surgiram: A interação gravitacional, a
eletromagnética, a nuclear forte e a nuclear fraca. 
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
Ou gravidade, é a mais fraca das quatro. Foi descrita pela teoria da gravitação de Newton e pela teoria geral da relatividade de Einstein.
INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
É uma união da força elétrica e da magnética.A força nuclear forte, a mais forte das quatro, é responsável por manter os quarks unidos
dentro dos núcleos atômicos.
FORÇA NUCLEAR
Fraca é responsável pela desintegração dos núcleos atômicos dos elementos radioativos.
 
Imagem: Asafe Ferreira
ELETRO MAGNÉTICA
 
Imagem: Asafe Ferreira
INTERAÇÃO FRACA
 
Imagem: Asafe Ferreira
INTERAÇÃO FORTE
 
Imagem: Asafe Ferreira
GRAVITACIONAL
 Figura 3: As quatro interações fundamentais na natureza.
Essas quatro forças trabalham em perfeito equilíbrio para permitir que o Universo exista e se expanda a uma taxa sustentável. Se a força
gravitacional fosse um pouquinho mais forte, toda a matéria provavelmente implodiria em si mesma. Se a gravidade fosse um pouco
mais fraca, as estrelas não poderiam se formar.
Se a temperatura do Universo tivesse caído mais lentamente, os prótons e nêutrons poderiam não ter parado no hélio e no lítio, mas
continuado a se ligar até formarem ferro, pesado demais para formar galáxias e estrelas. O equilíbrio primoroso fornecido pelas quatro
forças parece ser a única maneira pela qual o Universo pode se manter.
 ATENÇÃO
Os cientistas se perguntam se talvez muitos outros Universos tenham existido, mas tenham desaparecido antes que este sobrevivesse.
O Universo recém-nascido evoluiu com velocidade fenomenal, estabelecendo em uma pequena fração de segundo as propriedades
fundamentais que permaneceram estáveis desde então.
ORIGEM DOS PRIMEIROS ELEMENTOS
Durante cerca de 300.000 anos de expansão e resfriamento, o fluxo descontrolado de elétrons, com carga negativa, desacelerou. Os
núcleos atômicos, prótons e nêutrons, estavam carregados positivamente.
Quando os elétrons desaceleraram o suficiente, os núcleos poderiam atraí-los por sua carga elétrica e formar os primeiros átomos
eletricamente neutros: Hidrogênio (H) e hélio (He), os elementos mais leves, a primeira matéria. O hidrogênio consiste em um próton e
um elétron; o hélio consiste em dois prótons e dois elétrons (Figura 4).
Esse se tornou um momento crucial na história do Universo. Antes da formação de átomos estáveis, o Universo estava cheio de tantas
partículas em zigue-zague, algumas negativas, outras positivas, que a luz (consistindo em partículas subatômicas chamadas fótons) não
podia se mover através do banho de partículas carregadas.
Isso acontecia porque os fótons interagem com partículas eletricamente carregadas e são defletidos ou absorvidos. Se alguém estivesse
lá para ver, o Universo teria aparecido como uma névoa densa ou uma tempestade de neve cegante.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 4. Ilustração do H e He.
Assim que os átomos se formaram, ligando os elétrons negativos e os prótons positivos, os fótons de luz poderiam viajar livremente. A
densa névoa de radiação se dissipou. A matéria se formou e o Universo tornou-se transparente.
Toda a sua extensão apareceu, consistindo principalmente de um vasto espaço vazio cheio de enormes nuvens de hidrogênio (H) e hélio
(He), com imensas quantidades de energia fluindo através deles.
Hoje podemos ver alguns dos fótons que sobraram do Big Bang – como “Neve” em nossas telas de televisão. Para fazer isso, devemos
desconectar o cabo de alimentação e sintonizar um canal que o aparelho não recebe. Cerca de 1% da "neve" que vemos é luz/calor
residual deixado pelo Big Bang, que forma um mar cósmico de radiação de fundo, em forma de micro-ondas.
 VOCÊ SABIA
Se nossos olhos fossem sensíveis às micro-ondas, veríamos um brilho difuso no mundo ao nosso redor.
RADIAÇÃO CÓSMICA DE FUNDO EM MICRO-ONDAS (RCFM)
Nas décadas de 1950 e 1960, os físicos perceberam, pelo que já sabiam sobre o Universo, que o Universo atual deveria ser preenchido
com fótons primordiais, resfriados ao longo de 13,5 bilhões de anos a alguns graus acima do zero absoluto.
Na primavera de 1965, dois radio-astrônomos, Arno A. Penzias e Robert W. Wilson, trabalhando para Bell Laboratories em Nova Jersey,
detectaram acidentalmente esse brilho como um ruído sibilante de fundo enquanto testavam uma nova antena de micro-ondas para ser
usada em satélites de comunicação.
Em 1989, a NASA enviou o satélite Cosmic Background Explorer (COBE, Figura 5), que coletou informações que confirmaram com alta
precisão que existem cerca de 400 milhões de fótons em cada metro cúbico do Universo - um mar cósmico invisível de radiação de
micro-ondas, a 3K (3 graus acima do valor absoluto), exatamente como previsto pela teoria do Big Bang.
 
Foto: Shutterstock.com
 Figura 5. COBE.
 Figura 6. WMAP.
Em 2002, a NASA enviou uma sonda de 16 pés chamada Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, ou WMAP, a um milhão de milhas da
Terra (Figura 6).
 
Durante um ano, o WMAP fez exposições temporais de todo o céu, mostrando em alta resolução o mapa da radiação cósmica de fundo
(RCF) de 380.000 anos após o Big Bang, confirmando novamente a teoria do Big Bang para a origem do Universo (Figura 7).
 Figura 7. Imagem da nave WMAP da NASA da RCF de 2003.
Felizmente para os astrônomos, na escala do Universo, a distância é uma máquina do tempo. Quanto mais longe está algo, mais jovem
o vemos; isso porque, quanto mais distante algo está, mais tempo leva para chegar até nós sua radiação. Nunca poderemos ver o
Universo como ele é hoje, apenas como era antes, porque leva milhões e bilhões de anos para que a luz de galáxias e estrelas
distantes, viajando a quase 1,1 milhões de Km/h, chegue até nós.
Portanto, podemos ver muito no passado. Ao captar a radiação de micro-ondas, podemos "ver" quase até o início do Universo (Figura 8).
 
Foto: NASA, Ryan Kaldari, adaptation to Spanish: Luis Fernández García, wiping WMAP: Basquetteur - commons.wikimedia.org©
 Figura 8. Nossa Visão do Universo.
 COMENTÁRIO
Pense assim:
A luz da estrela mais próxima, o Sol, leva oito minutos e vinte segundos para chegar até nós. A luz de Júpiter leva cerca de 35 minutos
quando está mais perto de nós, cerca de uma hora quando está mais longe, em sua órbita. A luz da estrela mais brilhante do céu
noturno, Sirius, leva 8,6 anos para chegar até nós (a distância que a luz viaja é de 8,6 anos-luz).
A luz das estrelas que podemos ver sem auxílio óptico leva de quatro a 4.000 anos para chegar até nós. Se víssemos uma estrela
explodindo a 3.000 anos-luz de distância, então essa explosão teria ocorrido há 3.000 anos - tempo que leva para a luz chegar até
nós.
FORMAÇÃO DAS ESTRELAS
Conforme descrito acima, o Universo tornou-se transparente cerca de 300.000 anos após o Big Bang. Imensas nuvens de hidrogênio e
hélio flutuaram até se dividirem em cerca de um trilhão de nuvens separadas, cada uma com sua própria dinâmica, cada uma escapando
da expansão do Universo. O diâmetro de cada nuvem permaneceu o mesmo, enquanto o espaço entre elas aumentou.
À medida que o Universo esfriava e se acalmava, cada nuvem separada de hidrogênio e hélio se tornava uma galáxia separada de
estrelas unidas pela gravidade. Isso aconteceu quando os átomos de hidrogênio e hélio colidiram uns com os outros (Figura 9).
À medida que colidiam, o atrito gerava temperaturas tão elevadas que os átomos “perdiam” seus elétrons. Os núcleos de hidrogênio
começaram a se fundir, formando íons de hélio. Essas reações de fusão liberaram uma grande quantidade de calor/energia, de acordo
com a equação de Einstein E = mc2, em que a perda de um pouquinho de massa resulta em energia multiplicada pelo quadrado da
velocidade da luz.
Conforme o hidrogênio começa a queimar, milhões de toneladas de matéria são transformadas em energia a cada segundo, e uma
estrela nasce. As primeiras estrelas se formaram apenas cerca de 200.000 anos após o Big Bang.
 
Foto: ESA/Hubble & NASA - commons.wikimedia.org©
 Figura 9. Aglomerado de estrelas.
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1
O Universo está repleto de uma enorme variedade de objetos medidos por sua massa. Os maiores objetos são estrelas, que produzem
sua própria energia.
As maiores estrelas têm até 20 vezes mais massa do que o Sol. Os menores objetos do Universo são partículasde poeira visíveis
apenas sob um microscópio, e caem na atmosfera da Terra a uma taxa de cem toneladas por dia.
2
O lodo nos beirais de qualquer casa provavelmente contém uma pequena quantidade de material interestelar. Os planetas são objetos
de médio alcance; sua massa não é suficiente para produzir sua própria energia por meio de reações de fusão de hidrogênio. As estrelas
vêm em uma vasta gama de tamanhos e densidades, e evoluem com o tempo de um tipo para outro. A maioria das estrelas mais
próximas de nós é vermelha, mas aquela que conhecemos melhor, o Sol, é uma estrela amarela estável queimando hidrogênio
(chamada de fusão de hidrogênio, conforme descrito anteriormente).
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Foto. B. Jacobs - commons.wikimedia.org©
 Figura 10. Gigante vermelha.
3
Quando seu hidrogênio se esgotar, em cerca de 5 bilhões de anos, nosso Sol passará a queimar hélio (a chamada fusão de hélio).
Como a fusão do hélio é um processo mais quente, com uma maior produção de energia, a pressão da energia extra expandirá o Sol até
que ele se torne o que é chamado de gigante vermelha (Figura 10).
4
Quando o combustível de hélio acabar, a gigante vermelha se transformará em uma anã branca (Figura 11).
 
Foto. Sephirohq - commons.wikimedia.org©
 Figura 11. Anã branca.
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Foto. Baperookamo - commons.wikimedia.org©
 Figura 12. Anã negra.
5
Então, o Sol irá esfriar lentamente até se tornar uma estrela cinza chamada anã negra (Figura 12), do tamanho da Terra, e com 200.000
vezes sua massa. Nenhuma anã negra foi encontrada ainda porque o Universo não é velho o suficiente para que se tenha concluído o
lento processo de resfriamento.
6
Algumas estrelas amarelas, aquelas que são maiores do que o nosso Sol no início, tornam-se gigantes vermelhas maiores do que ele.
Quando seu estágio de gigante vermelha termina, elas não encolhem em anãs brancas. Nelas, elementos mais pesados são criados e
queimados: carbono, nitrogênio, oxigênio, magnésio e, finalmente, ferro.
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O ferro, porém, não pode ser usado como combustível estelar. A produção de energia para e a gravidade assume. O núcleo da estrela
implode e desencadeia uma imensa explosão das camadas externas que estilhaça a maior parte da estrela em pedacinhos.
Apenas o núcleo sobrevive como uma anã branca, uma estrela de nêutrons (minúscula e incrivelmente densa) ou um buraco negro, que
é um objeto tão denso que a luz não consegue escapar de seu campo gravitacional (Figura 13).
 
Imagem: Asafe Ferreira
 Figura 13. Buraco negro. Estágios iniciais de ruptura de uma estrela enquanto aproxima do buraco negro de uma galáxia distante.
Essa autoaniquilação explosiva de uma estrela é chamada de supernova; apenas estrelas pelo menos seis vezes mais massivas do que
nosso Sol podem se tornar supernovas.
 Figura 14: Supernova.
Essas supernovas desempenham um papel imenso na criatividade do Universo. São as fornalhas cósmicas a partir das quais novos
elementos são formados e, como vimos, iniciam a formação de buracos negros. Quando uma estrela com mais de dez vezes a massa do
nosso Sol explode, o núcleo implodido que resta pode ser maior do que quatro vezes a massa do Sol.
Se isso ocorrer, então a gravidade é tão imensa que toda a matéria desaparece e um buraco negro permanece, deixando apenas um
campo gravitacional tão forte que impede a luz de escapar. O centro de um buraco negro é denominado singularidade; um buraco negro
criado por uma estrela de dez massas solares tem um diâmetro de apenas 40 milhas.
Em torno da singularidade, está um campo de força gravitacional tão poderoso que tudo o que entra no campo desaparece no buraco.
Os astrônomos suspeitam que buracos negros massivos existem no centro da maioria das galáxias, como parece ser no centro da Via
Láctea. Nosso buraco negro, com alguns milhões de massas solares, é chamado (Sagitários A*) SgA porque parece estar na
constelação de Sagitário do hemisfério sul. Cientistas, trabalhando por mais de dez anos no Very Large Telescope no deserto do
Atacama, no Chile, confirmaram em 2002 a presença de SgA.
Enormes supernovas tornam-se buracos negros. As menores, aquelas entre três e seis massas solares, explodem para fora em vez de
implodir para dentro.
Em seus núcleos de combustão, o hidrogênio é transformado em hélio e, em seguida, hélio em carbono; núcleos são fundidos em
núcleos cada vez maiores, como oxigênio, cálcio e assim por diante, por meio da tabela periódica dos elementos. Em algum ponto,
ocorre uma explosão, expelindo a maior parte da estrela de volta ao espaço como gás, mas agora contendo átomos complexos que
sustentam a vida, não apenas hidrogênio e hélio.
 COMENTÁRIO
Apenas supernovas podem criar elementos superiores ao ferro. Gradualmente, acabou há cerca de 9 bilhões de anos, todos os
elementos da tabela periódica foram construídos dessa maneira. Cada pedaço de ouro em nosso planeta se originou de estrelas
gigantes que explodiram antes de o Sol nascer. O ouro no anel do seu dedo deve ter mais de 4,5 bilhões de anos. Assim, as explosões
de estrelas criaram os elementos que tornam possível a vida na Terra.
NÓS SOMOS LITERALMENTE FEITOS DE POEIRA ESTELAR
Voltando à nossa história, várias centenas de milhares de anos após o Big Bang, as galáxias se consolidaram à medida que ondas de
densidade se moviam pelo espaço, levando as nuvens de hidrogênio e hélio à formação de estrelas. O espaço começou a piscar, com
bilhões de estrelas fluindo em filamentos de aranha de espirais giratórias.
A maioria das galáxias assumia a forma de espirais, mas no início do Universo a matéria estava aglomerada e as galáxias
frequentemente esbarravam umas nas outras. Quando o fizeram, o grande absorveu o menor, mas o grande nunca conseguiu recuperar
sua forma espiral. Em vez disso, tornou-se uma esfera ou elipse (oval), chamada de galáxia elíptica.
As galáxias elípticas não produzem novas estrelas, já que as ondas de densidade não se movem por meio delas para chocar as nuvens
de gases e formar novas estrelas. Nossa galáxia, a Via Láctea, é uma espiral perfeita, o feliz acidente de estar em uma área não
congestionada do Universo primitivo, cerca de 12 bilhões anos atrás (Figura 15).
 
Por cerca de 9 bilhões de anos, os primeiros dois terços de sua vida até agora, o Universo consistiu em fogos de artifício celestes
inimagináveis. Galáxias giraram e colidiram. Ondas de densidade surgiram através das galáxias, causando a formação de novas
estrelas.
Supernovas explodiram, espalhando novos elementos gasosos prontos para serem chocados em novas estrelas por outras supernovas
ou implodindo em buracos negros, perdendo sua matéria para quem sabe onde. O tempo todo, o espaço foi se expandindo e a
temperatura esfriando. O Universo era uma dança cintilante de morte e ressurreição, ruína e elegância, violência avassaladora e
destruição em um ciclo de beleza e criatividade estonteante.
 
Foto: Shutterstock.com
 Figura 15: Via Láctea.
SOL
Cerca de 4,6 bilhões de anos atrás, na Via Láctea, uma supernova explodiu e uma nova estrela - nosso Sol - emergiu dos escombros.
Sabemos disso porque as rochas lunares e os meteoritos, todos originários dessa supernova, datam consistentemente de cerca de 4,56
bilhões de anos atrás.
Esse Sol era uma estrela de tamanho médio, que se distinguia por não ter uma estrela companheira (cerca de dois terços das estrelas
em nossa seção da Via Láctea são sistemas de estrelas múltiplas).
O Sol está localizado a dois quintos da saída em um dos braços espirais, a cerca de 30.000 anos-luz do centro da Via Láctea. Demora
cerca de 225 a 250 milhões de anos para circular em torno do centro da galáxia em uma órbita elíptica ou oval, viajando cerca de
320.000 quilômetros por dia (Figura 16).
 
Acompanhado por seu sistema de planetas e outros corpos, o Sol orbitou o centro da Via Láctea cerca de 20 vezes desde sua origem.
Seu tamanho indica que queimará por cerca de 10 bilhões de anos, já tendo queimado por cerca de 4,6 bilhões desses anos.Em torno de nosso Sol primitivo girou um disco de sobras de materiais - poeira nebulosa e gases de muitos elementos criados por nossa
supernova em explosão. Quando todos esses elementos gasosos colidiram, eles formaram pequenos grãos cujas instabilidades
moldaram o disco em faixas.
 
Foto: Revista Pesquisa FAPESP
 Figura 16: O Sol na Via Láctea.
À medida que os centros de concentração se desenvolveram nessas faixas, os planetas surgiram, com a gravidade do Sol tornando os
quatro internos (Mercúrio, Vênus, Terra e Marte) mais pesados e rochosos, enquanto os externos (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) são
mais leves e mais gasosos.
Plutão, menor do que nossa lua, foi declarado não grande o suficiente para ser considerado um planeta. Júpiter, que tem cerca de 300
vezes a massa da Terra, é quase, mas não totalmente, grande o suficiente para se tornar uma estrela.
Não há maneira prática de desenhar o sistema solar (Figura 17) em escala sem usar distâncias do tamanho dos quarteirões da cidade.
 
Os planetas em seu estado inicial eram fundidos ou gasosos. Cada planeta se organizou por interação gravitacional; os elementos mais
pesados, como ferro e níquel, afundaram no núcleo, enquanto os elementos mais leves, como hidrogênio e hélio, formaram as camadas
externas.
A ordem gravitacional estática foi quebrada pelos elementos radioativos instáveis. Quando esses elementos se quebraram, sua energia
manteve os planetas em ebulição, trazendo materiais das profundezas para a superfície.
 
Foto: Shutterstock.com
 Figura 17: Sistema Solar.
 ATENÇÃO
Nos três planetas menores - Mercúrio, Vênus e Marte -, todas as atividades pararam dentro de um bilhão de anos com a formação de
rochas. Nos quatro maiores planetas – Júpiter, Saturno, Urano e Netuno -, a atividade gasosa em ebulição continua atualmente,
semelhante ao que era no início do sistema Solar.
Apenas a Terra tem um tamanho que produz um equilíbrio gravitacional e eletromagnético, o que permite que uma crosta sólida de rocha
se forme em torno de um núcleo em chamas.
Também apenas a Terra tem uma posição em relação ao Sol, uma distância média de 93 milhões de milhas, que estabelece uma faixa
de temperatura na qual moléculas complexas podem se formar. Dentro de nosso sistema solar, somente aqui na Terra a atividade
química continua em constante transformação.
Medimos o tempo que a Terra demora para percorrer toda a órbita ao redor do Sol, chamado de um ano, aproximadamente 365 dias. A
Terra gira em torno do seu próprio eixo enquanto gira em torno do Sol. Esse eixo é um pouco inclinado, cerca de 23,5 graus, de modo
que os polos magnéticos da Terra não são perpendiculares ao Sol.
Nosso eixo inclinado significa que, enquanto a Terra está de um lado do Sol, um hemisfério se inclina em direção a ele e recebe mais luz
solar; e enquanto a Terra está do outro lado do Sol, o outro hemisfério o faz.
Essa inclinação de nosso eixo conforme giramos cria as estações aqui na Terra, pois, se girássemos em um eixo vertical, os dois
hemisférios receberiam a mesma quantidade de luz solar durante todo o ano. Todos os outros planetas giram em um eixo vertical, exceto
Urano, que gira em um eixo quase horizontal. A Figura 18 ilustra a inclinação do eixo da Terra em relação ao Sol.
 
Imagem: Shutterstock.com
 Figura 18: Ilustração do eixo da Terra em relação ao Sol.
Durante seu primeiro meio bilhão de anos, a Terra primitiva sofreu o choque de colisões com meteoros, asteroides e planetoides.
Precisamos apenas olhar para a superfície de nossa lua para ver uma paisagem rochosa com as marcas dessas primeiras colisões; a
lua é tão pequena que rapidamente perdeu seu calor interno e preservou sua superfície original.
A Terra era grande o suficiente - com um núcleo quente o suficiente para que o calor daqueles primeiros impactos a mantivesse fervendo
dia e noite - para que nenhuma marca das colisões pudesse se formar.
Quando a Terra esfriou o suficiente para que as rochas se formassem, plumas de lava derretida subiram, trazendo produtos químicos
forjados do interior para a superfície, mudando continuamente sua atmosfera, composta principalmente de metano, hidrogênio, amônia e
carbono. Tempestades elétricas gigantescas, com imensos raios e trovões, agitaram a panela química.
 COMENTÁRIO
Após cerca de meio bilhão de anos de gestação, a Mãe Terra estava pronta para produzir moléculas vivas. E assim a nossa História
começou.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre a origem do Universo através da teoria do Big Bang.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. QUAIS DAS SEGUINTES AFIRMAÇÕES SOBRE NOSSO SISTEMA SOLAR ESTÁ INCORRETA?
A) A distância entre corpos celestes é medida em anos-luz.
B) Todos os planetas foram formados no mesmo período em algum momento.
C) Nosso sistema solar consiste em nove planetas.
D) Nosso sistema solar consiste em oito planetas.
E) O Sol estava rodeado por nebulosa solar contendo principalmente hidrogênio e hélio junto com o que pode ser denominado como
poeira.
2. A TEORIA DO BIG BANG É A MAIS BEM FUNDAMENTADA QUE BUSCA EXPLICAR A ORIGEM E A
EVOLUÇÃO DO UNIVERSO. DE ACORDO COM ESSA TEORIA, EM ALGUM MOMENTO ENTRE DEZ E
VINTE BILHÕES DE ANOS ATRÁS, TODA A MATÉRIA E ENERGIA FORAM COMPRIMIDAS EM UMA
PEQUENA BOLA COM APENAS ALGUNS QUILÔMETROS DE DIÂMETRO. ENTÃO, EM UM MOMENTO NO
TEMPO, A BOLA EXPLODIU, LANÇANDO ENERGIA NO ESPAÇO. 
NESSE CONTEXTO, ANALISE AS AFIRMATIVAS A SEGUIR. 
I. NO MOMENTO DA EXPLOSÃO, TODAS AS PARTÍCULAS DA MATÉRIA SE ENCONTRAVAM EM UM
ESTADO DE DISSOCIAÇÃO COMPLETA E PERMANENTE, EM FUNÇÃO DO CALOR EXTREMO. ESSE
MOMENTO PODE SER CONSIDERADO COMO O “CAOS PRIMORDIAL”. 
II. CERCA DE 1 MILHÃO DE ANOS DEPOIS DA GRANDE EXPLOSÃO FORMARAM-SE OS PRIMEIROS
ÁTOMOS. 
III. LOGO APÓS A OCORRÊNCIA DO BIG BANG O UNIVERSO SE EXPANDIU E, COMO CONSEQUÊNCIA,
A TEMPERATURA COMEÇOU A BAIXAR. 
 
DE ACORDO COM A TEORIA DO BIG BANG , ASSINALE:
A) Somente a afirmativa I está correta.
B) As afirmativas I e III estão corretas.
C) As afirmativas I e III estão corretas.
D) As afirmativas II e III estão corretas.
E) Todas as afirmativas estão corretas.
GABARITO
1. Quais das seguintes afirmações sobre nosso sistema solar está incorreta?
A alternativa "C " está correta.
 
Nosso sistema solar consiste em oito planetas. A nebulosa da qual nosso sistema solar supostamente foi formado começou seu colapso
e formação do núcleo há cerca de 5 a 5,6 bilhões de anos, e os planetas foram formados há cerca de 4,6 bilhões de anos. Nosso
sistema solar consiste no Sol (a estrela), 8 planetas, 63 luas, milhões de corpos menores como asteroides e cometas, e uma grande
quantidade de grãos de poeira e gases.
Todos os planetas foram formados no mesmo período, cerca de 4,6 bilhões de anos atrás. Até recentemente (agosto de 2006), Plutão
também era considerado um planeta. No entanto, em uma reunião da União Astronômica Internacional, foi decidido que Plutão, assim
como outros objetos celestes descobertos recentemente, pode ser chamado de "planeta anão".
2. A Teoria do Big Bang é a mais bem fundamentada que busca explicar a origem e a evolução do Universo. De acordo com
essa teoria, em algum momento entre dez e vinte bilhões de anos atrás, toda a matéria e energia foram comprimidas em uma
pequena bola com apenas alguns quilômetros de diâmetro. Então, em um momento no tempo, a bola explodiu, lançando
energia no espaço. 
Nesse contexto, analise as afirmativas a seguir. 
I. No momento da explosão, todas as partículas da matéria se encontravam em um estado de dissociação completa e
permanente, em função do calor extremo. Esse momento pode ser considerado como o “caos primordial”. 
II. Cerca de 1 milhão de anos depois da grande explosão formaram-se os primeiros átomos. 
III. Logo após a ocorrência do Big Bang o Universo se expandiu e, como consequência, a temperatura começou a baixar. 
 
De acordo com a teoria do Big Bang , assinale:
A alternativa "B " está correta.
 
À medida que o Universo esfriava, os menores constituintesda matéria que conhecemos atualmente, chamados quarks, começaram a
se agrupar em grupos de três, formando prótons e nêutrons.
Isso ocorreu cerca de cem milésimos de segundo após o Big Bang, quando a temperatura havia esfriado para cerca de um milhão de
vezes mais quente do que o interior do Sol. Um centésimo de segundo depois, esses prótons e nêutrons começaram a se unir para
formar o que mais tarde se tornariam os núcleos dos dois elementos mais leves, hidrogênio e hélio.
MÓDULO 2
 Reconhecer, a partir de uma sequência cronológica dos modelos atômicos, como nossa compreensão moderna do átomo
evoluiu ao longo do tempo
MODELOS ATÔMICOS FILOSÓFICOS E CIENTÍFICOS
A existência dos átomos foi proposta há mais de 2.000 anos pelos filósofos gregos, mas tornou-se parte da Física e da Química apenas
no século XIX.
Durante séculos, a teoria atômica esteve quase completamente obscurecida pela ideia dominante da matéria como um continuum, e até
mesmo grandes físicos e químicos como Lord Kelvin, Helmholtz e Lavoisier tiveram dificuldade em acreditar que os átomos eram uma
verdadeira realidade física, continuando a considerá-los no máximo como um conceito metafísico puro, sem interesse prático para sua
atividade científica.
Mesmo quando a ideia aristotélica da matéria se estabeleceu como um continuum, limites e dificuldades começaram a surgir. A oposição
à teoria atômica tinha, no entanto, também profundos fundamentos religiosos e filosóficos conceituais, que tornavam extremamente difícil
aceitar a existência real de entidades invisíveis como os átomos, já que isso destruiria automaticamente algumas teorias bem
estabelecidas da época. 
As razões fundamentais para recusar a existência dos átomos podem ser resumidas da seguinte maneira:
1
O contraste entre o discreto e contínuo nas teorias físicas.
2
A transferência da divisibilidade infinita da geometria para o mundo físico.
3
A discussão sobre a existência do vazio.
4
A dificuldade em aceitar a ação a distância.
Na história do desenvolvimento do conceito da estrutura atômica da matéria, os argumentos contra a existência de entidades
microscópicas foram frequentemente inter-relacionados e contaminados por crenças religiosas e por problemas pessoais. Sua
eliminação foi um processo lento, mas constante, que eventualmente leva ao crescimento da ciência moderna.
A civilização ocidental se originou na Grécia, mas muitas das ideias desenvolvidas pelos filósofos gregos tiveram suas raízes nas antigas
civilizações do Extremo Oriente. No entanto, os filósofos gregos foram os primeiros a fazer perguntas lógicas sobre as ciências naturais
e a buscar explicações racionais para os fenômenos físicos.
Na sequência serão descritos, de forma cronológica, os principais filósofos e cientistas que contribuíram de modo determinante para o
desenvolvimento da estrutura atômica atual.
MODELOS ATÔMICOS FILOSÓFICOS
Historicamente, o primeiro conceito da estrutura atômica da matéria foi desenvolvido pelo filósofo grego Leucipo (cerca de 440 a.C.) e
seu discípulo Demócrito (460–370 a.C., Figura 19), que propuseram que a matéria fosse formada por “partículas indivisíveis”,
infinitamente pequenas. Esses filósofos deram o nome a essa partícula de "átomo" (do grego: átomos =indivisível).
Fora dos átomos existe apenas o espaço vazio (um vácuo). Diferentes átomos diferem em tamanho e forma e as propriedades
características da matéria são, de acordo com esse modelo, devido a diferentes arranjos de iguais ou diferentes átomos. Todas as
mudanças observáveis no mundo macroscópico são causadas por mudanças correspondentes na composição atômica. Movimentos
atômicos e colisões entre átomos criam e modificam a matéria.
 
Encontramos aqui pela primeira vez a ideia de que as propriedades de corpos macroscópicos podem ser explicadas pelas características
de seus constituintes. Essa hipótese foi uma extensão e refinamento de ideias anteriores por Empédocles (490-430 a.C.), que acreditava
que tudo é composto de quatro constituintes elementares: Fogo, água, terra e ar.
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O conceito de Demócrito representa de certo modo uma simbiose das diferentes doutrinas dos filósofos pré-socráticos.
Primeiro, a hipótese estática de Parmênides (por volta de 480 a.C.) sobre a imutável existência eterna do mundo e, em segundo lugar, a
doutrina dinâmica de Heráclito (cerca de 480 A.C.), que destaca como o ponto mais importante a evolução em vez da natureza estática
das coisas, uma vez que tudo muda com o tempo (ninguém pode mergulhar duas vezes no mesmo rio como mesmo homem, pois o rio,
assim como o homem, está mudando com o tempo).
De acordo com Demócrito, os átomos representam a natureza estática enquanto seus movimentos e sua composição em mudança
explicam a diversidade da matéria e sua evolução no tempo.
 
Foto: Shutterstock.com
 Figura 19. Demócrito . (460–370 a.C.)
 Figura 20. Sólidos de Platão.
O famoso filósofo grego Platão (427-347 a.C.) levou a abstração do conceito ainda mais longe. Ele usou a hipótese dos quatro
"elementos" fogo, ar, água e terra, mas atribuiu a esses elementos quatro estruturas geométricas regulares tridimensionais, formadas por
estruturas simétricas, triangulares ou quadradas (Figura 20).
FOGO
Relacionado com o tetraedro (quatro triângulos equiláteros)
AR
O octaedro (oito triângulos equiláteros)
ÁGUA
O icosaedro (20 triângulos equiláteros)
TERRA
Particularmente importante para a humanidade, cubo (seis quadrados ou 12 triângulos isósceles).
As ideias de Platão reduziram, no entanto, os átomos às estruturas matemáticas que não são necessariamente baseadas na existência
real da matéria.
 
Esses "átomos matemáticos" podem mudar suas características modificando a disposição dos triângulos elementares. Isso é, de acordo
com Platão, equivalente à evolução observável de matéria (WOLFGANG, 2017).
 Figura 21. Aristóteles. 384 -322 a.C.
Aristóteles (Figura 21), um estudante de Platão, não aceitava esse conceito de átomos, uma vez que contradiz com sua ideia de um
espaço contínuo preenchido com matéria. Tampouco acreditava na existência de espaço vazio entre os átomos. Sua influência foi tão
grande que a hipótese de Demócrito foi quase abandonada e esquecida.
 
Um pouco mais tarde, a hipótese de Aristóteles foi revivida e modificada por Epicuro (341-271 a.C.), que atribuiu aos átomos não apenas
tamanho, mas também uma massa para explicar por que os corpos caem.
Depois de Epicuro, a teoria atômica foi esquecida por muitos séculos devido à influência da igreja cristã, que não aceitava a visão
materialista de que tudo, mesmo os seres humanos, deve ser composto de átomos, o que parecia estar em contradição com a crença
em Deus como o criador dos corpos e da alma.
Havia, ocasionalmente, tentativas de reviver a ideia atômica, em parte, induzida por cientistas árabes, mas esses não tiveram sucesso.
Um exemplo foi Prior Nikolaus de Autrecourt, na França, que foi forçado em 1348 a "retirar-se" com seu recém-desenvolvido conceito
atômico.
 COMENTÁRIO
A grande lacuna de todas essas hipóteses filosóficas foi, principalmente, a falta de prova experimental. As hipóteses eram mais
especulativas.
O modelo da matéria contínua de Aristóteles foi adotado pelos filósofos e pensadores até o final do séc. XVI d.C (WOLFGANG, 2017).
MODELOS ATÔMICOS CIENTÍFICOS
Nessa etapa do curso, iremos discutir as provas experimentais mais importantes para a existência real de átomos. Além disso, algumas
medidas que permitiram a determinação quantitativa de todas as características atômicas serão detalhadas, como: tamanho, massa,
distribuição de carga e estrutura interna.
Esses experimentos provam sem dúvida que os átomos existem, mesmo que ninguém nunca tenha visto diretamente por causa de seu
pequeno tamanho.
 
JOHN DALTON (1766-1844)
As primeiras investigações experimentais básicas que levaram a um modelo atômico mais concreto, além das especulativas hipótesesdos filósofos gregos, foram realizadas durante o início do século XIX. O químico e físico inglês John Dalton propôs o primeiro modelo
atômico da era moderna.
Mais precisamente em 1803, Dalton publicou um trabalho intitulado Absorption of Gases by water and other liguids (Absorção de gases
pela água e outros líquidos.) , em que enunciava a lei das pressões parciais, ou lei de Dalton, e reintroduzia o conceito de átomos como
partículas indivisíveis.
A partir dos resultados experimentais, Dalton desenvolveu seu modelo atômico em 1803, em que o átomo seria uma minúscula esfera
maciça, contínua, indivisível e neutra, que ficou conhecida como “modelo de bola de bilhar” (Figura 22). Para Dalton, todos os átomos de
um mesmo elemento químico são idênticos.
 
Em 1810 foram publicados testes de comprovação da lei das pressões parciais de Dalton. Apesar da simplicidade, foi o modelo atômico
de Dalton que inspirou os cientistas a considerar novamente o átomo como uma possível estrutura elementar da natureza (WOLFGANG,
2017).
 
Foto: Nilséia A. Barbosa.
 Figura 22. Átomo de Dalton.
JOSEPH JOHN THOMPSON (1856-1940)
Mesmo antes da estrutura atômica ter sido confirmada por experiências, suspeitava-se que os átomos tinham uma estrutura interna
formada por partículas carregadas.
Várias foram as evidências, observadas antes de 1900, que levaram a essa convicção, como:
EXPERIÊNCIA DE FARADAY SOBRE ELETRÓLISE:
Detectava a presença de partículas carregadas, ou íons em soluções.
EMISSÃO DE RADIAÇÃO PELA MATÉRIA:
Indicava a existência de alguns tipos de oscilações de cargas no interior de sistemas atômicos.
FENÔMENOS RADIOATIVOS:
Demonstravam a habilidade de alguns elementos emitirem partículas carregadas.
O elétron é a partícula carregada mais importante na formação da estrutura da matéria. Essa partícula foi identificada em 1897 por
Joseph John Thomson por meio de medições precisas da razão entre a carga (e) e a massa (m) do elétron (e/m). Thomson identificou o
elétron observando feixes de partículas carregadas, submetidas a campos elétricos e magnéticos, em um tubo de raios catódicos, como
mostra a Figura 23.
 Figura 23. a) Experimento de Thomson Sharon.
 
Imagem: Shutterstock.com
 Figura 23. b) Modelo atômico de “pudim de ameixas” de Thomson.
A carga negativa do elétron foi identificada observando a deflexão do feixe quando submetido aos campos elétricos e magnéticos
transversais. Thomson determinou a razão e/m atuando no valor do campo elétrico aplicado, até que as forças elétrica e magnética
ficassem iguais. Essa condição é alcançada quando a deflexão do feixe deixa de ser observada em uma tela fosforescente.
Nas condições de equilíbrio, os átomos são neutros e, nesse caso, o número de cargas negativas é igual ao número de cargas positivas.
Como a massa do elétron é muito menor do que a massa do átomo, praticamente toda a massa do átomo deveria estar associada à
massa das cargas positivas.
Com essas considerações, Thomson propôs o seu modelo atômico, segundo o qual os elétrons estariam localizados no interior de uma
distribuição contínua de carga positiva. Para ele, a forma da distribuição da carga positiva deveria ser esférica, de diâmetro da ordem de
10-10 metros, obtido a partir da densidade de um sólido e do número de Avogadro.
Por causa de repulsões mútuas, os elétrons estariam uniformemente distribuídos na esfera de carga positiva como na Figura 23 b, em
uma configuração conhecida como “pudim de ameixas”.
Thomson esperava que as frequências observadas da luz poderiam ser explicadas a partir dos movimentos periódicos dos elétrons no
interior da esfera carregada positivamente. Entretanto, essa concepção não estava correta, como ficaria demonstrado em experimentos
posteriores (WOLFGANG, 2017).
ERNEST RUTHERFORD (1871-1937)
 Figura 24. a) Montagem experimental de Rutherford para estudar o espalhamento de partículas alfa por películas metálicas
delgadas.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa.
Nascido em Nova Zelândia, Ernest Rutherford, ex-aluno de Thomson, demonstrou definitivamente a inviabilidade do modelo atômico de
Thomson. Rutherford já tinha recebido o Nobel de Química em 1908 pela investigação do decaimento de substâncias radioativas.
Entretanto, seu maior sonho como um físico era dar contribuições relevantes para a Física.
Rutherford sabia que as partículas alfa (a) eram átomos de hélio duplamente ionizados, ou seja, átomos de He com dois elétrons
retirados. Rutherford estudou o espalhamento de partículas a por películas metálicas delgadas usando a montagem experimental
mostrada na Figura 24.
 
As partículas a são emitidas por uma fonte radioativa e colimadas por um par de diafragmas de chumbo. Com esse procedimento, forma-
se um feixe com N0 partículas a por unidade de tempo que, ao atingir perpendicularmente a superfície metálica delgada, passa por meio
dela sem grandes dificuldades.
 
Foto: Shutterstock.com
 Figura 24. b) Contagem do número N de partículas alfa, por unidade de tempo, espalhadas em função do ângulo de espalhamento
Φ.
 COMENTÁRIO
Por causa de forças coulombianas, as partículas Φ sofrem diversas deflexões no interior da película e emergem como um feixe
divergente. As partículas Φ emergentes são detectadas por um cristal de sulfeto de zinco (ZnS), que tem a propriedade de produzir
cintilações quando atingido por essas partículas. Utilizando um microscópio, conta-se o número N de cintilações, ou partículas Φ, por
unidade de tempo, para vários ângulos de espalhamento Φ.
O modelo atômico de Thomson pode ser analisado teoricamente por meio de uma formulação estatística do espalhamento de partículas
Φ em átomos de Thomson. Pode-se supor o espalhamento de uma partícula Φ de um ângulo Φ, por um único átomo de Thomson, como
mostra a Figura 25.
Ao longo de toda espessura l da película metálica, o ângulo de espalhamento Φ pode variar de zero a 180°. Utilizando a teoria
estatística, conhecida como “caminhada aleatória” (“random walk ”), é possível fazer previsões sobre a distribuição dos ângulos de
espalhamento Φ das partículas Φ, em uma película metálica formada por átomos de Thomson.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa.
 Figura 25: Espalhamento de uma partícula alfa por um átomo de Thomson.
De acordo com essa teoria, o número de partículas α , por unidade de tempo, espalhadas no intervalo angular entre Φ e Φ + dΦ, é:
N(Φ)dΦ  =   Φe−Φ2
/Φ;2eff dΦ
2N0
Φ;2eff
EM QUE 
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Nessa última equação, n é o número total de átomos espalhados e Φeff = (Φ), é o valor efetivo do ângulo de espalhamento por um único
átomo espalhado, correspondente a N ≈0,68Nmax, onde Nmax é o valor máximo de N e (Φ) representa o valor médio.
 
A Figura 24 b) mostra o comportamento de N em função Φ de de acordo com a equação 1.
 
Valores de ângulos de espalhamento Θ podem ser calculados hipoteticamente incidindo partículas α , uma a uma, em um átomo de
Thomson. De posse de um conjunto grande desses valores, é possível determinar o valor máximo de Θ e o valor efetivo de Φeff.
 COMENTÁRIO
Sabe-se que a massa da partícula α é muito maior do que a massa do elétron, e que sua repulsão coulombiana na distribuição contínua
de cargas do átomo de Thomson deve ser pequena por causa da pequena dimensão atômica (~10 -10m).
Com o objetivo de comparar os resultados teóricos obtidos com o modelo de Thomson, Rutherford realizou uma série de experimentos
de espalhamento de partículas utilizando uma película de ouro de espessura de 1 micrometro.
Os experimentos de Rutherford consistiam na contagem do número N de partículas , por unidade de tempo, para vários ângulos de
espalhamento . De posse de um grande número de medidas, Rutherford concluiu que o ângulo efetivo Φ eff é ~ 1°.
Mas, por outro lado, concluiu que o número de partículas espalhadas em ângulos , maiores do que 90° é 10-4N0, o que está em total
desacordo com a previsão teórica, próxima de zero, obtida do modelo atômicode Thomson.
 COMENTÁRIO
A probabilidade pequena, porém, não nula, para o espalhamento de partículas α em grandes ângulos, não poderia ser aplicada em
termos de modelo atômico de Thomson. Rutherford observou que algumas partículas α eram espalhadas por ângulos muito grandes, até
180°. Para Rutherford, isso era tão incrível como atirar uma pedra contra um papel de seda e a pedra retornar na direção do atirador.
Baseado no fato de que algumas partículas α poderiam ser espalhadas por ângulos maiores do que 90°, em 1911, Rutherford propôs um
novo modelo atômico. Nesse modelo, toda a carga positiva do átomo e, portanto, praticamente toda a sua massa, estaria concentrada
em uma pequena região denominada núcleo atômico (Figura 26). Seu modelo ficou conhecido e famoso como “modelo planetário dos
átomos”.
Se a partícula passasse suficientemente próxima ao núcleo, devido a uma forte repulsão coulombiana, poderia ser espalhada por um
ângulo grande, mesmo que atravessasse um único átomo.
Rutherford utilizou seu modelo atômico para calcular a distribuição angular esperada no espalhamento de partículas para o caso de
ângulos grandes. Assim, o espalhamento poderia ser atribuído somente à força coulombiana repulsiva com o núcleo atômico.
 
Além disso, os cálculos de Rutherford consideravam somente espalhamentos por átomos pesados, de modo que o núcleo não recuasse
e nem fosse penetrado durante o espalhamento (WOLFGANG, 2017).
Φeff = √nΦeff
 
Cburnett - commons.wikimedia.org©
 Figura 26: Átomo de Rutherford.
NIELS BOHR (1885-1962)
Antes de apresentar o modelo atômico de Niels Bohr, vamos fazer uma rápida passagem por algumas observações experimentais que
antecederam os argumentos e postulados de Bohr, bem como o desenvolvimento do seu modelo.
O sucesso do modelo atômico de Rutherford inspirou Niels Bohr a imaginar uma separação no domínio físico dos átomos, em que os
elétrons estariam associados às propriedades químicas dos elementos, enquanto o núcleo seria responsável por comportamentos
radioativos.
Essa proposta revelava uma correlação entre o número de elétrons no átomo e sua localização em uma tabela periódica de elementos.
 COMENTÁRIO
Evidências do comportamento quântico da matéria já tinham sido observados bem antes da época de Bohr e Rutherford. Uma das mais
notáveis evidências desse comportamento era a emissão do espectro eletromagnético por átomos.
A Figura 27 mostra o esquema de um espectrógrafo utilizado para observação do espectro atômico.
A fonte consiste em uma descarga elétrica em um meio que contém um gás monoatômico. Os átomos são colocados fora do equilíbrio
por colisões com elétrons da descarga. Ao voltar ao estado normal, os átomos liberam o excesso de energia emitindo radiação
eletromagnética.
A radiação é colimada por uma fenda e atravessa um prisma, que separa as linhas espectrais que compõem a radiação. Uma rede de
difração poderia também ser usada no lugar do prisma. O espectro é registrado em uma simples chapa fotográfica.
Diferentemente do espectro contínuo da radiação eletromagnética emitida por um corpo negro (corpo ideal que absorve toda a radiação
térmica incidente), a radiação eletromagnética emitida por um átomo livre está concentrada em números discretos de comprimentos de
onda.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 27: Espectrógrafo usado para observação do espectro eletromagnético emitido por átomos.
 COMENTÁRIO
Observa-se que cada espécie de átomo tem o seu próprio espectro característico, isto é, tem um conjunto específico de linhas espectrais
que o identifica. Em geral, os espectros atômicos são extremamente complexos, pois podem conter centenas de linhas. Entretanto, por
conter somente um elétron, o espectro do átomo de hidrogênio é relativamente simples.
No final do século XIX, vários espectros do átomo de hidrogênio foram observados sem que nenhuma explicação satisfatória fosse
realizada.
 
A Figura 28 mostra as linhas emitidas pelo átomo de hidrogênio na região visível do espectro eletromagnético. A primeira interpretação
empírica bem-sucedida desse espectro foi realizada por John Jakob Balmer em 1885.
 Figura 28: Região visível do espectro de hidrogênio.
A regularidade óbvia na sequência das linhas espectrais do hidrogênio, na região do visível, induziu Balmer a propor o seguinte
comportamento para os comprimentos de onda observados:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que ni = 3, 4, 5...., correspondem, respectivamente, às linhas α,β,γ.... do espectro. A partir da equação 3, Balmer conseguiu
reproduzir, com uma precisão de 0,1%, os comprimentos de onda das noves linhas da única série do átomo de hidrogênio conhecida na
época.
 
λ =  364, 6(nm) ni
2
n2i−4
Após a descoberta de Balmer, várias tentativas foram realizadas para explicar outras séries de linhas observadas em outros elementos.
O resultado para o átomo de hidrogênio foi generalizado em 1890 por Johannes Robert Rydberg, quando observou que a equação 3
poderia ser escrita como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que RH é denominado constante de Rydberg para o hidrogênio. De acordo com os dados espectroscópicos recentes, RH =
10,9677576μm-1
Rydberg interpretou a equação 4 como sendo um caso particular de uma expressão mais geral para o átomo de hidrogênio dada por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A introdução do novo índice nj permitiria descrever outras possíveis séries de linhas espectrais do hidrogênio, além do espectro visível
(ni = 2) observado por Balmer.
 
Linhas espectrais do hidrogênio para ni = 3, observadas na região do infravermelho, foram descobertas por Louis Kare Heinrich Friedrich
Paschen em 1908. Em 1914, Theodore Lyman descobre as linhas associadas a n j =1, observadas na região do ultravioleta. Outras
séries foram também reveladas mais tarde no espectro infravermelho. A Tabela 1 resume as principais séries observadas a partir dos
resultados de Rydberg.
Tabela 1: Séries de linhas espectrais mais importantes observadas no átomo de hidrogênio.
Nome Região Fórmula
Lyman Ultravioleta (UV)
Balmer U.V próximo e visível
Paschen Infra Vermelho
Brackett Infra Vermelho
PFund Infra Vermelho
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
= ( )  = ( − ) = ( − ) =  RH( − )1λ
1
364,6nm
ni
2 − 4
ni2
1
364,6nm
1
1
4
n2i
4
364,6nm
1
4
1
n2i
1
22
1
n2i
= RH( − ) em que j > i1λ
1
nj2
1
ni
2
= RH( − );  ni  =  2, 3, . . .1λ
1
12
1
ni2
= RH( − );  ni  =  3, 4, . . .1λ
1
22
1
ni2
= RH( − );  ni  =  4, 5, . . .1λ
1
32
1
ni2
= RH( − );  ni  =  5, 6, . . .1λ
1
42
1
ni2
= RH( − );  ni  =  6, 7, . . .1λ
1
52
1
ni2
Assim, os resultados empíricos de Balmer e Rydberg, além de fornecer uma descrição quantitativa de cada linha espectral, tornou
possível também a abertura de todo o código espectral do átomo de hidrogênio.
 COMENTÁRIO
Um dos resultados mais notáveis observados nos espectros atômicos foi o fato de que as linhas espectrais são discretas. No modelo
atômico de Rutherford, os elétrons se movem em torno do núcleo sob influência de uma força coulombiana. Nesse modelo, os elétrons
poderiam emitir somente radiações contínuas, resultantes dos seus movimentos acelerados.
As leis clássicas do eletromagnetismo preveem que o sistema atômico poderia ter perdas radioativas de energia, levando o átomo a uma
instabilidade intrínseca. Assim, o elétron poderia entrar em colapso com o núcleo enquanto a radiação fosse emitida continuamente.
Esse efeito é uma consequência do tratamento clássico do modelo atômico de Rutherford.
Muitos teóricos tentaram desenvolver modelos que pudessem explicar os resultados experimentais descritos acima. No entanto, a
maioria desses modelos poderia descrever alguns resultados, mas nem todos de forma consistente e sem quaisquer contradições.
Depois de muitos esforços, Nils Bohr, em 1913 (Figura 29), a partirdo modelo atômico de Rutherford, “modelo planetário dos átomos”,
resolve o problema da instabilidade atômica, a exemplo de Planck e Einstein, rompendo com os princípios fundamentais da Física
clássica (WOLFGANG, 2017).
Sua proposta daria importantes contribuições para o desenvolvimento da teoria quântica. A motivação principal de Bohr para propor seu
ousado modelo atômico foi a regularidade dos espectros atômicos observados.
 
Foto: Library of Congress - commons.wikimedia.org©
 Figura 29. Nils Bohr (1885-1962).
O modelo atômico de Bohr tem como base os seguintes postulados:
1
Na eletrosfera, os elétrons no átomo podem se mover, somente, em órbitas discretas, as quais definem os estados estacionários ao
redor do núcleo, de onde não emitem e nem absorvem radiação eletromagnética.
2
A emissão de radiação eletromagnética ocorre somente quando o elétron faz uma transição de um estado estacionário para outro.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 30. Estados estacionários representados por um sistema de dois níveis de energia no átomo de Bohr.
Como se vê na Figura 30, na transição entre estados estacionários, o átomo pode emitir, ou absorver, um fóton de energia.
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O primeiro postulado elimina o problema da instabilidade atômica assumindo que a emissão de radiação por cargas aceleradas,
simplesmente, não ocorre com elétrons atômicos.
Uma consequência imediata do primeiro postulado está associada à quantização do momento angular do elétron atômico. Tendo
como base observações empíricas de espectros do átomo de hidrogênio, Bohr concluiu que os momentos angulares nas orbitas
atômicas são múltiplos inteiros da constante:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que n = 1, 2, 3... e a constante h , que se lê “ h cortado”, possui dimensões de momento angular e tem um destaque especial na
teoria quântica.
 COMENTÁRIO
A única evidência que havia para justificar os postulados de Bohr, nas quais se baseia o seu modelo atômico, era a observação
experimental do espectro do átomo de hidrogênio. O átomo de hidrogênio faz parte de um sistema atômico mais geral, denominado de
ΔE  =  hv = hc
λ
→
L
Ln  =  nh
h = = 1, 055x10−34J. sh
2π
átomos monoeletrônicos, que possuem somente um elétron na sua constituição.
Além do hidrogênio (Z = 1), exemplos desses sistemas atômicos são: átomo de Hélio (Z =2) ionizado, átomo de Lítio (Z =3) duplamente
ionizado etc.
Todas as considerações para resolver o problema do átomo de duas partículas foram limitadas a argumentos puramente clássicos. A
primeira consideração quântica do problema está associada a uma das consequências dos postulados de Bohr que trata da quantização
do momento angular e que permite identificar a equação 7 com a equação do momento angular clássico:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Como no modelo atômico de Bohr, o elétron de (carga -e e massa me) e o núcleo de (massa mN e carga +Ze) se movem em um círculo
de raio r (r= distância do núcleo até o elétron). Esse movimento de dois corpos pode ser descrito a partir do centro de massa do sistema
pelo movimento de uma única partícula com massa reduzida μ = (memN)/(me + mN) ≈ me
O equilíbrio entre as forças coulombiana e centrípeta pode ser escrito da seguinte maneira:
 
Em que:
 
 
Assim, elevando ambos os lados da equação 11 ao quadrado, temos:
 
 
Resolvendo para: rn=n2a0
Em que:
 
Ln = mvr = nh
(Fe  =   )14π∈0
e2
r2
(Fc = )μv
2
r
Fe = =
1
4π∈0
e2
r2
μv2
r
V = Ou V   =  Vn  =
e
√4π∈0μr
nh
μr
=n
2h2
μ2r2
e2
4π∈0μr
rn  =  n
2a0  e  a0  =  
4π∈0h
2
μe2
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que a0 é um parâmetro importante, denominado de raio de Bohr. Essa quantidade é utilizada como uma escala de comprimento em
problemas de Física atômica, e representa o diâmetro do átomo de hidrogênio (no seu estado de mais baixa energia, n=1, ou estado
fundamental).
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A energia potencial U para o átomo monoeletrônico é dada diretamente em termos da variável relativa r como:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que Z é o número de cargas positivas (prótons) no núcleo do átomo.
A energia total E do sistema de duas partículas pode ser calculada somando a equação 15 com a energia cinética Ec = ½ μv2, isto é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Da equação 11, temos que e substituindo na equação da Ec, temos:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A equação 16, da energia total do sistema, fica então:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
 COMENTÁRIO
Deve-se observar que a energia total E do átomo monoeletrônico é uma quantidade negativa, pois, em módulo, a energia potencial
negativa U é maior do que a energia cinética positiva Ec, resultando em um sistema de estado ligado. Além disso, a equação 18 mostra
que a energia total E do átomo monoeletrônico é igual, em módulo, à energia cinética Ec das partículas que formam o átomo de Bohr.
r1 = 1a0 ≈ 0, 05x10
−9m = 0, 05nm
U = − 14π∈0
Ze2
r
E = −
μv2
2
Ze2
4π∈0r
v = e
√4π∈0μr
Ec = =
μv2
2
1
2
Ze2
4π∈0r
E = − = −Ec = −12
Ze²
4π∈0r
Ze2
4π∈0r
1
2
Ze2
4π∈0r
Assim como o raio orbital r0 é quantizado, tem-se também a quantização na energia E quando se insere a equação 13 na equação 18,
isto é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que Ry= representa a constante de Rydberg, expressa em unidade de energia (Joule).
Isso mostra que a energia total do átomo no centro de massa do sistema (que é quase igual à energia do elétron) só pode ter valores
discretos para estados de energia estacionários, descritos pelo número quântico n =1, 2, 3. . .; tal estado de energia estacionária do
átomo é chamado de estado quântico.
Em seu estado mais baixo possível (estado fundamental), 
Portanto, a energia positiva −E1 é a energia necessária para ionizar o átomo em seu estado fundamental, chamada de energia de
ionização. Para o No átomo de hidrogênio, a energia de ionização é E0 =13,6 eV
Logo:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
O maior valor de n se refere ao estado excitado de maior energia e maior órbita de Bohr, ocorrendo quando se faz n → ∞, isto é:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Nesse caso, as duas partículas têm separação infinita e nenhuma interação. Assim, o valor limite n → ∞ está associado a uma condição
limiar para ionização do átomo.
Apenas energias que satisfaçam a equação 20 são permitidas. O próximo nível de energia, o primeiro estado excitado, tem n = 2 e
energia E2 = E0 / 22 = - 3,401 eV. A Figura 32 é um diagrama de nível de energia que mostra as energias desses estados discretos e os
números quânticos n correspondentes. O nível mais alto corresponde a n∞ (ou r = ∞) e E = 0.
En = − = − = −Ry1
2
Ze2
4π∈0rn
μz2e4
8∈02h2n2
z2
n2
Ry =
μe4
8∈02h2
En = −Ry = E1 = −Ry = −RyZ2Z
2
n2
Z2
12
En = −
E0
n2
r∞ = ∞eE∞ = 0
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 31: Ilustração das três primeiras órbitas circulares previstas pelo modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 32: Diagrama de nível de energia para o átomo de hidrogênio. As setas verticais representam as quatro transições de energia
mais baixa para cada uma das séries espectrais mostradas.
 COMENTÁRIO
A maior credibilidade do modelo atômico de Bohr está nas corretas previsões realizadas, primeiramente, com o átomo de hidrogênio.
Essas previsões podem ser verificadas examinando os comprimentos de onda no espectro de emissão do átomode Bohr.
Neste vídeo, você conhecerá um pouco sobre os modelos atômicos filosóficos e científicos.
VERIFICANDO O APRENDIZADO
1. QUAL É A SEQUÊNCIA CORRETA DOS CIENTISTAS QUE FIZERAM MUDANÇAS IMPORTANTES NO
MODELO DO ÁTOMO CLÁSSICO? 
 
1-J. J. THOMSON 
2-JOHN DALTON 
3-NIELS BOHR 
4-ERNEST RUTHERFORD
A) 2, 1, 3, 4
B) 2, 1, 4, 3
C) 3, 2, 1, 4
D) 4, 3, 2, 1
E) 3, 1, 4, 2
2. O FILÓSOFO GREGO LEUCIPO (CERCA DE 440 A.C.) E SEU DISCÍPULO DEMÓCRITO (460–370 A.C.)
DEFENDIAM A TESE DE QUE A MATÉRIA ERA CONSTITUÍDA DE “PARTÍCULAS QUE SERIAM
INDIVISÍVEIS”, INFINITAMENTE PEQUENAS. ESSES FILÓSOFOS DERAM O NOME A ESSA PARTÍCULA DE
"ÁTOMO" (DO GREGO: ÁTOMOS =INDIVISÍVEL). A PARTIR DESSE MODELO, SURGIRAM DIVERSOS
OUTROS. 
ENTRE ELES, HOUVE UM MODELO QUE DESCREVE O ÁTOMO COMO UM NÚCLEO PEQUENO E
CARREGADO POSITIVAMENTE, CERCADO POR ELÉTRONS EM ÓRBITA CIRCULAR, DENOMINADO DE:
A) Modelo atômico grego.
B) Modelo atômico de Bohr.
C) Modelo atômico de Rutherford.
D) Modelo atômico de Schrodinger.
E) Modelo atômico de Thomson.
GABARITO
1. Qual é a sequência correta dos cientistas que fizeram mudanças importantes no modelo do átomo clássico? 
 
1-J. J. Thomson 
2-John Dalton 
3-Niels Bohr 
4-Ernest Rutherford
A alternativa "B " está correta.
 
Dos modelos atômicos científicos, John Dalton foi o primeiro cientista a propor um modelo atômico a partir de resultados experimentais,
nomeando seu modelo de “bola de bilhar”; na sequência, J.J. Thomson comprovou a existência dos elétrons nos átomos, nomeando seu
modelo de “pudim de ameixa”; posteriormente, por volta de 1911, Ernest Rutherford mostra evidências experimentais da existência do
núcleo atômico, nomeando seu modelo de “modelo planetário dos átomos”.
Niels Bohr, em 1913, propôs um modelo para o átomo de hidrogênio que combinava os trabalhos de Planck, Einstein e Rutherford, e que
permitia prever a posição das linhas do espectro do átomo de hidrogênio. Bohr afirmou que o momento angular eletrônico era
quantizado.
2. O filósofo grego Leucipo (cerca de 440 a.C.) e seu discípulo Demócrito (460–370 a.C.) defendiam a tese de que a matéria era
constituída de “partículas que seriam indivisíveis”, infinitamente pequenas. Esses filósofos deram o nome a essa partícula de
"átomo" (do grego: átomos =indivisível). A partir desse modelo, surgiram diversos outros. 
Entre eles, houve um modelo que descreve o átomo como um núcleo pequeno e carregado positivamente, cercado por elétrons
em órbita circular, denominado de:
A alternativa "B " está correta.
 
Na Física atômica, o átomo de Bohr é um modelo que descreve o átomo como um núcleo pequeno e carregado positivamente cercado
por elétrons em órbita circular.
MÓDULO 3
 Avaliar a importância do empirismo para a construção da ciência no que diz respeito à estrutura atômica, a partir da
descrição das várias evidências experimentais de suas partículas constituintes
MODELO ATÔMICO ATUAL
Para o hidrogênio, o modelo atômico de Bohr fez corretas previsões, porém foi considerado como tendo algumas limitações significativas
quando se tratava de elementos diferentes do hidrogênio. Isso porque predições espectrais ruins foram obtidas quando átomos maiores
estão em questão.
 COMENTÁRIO
O modelo de Bohr não pode, por exemplo, prever as intensidades relativas das linhas espectrais e não conseguiu explicar o efeito
Zeeman (o desdobramento das linhas espectrais em vários componentes na presença de um campo magnético).
O modelo atômico dado pela mecânica quântica é o mais moderno, porém complexo. Esse requereu da comunidade científica algumas
mudanças de paradigmas. A estrutura e os ingredientes necessários que culminaram no modelo atômico moderno/atual serão descritos
a seguir.
ERWIN SCHRODINGER (1887-1961)
Erwin Schrodinger, físico austríaco, levou o modelo do átomo de Bohr a um passo adiante (Figura 33). A solução foi obtida com um
modelo mecânico-ondulatório, no qual foi considerado que o elétron possui características tanto de uma onda como de uma partícula
(Figura 34).
 
Foto: GeorgeLouis- commons.wikimedia.org©
 Figura 33. Schrodinger (1887 – 1961).
Ele foi capaz de incorporar o comportamento das partículas (massa) e o comportamento das ondas (uma localização indefinida no
espaço) em uma equação. A função de onda matemática para um elétron forneceu uma maneira de prever a probabilidade de encontrar
o elétron em uma determinada região do espaço (EISBERG; RESNICK, 1994).
Com esse modelo, um elétron não é mais tratado como uma partícula que se move em um orbital discreto; em lugar disso, a posição do
elétron é considerada como a probabilidade de estar em vários locais ao redor do núcleo. Em outras palavras, a posição é descrita por
uma distribuição de probabilidades, ou uma nuvem eletrônica.
 
Imagem: Asafe Ferreira
 Figura 34. Representação do modelo ondulatório para o elétron em torno do núcleo atômico.
 COMENTÁRIO
A probabilidade de encontrar o elétron é maior onde a nuvem é mais densa, ou seja, o elétron tem menor probabilidade de estar em uma
área da nuvem eletrônica menos densa.
Esse modelo atômico ficou conhecido como o modelo da mecânica quântica do átomo. Ao contrário do modelo de Bohr, o modelo da
mecânica quântica não define o caminho exato de um elétron, mas, em vez disso, prevê as chances de localização do elétron.
 
As Figuras 35 e 36 comparam os modelos de Bohr e o modelo quântico: Schrodinger para o átomo de hidrogênio.
 
Foto: Nilséia A. Barbosa
 Figura 35. Comparação entre os modelos atômicos de (a) Bohr e (b) Ondulatório em termos da distribuição de probabilidade.
 
Imagem: Asafe Ferreira
 Figura 36: Representação dos modelos atômicos.
a) Modelo clássico: Trajetórias geométricas dos diferentes orbitais percorridas pelos elétrons.
b) Modelo quântico: Schrodinger. Os orbitais são representados por nuvens eletrônicas (distribuição de probabilidades) envolvendo o
núcleo.
 
Quase ao mesmo tempo em que Schrodinger elaborava a matemática das ondas estacionárias, o físico alemão Werner Heisenberg
(1901-1976) mostrou matematicamente que é impossível determinar simultaneamente a localização e a velocidade exatas de um elétron,
ou de qualquer outra partícula.
Em 1927, Heisenberg apresentou um artigo no qual mostrava que “quanto mais precisamente a posição de uma partícula é determinada,
menos precisamente o momento é conhecido neste instante, e vice-versa”.
 COMENTÁRIO
Isso mais tarde ficou conhecido como o princípio da incerteza de Heisenberg.
OS NÚMEROS QUÂNTICOS (N, L, ML, MS)
Na mecânica ondulatória, cada elétron em um átomo é caracterizado por quatro parâmetros conhecidos como números quânticos. O
tamanho, a forma e a orientação espacial da densidade de probabilidade de um elétron (ou orbital) são especificados por três desses
números quânticos. Adicionalmente, os níveis energéticos de Bohr se separam em subcamadas eletrônicas, e os números quânticos
definem o número de estados em cada subcamada.
As camadas são especificadas por:
QUÂNTICO PRINCIPAL
Um número quântico principal, n, que pode assumir valores inteiros a partir da unidade; às vezes, essas camadas são designadas
pelas letras K, L, M, N, O, e assim por diante, que correspondem, respectivamente, a n = 1, 2, 3, 4, 5, ..., como indicado na Tabela 2.
ORBITAL ELETRÔNICO
Além disso, deve ser observado que esse número quântico, e somente ele, também está associado ao modelo de Bohr. Esse número
quântico está relacionado com o tamanho de um orbital eletrônico (ou com sua distância média até o núcleo).
Tabela 2: Resumo das relações entre os números quânticos: n, l, ml e número de orbitais e elétrons
Valor de n Valor de l Valores de ml Sub camada Número de Orbitais Número de elétrons
1 0 0 1s 1 2
2
0 
1
0 
-1,0,+1
2s 
2p
1 
3
2 
6
3
0 
1 
2
0 
-1,0,+1 
-2,-1,0,+1,+2
3s 
3p 
3d
1 
3 
5
2 
6 
10
4
0 
1 
2 
3
0 
-1,0,+1 
-2,-1,0,+1,+2 
-3,-2,-1,0,+1,+2,+3
4s 
4p 
4d 
4f
1 
3 
5 
7
2 
6 
10 
14
 Atenção! Para visualizaçãocompleta da tabela utilize a rolagem horizontal
O segundo número quântico (ou azimutal), l, define a subcamada. Os valores de l estão restritos pela magnitude de n e podem
assumir valores inteiros que variam entre l = 0 e l = (n – 1). Cada subcamada é designada por uma letra minúscula: s, p, d ou f, que está
relacionada com os valores de l da seguinte maneira:
Valor de l Designação da letra
0 s
1 p
2 d
3 f
 Atenção! Para visualização completa da tabela utilize a rolagem horizontal
Adicionalmente, as formas dos orbitais eletrônicos dependem de l. Por exemplo, os orbitais s são esféricos e estão centrados no núcleo
(Figura 35). Existe 3 orbitais para uma subcamada p (como será explicado a seguir); cada um deles possui uma superfície nodal na
forma de um haltere (Figura 38).
 
Os eixos para esses três orbitais estão mutuamente perpendiculares entre si, como aqueles em um sistema de coordenadas x-y-z; dessa
forma, é conveniente identificar esses orbitais como px, py e pz (Figura 38). As configurações dos orbitais para as subcamadas d são
mais complexas e não serão discutidas aqui.
 
Imagem: Nilséia A. Barbosa
 Figura 37. Forma esférica de um orbital eletrônico s.
 
Imagem: Asafe Ferreira
 Figura 38. Orientações e formas de orbitais eletrônicos (a) px, (b) py e (c) pz.
ORBITAIS ELETRÔNICOS
O número de orbitais eletrônicos para cada subcamada é determinado pelo terceiro número quântico (ou magnético), ml; ml pode
assumir valores inteiros entre –l e +l, incluindo 0. Quando l = 0, ml pode ter apenas um valor de 0, pois +0 e –0 são os mesmos. Isso
corresponde a uma subcamada s, que pode ter apenas um orbital.
SUBCAMADAS
Além disso, para l = 1, ml pode assumir os valores de –1, 0 e +1, e são possíveis três orbitais p. De maneira semelhante, pode ser
mostrado que as subcamadas d possuem cinco orbitais e as subcamadas f têm sete.
Na ausência de um campo magnético externo, todos os orbitais dentro de cada subcamada são idênticos em termos de energia.
Contudo, quando é aplicado um campo magnético, esses estados das subcamadas se dividem, com cada orbital assumindo uma
energia ligeiramente diferente. A Tabela 2 apresenta um resumo dos valores e das relações entre os números quânticos n, l e ml.
 
Associado a cada elétron há um momento de spin (na visão geométrica clássica, corresponde ao sentido de rotação do elétron em torno
de seu próprio eixo), que deve estar orientado para cima ou para baixo (Figura 39).
 
O quarto número quântico, ms, está relacionado com esse momento de spin, para o qual existem dois valores possíveis: + 1/2 (spin
para cima) e – 1/2 (spin para baixo).
Dessa maneira, o modelo de Bohr foi subsequentemente refinado pela mecânica ondulatória, em que a introdução de três novos
números quânticos dá origem às subcamadas eletrônicas dentro de cada camada.
 
Imagem: Asafe Ferreira
 Figura 39. Spin . Visão geométrica clássica.
COMPOSIÇÃO DOS NÚCLEOS
Como vimos anteriormente, a existência do núcleo atômico foi comprovada por Ernest Rutherford, em 1920, por meio de experiências de
dispersão com partículas alfa. Rutherford propôs, então, a existência de partículas neutras no núcleo, e as chamou de nêutrons.
 
Porém, antes disso, em 1913, experimentos com espectros de raios X, realizados por H. Moseley, revelaram que a carga nuclear é o
produto da carga de um próton com um número atômico Z, que, por sua vez, é igual a aproximadamente metade do número de massa A,
exceto no caso do hidrogênio, em que Z = A, uma vez que este é formado por apenas um próton e um elétron.
Em 1932, após confirmar experimentalmente a existência dos nêutrons, J. Chadwick propõe que um núcleo atômico de número de
massa A conteria N nêutrons e Z prótons, tal que:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
A ideia de que o nêutron pudesse ser uma combinação de um próton e um elétron foi logo descartada, pois espetros moleculares de
algumas substâncias revelaram inconsistência entre o spin total de tais partículas e o spin nuclear.
 
Por exemplo, o espectro molecular do nitrogênio mostrava que o núcleo do átomo de nitrogênio deveria ter spin inteiro (bóson), enquanto
o número de massa e o número atômico assumiriam os valores A =14 e Z =7, respectivamente.
Se o núcleo fosse então formado por 14 prótons e 7 elétrons (7 prótons e 7 pares de elétrons-prótons para compor 7 partículas neutras),
ter-se-ia um número ímpar (21) de férmions e a natureza bosônica do núcleo seria inviabilizada.
 
Para que o núcleo do átomo de nitrogênio tenha spin inteiro, é necessário que, assim como os prótons, os nêutrons também sejam
partículas de spin ½.
N + Z = A
Valores elevados de energia cinética dos elétrons, combinados com o princípio da incerteza, são também outro indício importante que
impede que essas partículas possam ser encontradas em espaços tão pequenos como as regiões nucleares.
 COMENTÁRIO
A ideia de que os nêutrons não sejam formados por uma combinação de prótons e elétrons não impede que os processos nucleares de
aniquilação de nêutrons possam criar elétrons. Como se verá posteriormente, isso é possível e é responsável pela emissão β por
núcleos de átomos radioativos.
Com base na discussão acima, conclui-se que os núcleos atômicos são constituídos por duas partículas fundamentais, os prótons e os
nêutrons. A primeira, carregada positivamente; a segunda, neutra, e ambas as partículas de spin ½. As massas dessas partículas são
praticamente da mesma ordem de grandeza, e dadas no Sistema Internacional (SI), por:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
De fato, a maioria das características de prótons e nêutrons é praticamente idêntica e, por isso, genericamente denominada de núcleons.
Os nêutrons e os prótons não são partículas elementares, mas sim constituídas de quarks
A escala natural de comprimento em Física nuclear é o femtômetro (fm), em que 1fm= 10-15 m e lido frequentemente como 1 fermi. O
raio nuclear pode variar de 1 a 10 fm, enquanto o raio atômico pode chegar a 100.000 fm = 0,1 nm.
Os diferentes tipos de núcleos são denominados de nuclídeos. Em 1913, F. Soddy, um dos colegas de Rutherford, propôs os conceitos
de isótopos para as variedades de nuclídeos com o mesmo número atômico Z e diferentes números de massa A.
 COMENTÁRIO
Esses átomos ocupariam o mesmo lugar na tabela periódica e seriam quimicamente idênticos, porém fisicamente distintos. Soddy
propôs o conceito de isótopos 20 anos antes da descoberta do nêutron, em uma tentativa de explicar por que um mesmo elemento
apresentava diferentes comportamentos radioativos.
Os números A e Z são utilizados para identificar os nuclídeos e relacionam-se com o número de nêutrons N de acordo com a equação
(25). A designação de uma espécie nuclear particular é simbolizada pela seguinte notação:
 Atenção! Para visualização completa da equação utilize a rolagem horizontal
Em que X é o símbolo químico para o átomo de número átomo Z.
 
Uma outra categoria importante de nuclídeos são aqueles com o mesmo número de massa A, conhecidos como isóbaros. Dos mais de
3000 nuclídeos conhecidos, existem somente 266 cujos estados fundamentais são estáveis. Todos os outros são instáveis e podem
decair para outros tipos de nuclídeos.
 
mp = 1, 673x10
−27kg e mn = 1, 675x10
−27kg
A
Z
XN
A Figura 40 mostra um gráfico do número de nêutrons N em função do número de prótons Z para nuclídeos estáveis e instáveis.
 
Imagem: CC BY-SA 4.0- commons.wikimedia.org©
 Figura 40. Comportamento do número de nêutrons N em função do número de prótons Z para os nuclídeos conhecidos.
Os pontos coloridos no gráfico indicam os 266 nuclídeos estáveis, e a região em azul entre as linhas irregulares representa os nuclídeos
instáveis. A linha que passa pelo meio dos nuclídeos estáveis é denominada de linha de estabilidade.
RAIO ATÔMICO
Todos os métodos utilizados para medir raios atômicos mostram que são proporcionais à raiz cúbica do número de massa