Mecânica quântica: juntando todas as peças

Ao mesmo tempo que descobertas eram feitas com a radioatividade, físicos e químicos estavam estudando como a luz interagia com a matéria. Esses estudos deram origem ao campo da mecânica quântica e ajudaram a resolver o problema da estrutura do átomo.

Mecânica quânticaRamo da física que estuda o movimento de partículas de acordo com suas propriedades ondulatórias nos níveis atômico e subatômico.

A mecânica quântica joga luz sobre o átomo: o modelo de Bohr
Físicos e químicos estudavam a natureza da luz transmitida quando correntes elétricas passavam através de tubos com elementos gasosos (hidrogênio, hélio, neônio) e quando elementos eram aquecidos (por exemplo, sódio, potássio, cálcio etc.) no fogo. Eles passavam a luz dessas fontes por um espectrômetro (um dispositivo que continha uma fenda estreita e um prisma de vidro).

Foto cedida NASA Luz branca passando por um prisma.

Foto cedida NASA Espectro contínuo de luz branca.

Agora, quando passamos a luz solar por um prisma, o que vemos é um espectro contínuo de cores, como um arco-íris. No entanto, quando a luz dessas várias fontes passava pelo prisma, os cientistas encontravam um fundo negro, com linhas discretas.

Foto cedida NASA Espectro de hidrogênio

Foto cedida NASA Espectro de hélio

Cada elemento possuía um espectro único e o comprimento de onda de cada linha dentro de um espectro tinha uma energia específica (consulte Como funciona a luz para mais detalhes sobre a relação entre o comprimento de onda e a energia).

Em 1913, um físico dinamarquês chamado Niels Bohr juntou as descobertas de Rutherford com os espectros observados e, em um momento de grande intuição, criou um novo modelo de átomo. Ele sugeriu que os elétrons orbitando ao redor do núcleo somente poderiam existir em certos níveis de energia (ou seja, distâncias) a partir do núcleo, em vez dos níveis contínuos que se esperariam com base no modelo de Rutherford. Quando os átomos nos tubos de gás absorviam a energia da corrente elétrica, os elétrons ficavam excitados e pulavam dos níveis de baixa energia (próximos ao núcleo) para os de alta energia (mais distantes do núcleo). Os elétrons excitados acabariam voltando a seus níveis originais e emitiriam energia na forma de luz. Como havia diferenças específicas entre os níveis de energia, apenas comprimentos de onda específicos de luz eram vistos no espectro (linhas).

Os modelos de Bohr de vários átomos

A principal vantagem do modelo de Bohr era o fato de que ele funcionava. E explicava várias coisas:

• espectros atômicos - já citados
• comportamento periódico dos elementos - elementos com propriedades semelhantes tinham espectros atômicos parecidos:
  • Cada órbita, do mesmo tamanho e energia (camada), conseguiria segurar um número determinado de elétrons.
    • primeira camada = dois elétrons
    • segunda camada = oito elétrons
    • terceira camada e acima = oito elétrons
  • ao preencher uma camada, os elétrons eram encontrados em níveis mais altos.
  • as propriedades químicas baseavam-se no número de elétrons na camada mais distante do núcleo.
    • elementos com camadas exteriores cheias não reagem com outros elementos.
    • outros elementos pegariam ou dariam elétrons para ter a camada mais externa cheia.

Com a invenção dos lasers em meados do século XX, descobriu-se que o modelo de Bohr também seria útil para explicar seu comportamento.

O modelo de Bohr predominou até o surgimento de novas descobertas na mecânica quântica.