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Revista CH / 2013

O átomo quântico

Há 100 anos, o físico dinamarquês Niels Bohr propôs o primeiro modelo atômico quântico. O trabalho abriu caminho para uma melhor compreensão da estrutura do átomo e o desenvolvimento da teoria atômica moderna.

Por: José Fernando Rocha e Roberto Rivelino Moreno

Publicado em 30/07/2013 | Atualizado em 30/07/2013

O átomo quântico

Bohr e uma concepção artística de seu modelo para o átomo de hidrogênio. (fotos: Wikimedia Commons)

O desenvolvimento de uma teoria atômica que explicasse a origem da luz (energia) emitida ou absorvida pelos átomos foi um grande desafio para muitos físicos no início do século passado. Uma contribuição importante para superar esse desafio foi dada, em 1913, em uma série de artigos na revista inglesa Philosophical Magazine (S. 6, vol. 26, n. 151, p. 1-25; p. 476-502; p. 857-875), pelo físico dinamarquês Niels Henrik David Bohr (1885-1962), dois anos depois de ele ter iniciado, na Inglaterra, um estágio de pós-doutoramento com dois eminentes cientistas.

O desenvolvimento de uma teoria atômica que explicasse a origem da luz emitida ou absorvida pelos átomos foi um grande desafio para muitos físicos no início do século passado

Primeiramente, Bohr trabalhou no Laboratório Cavendish, em Cambridge, com Joseph J. Thomson (1856-1940). Em seguida, com Ernest Rutherford (1871-1937), em Manchester, onde analisou os resultados recentes dos experimentos sobre as colisões de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) contra folhas finas de ouro e que levaram Rutherford, em abril de 1911, a propor a existência do núcleo atômico, de carga positiva, circundado por elétrons (negativos).

No entanto, esse modelo contrariava as leis do eletromagnetismo clássico. Segundo essa teoria, elétrons em movimento acelerado emitiriam luz e, com isso, colapsariam contra o núcleo em uma fração de segundo, o que comprometeria a própria existência do átomo.

Espectroscopia atômica

Outro problema com o modelo de Rutherford: ele não permitia explicar a forma como os átomos devolviam ao meio a luz que incidia sobre eles. Com a ajuda de um espectroscópio, aparelho cujo cerne é um prisma, a luz irradiada pelos átomos aparecia na forma de raias (linhas paralelas) com cores (frequências) variadas. O conjunto dessas raias é denominado espectro atômico e é característico para cada átomo.

O espectro atômico mais simples – já conhecido à época – é o do gás de hidrogênio, que tem cinco conjuntos (séries) de raias. Aquelas que estão na região da luz visível foram determinadas, pela primeira vez, em 1853, pelo físico sueco Anders Ångström (1814-1874).

Com base nessas medidas, o matemático suíço Johann Balmer (1825-1898) obteve uma fórmula, em 1885, que determinava a frequência de cada uma das raias em função de números inteiros. Três anos depois, de forma independente, o físico sueco Johannes Rydberg (1854-1919) encontrou fórmula parecida, para obter a cor das raias dos chamados metais alcalinos (lítio, sódio, potássio e rubídio). Em 1908, uma regra geral para determinar todas as séries espectrais descobertas empiricamente para o hidrogênio foi estabelecida pelo físico suíço Walter Ritz (1878-1909).

No entanto, o entendimento do significado dessas fórmulas, bem como das cores e da descontinuidade das raias, teria que esperar um desenvolvimento-chave: um modelo atômico mais elaborado que o de Rutherford.

O modelo de Bohr

A grande contribuição de Bohr se deu quando ele notou que poderia estender para o átomo a hipótese elaborada, em 1900, pelo físico alemão Max Planck (1858-1947): na natureza, a energia é gerada e absorvida em diminutos pacotes – e não de forma contínua. Cada um desses pacotes é denominado quantum – daí, o termo teoria quântica.

Na natureza, a energia é gerada e absorvida em diminutos pacotes – e não de forma contínua

Para Bohr, essa percepção ocorreu após ele tomar conhecimento da fórmula de Balmer. “Assim que vi a fórmula de Balmer, tudo ficou claro para mim”, disse.

Isso permitiu que ele desenvolvesse um modelo que dava conta da estabilidade do átomo e era capaz de prever as séries espectrais observadas para o átomo de hidrogênio, determinando, assim, a origem das séries já conhecidas experimentalmente.

José Fernando Moura Rocha
Roberto Rivelino de M. Moreno
Instituto de Física
Universidade Federal da Bahia

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