Baixe Existência de Elétrons: Prova por J.J. Thomson e outras Trabalhos em PDF para Física, somente na Docsity!
A COMPROVAÇÃO EXPERIMENTAL DA EXISTÊNCIA DOS ELÉTRONS.
Daniel Augusto Lopes Oliveira¹ RESUMO O trabalho acadêmico aqui retratado visa demonstrar a experimental cientifica relativa a existência dos elétrons. Através da teoria e do estudo de modelos atômicos como o de Thomson, Rutherford e Bohr. Tem por objetivo mostrar que a construção dessas teorias contou com a colaboração de diferentes gerações de pesquisadores, o que caracteriza a ciência como uma construção humana paulatina e não linear. A história da ciência se constituiu como uma importante alternativa para o ensino da ciência. Neste recorte privilegiaram-se os pesquisadores que tiveram seus estudos ligados ao trabalho de experimentação cientifica relativa a comprovação da existência dos elétrons. Palavras chave: Elétron, Thomson, atômicos, feixes. 1 INTRODUÇÃO O artigo aqui desenvolvido prima por demonstrar a comprovação científica da existência dos elétrons através da analise de modelos atômicos que são essenciais para a comprovação e o avanço do conhecimento nesse sentido. Dessa forma é crível o fato de não poder visualizar átomos de maneira isolada, nesse âmbito os modelos atômicos foram criados para explicar a constituição, comportamento e propriedades relativas aos mesmos. Tais modelos explicam essa questão de forma teórica, mas não quer dizer que fisicamente os átomos sejam perenemente iguais a esses modelos. Sabe se que filósofos gregos como Leucipo e Demócrito aproximadamente no ano de 450 a.C. foram os percussores nos questionamentos acerca da existência de átomos. De acordo com os mesmos os átomos seriam pequenas partículas que eram de tamanho minúsculo e de caráter indivisível. Entretanto tais ideias não foram comprovadas naquele período histórico tornando-se apenas hipóteses, nesse âmbito outras teorias cientificas tomaram o seu lugar, e o pensamento inicial ficou guardado e relegado ao esquecimento durante um espesso período da história humana.
¹ Aluno do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão (IFMA) – Campus Imperatriz. E-mail: [email protected].
Porém o quadro conceitual mudou a partir do século XIX, pois alguns cientistas passaram a realizar diversos testes experimentais que traziam um percentual maior de precisão devido aos avanços da ciência e tecnologia. Devido a isso além de se descobrir que tudo de fato era formado por pequenas partículas mais ainda foi possível compreender melhor e de forma mais ampla os modelos atômicos. Nesse sentido as pesquisas cientificas passaram a ter um aprimoramento devido as informações advindas dos avanços na área e que auxiliaram vários estudiosos a constituir nossos modelos atômicos. Dessa maneira havia consequentemente a substituição de uma teoria por outra devido ao aprimoramento entre uma pesquisa e outra, nesse sentido os conceitos que geravam estabilidade e concretude permaneciam sendo que outros que não geravam segurança ou se provavam equivocados eram substituídos. Nesse interim novos modelos atômicos foram criados e nessa perspectiva é que o trabalho aqui desenvolvido se fixa em analisar o estudo cientifico de Thomson de maneira mais profunda explanando os demais de forma mais simples no intuito de formular a compreensão dos mesmos dentro da esfera de entendimento da existência dos elétrons. 2 O ELÉTRON E A TRAJETÓRIA ATÉ A COMPROVAÇÃO DE SUA EXISTÊNCIA O elétron é uma das partículas que se encontra perenemente na natureza, e é fato que desperta bastante interesse das partes que envolvidas compõem a comunidade científica que suscita o momento de sua descoberta, isso ocorre tanto no que se refere ao ponto de vista da pesquisa teórica e fundamental como no âmbito das aplicações experimentais. Para que se entenda de forma ampla as questões acerca de suas propriedades, que foram analisadas e desenvolvidas diversas técnicas de modo experimental para nesses termos “quantificar” sua massa, sua carga e inclusive seu momento magnético ligado de forma essencial. Nesse sentido contribui para a Física básica. Dessa forma o elétron é o elemento responsável por uma grande parcela no que se refere as partes das aplicações em termos tecnológicos e científicos da atualidade, sendo de importância imprescindível desde o que se explicita sobre os materiais supercondutores até no que está em ênfase nos estudos de fases excêntricas da matéria que aparecem devido à grande interação entre os mesmos.
negativamente. O fragmento de texto abaixo define através dos estudos de Rutherford: A teoria do Senhor J. J. Thomson é baseada na hipótese de que a dispersão devida a um único encontro atômico é pequena, e a estrutura peculiar presumida para o átomo não admite uma deflexão muito extensa de uma partícula alfa que atravessa um único átomo, a menos que supuséssemos que o diâmetro da esfera de eletricidade positiva fosse diminuto, comparado com o diâmetro da influência do átomo. (RUTHERFORD, 1911, p. 670) Novos modelos atômicos foram aparecendo ao longo dos anos, sendo que estes podem ser considerados mais concretos e inclusive sofisticados, um exemplo disso foi a experiência proposta por Ernest Rutherford (1871-1937), que definia que a carga elétrica de cunho positiva não estaria em todo seu volume, mas pelo contrário estaria em um pequeno e massivo núcleo, e os elétrons descreviam órbitas circulares ao redor do mesmo em uma região que recebeu o nome de eletrosfera. A mesma é conhecida como modelo planetário, pois tem semelhança aos movimentos que os planetas fazem ao redor do sol. Ao analisar a figura 1b na gravura abaixo é nítido a semelhança aqui apresentada. Assim o mesmo faz a seguinte colocação sobre sua pesquisa: As observações de Geiger e Marsden [1909], entretanto, sobre a dispersão dos raios Alfa indicam que algumas das partículas Alfa podem sofrer uma deflexão maior do que a de um ângulo reto em um único encontro. Eles descobriram, por exemplo, que uma pequena fração das partículas alfa incidentes, aproximadamente 1 em cada 20000 (uma em cada vinte mil) atravessou no ponto médio de um ângulo de, em média, 90° (noventa graus) ao passar através de uma camada de folha de ouro de aproximadamente 0,00004 (quatro milionésimos) cm de espessura. … Um simples cálculo baseado na teoria da probabilidade mostra que a chance de uma partícula Alfa ser desviada através de um ângulo de 90° (noventa graus) é muito pequena. Além do que, veremos posteriormente que a distribuição das partículas Alfa por vários ângulos de grande desvio não obedece a lei da probabilidade (hipoteticamente esperada) se tais grandes deflexões forem compostas de um grande número de pequenos desvios. Parece razoável imaginar que o desvio por meio de um ângulo extenso seja devido a um único encontro atômico; pela possibilidade de um segundo encontro do mesmo tipo gerar um grande desvio, deveria, na maior parte das hipóteses, ser muito pequeno. Um cálculo simples mostra que o átomo deve ser um assento de um campo elétrico extremo com o propósito de gerar tal grande desvio em um único encontro. (RUTHERFORD, 1911, p.
Na atualidade um dos modelos de maior aceitação sobre tal teoria é o de Bohr (1885-1962). O mesmo propôs que os elétrons andam em volta do núcleo com níveis de energia bem definidos (Figura 1c). Tal proposta foi considerada um divisor de águas para os mais diversos modelos atômicos, na medida que, pela primeira
vez, conceitos baseados na mecânica quântica foram introduzidos como experimentos científicos. Figura 1 : Representação esquemática do (a) modelo atômico de Thomson (“pudim de passas”); (b) modelo atômico de Rutherford; e (c) modelo atômico de Bohr. Fonte: http://unespciencia.com.br/2017/12/01/eletrons-92/ 3 A DESCOBERTA DO ELÉTRON De forma ampla tem-se o fato de que a primeira evidência experimental da existência do elétron foi obtida por Thomson no ano de 1897. O mesmo usou o que é conhecido como tubo de raios catódicos, que consiste em um recipiente que está fechado e contem gás rarefeito, aonde através de uma diferença de potencial (tensão elétrica) entre dois eletrodos (cátodo e ânodo) se dá produção dos chamados raios catódicos. A Figura 2 descreve a questão analisada acima Figura 2 : Representação esquemática de um tubo de raios catódicos: 1) cátodo, 2) ânodo (submetidos a uma diferença de potencial V1); 3) placas dispostas com uma pequena fenda para a passagem do feixe de elétrons; 4) capacitor de placas paralelas (contornado por linhas tracejadas) submetido a uma diferença de potencial (V2). O feixe de elétrons (indicado na cor verde) é defletido em relação à linha de base horizontal (pontilhada) após atravessar o capacitor. Fonte: http://unespciencia.com.br/2017/12/01/eletrons-92/ Nesse sentido os feixes que serão naquele instante produzidos passarão por um processo de aceleração até uma região que será definida por duas placas que em si estão de forma paralelas, o que no caso diz respeito ao fato de uma delas possuir carga positiva e a outra negativa. A configuração ali definida recebe a
sugestão acerca de que os elétrons deveriam estar imersos na carga positiva, pois acreditava que tal pensamento que essa configuração seria a mais satisfatória para se garantir que o átomo fosse neutro. Buscando encontrar um ponto de concordância com os demais resultados obtidos, o mesmo estimou a ordem de grandeza da frequência de luz emitida por um átomo hipotético, com apenas um elétron, e do raio atômico, encontrando para esse último a mesma ordem em termos de grandeza dos resultados que foram obtidos antes pela Teoria conhecida como Cinética dos Gases. Quanto à emissão de radiação, Thomson chegou a conclusão que seu modelo levaria o átomo a um possível colapso, pois ele emitiria radiação de forma continuada. Caruso (2006) define que o mesmo concentrou-se em um ponto baseado em um experimento feito pelo norte-americano Alfred Mayer, que em 1878, que consistia em demonstrar como pequenos polos magnéticos interagiam e se comportavam diante de um campo magnético intenso, no caso Thomson imaginou que cargas elétricas tivessem um comportamento de função semelhante ao dos polos magnéticos, estabelecendo assim posições pré definidas para um determinado número de cargas elétricas presentes em um átomo. Este modelo apresentava características de periodicidade, o que mais tarde poderia levar ao entendimento das questões quanto as regularidades apresentadas na Tabela Periódica. Outra questão que engloba a hipótese levada em consideração por Thomson em seu trabalho era que apenas os elétrons teriam massa, assim, a massa atômica era obtida ou dada com exclusividade por eles. Mas a mesma gerava alguns empecilhos para o seu modelo fosse compreendido de forma eficaz. Segundo ela, um átomo de hidrogênio (H) deveria possuir uma quantidade de milhares de elétrons para que sua massa pudesse ser considerada e justificada. Mesmo que sendo por um instante uma ideia contraditória, Thomson a usou para o amplo entendimento e explicação da questão referente a emissão de frequências diferentes pelo átomo de hidrogênio (H). De acordo com o mesmo, os milhares de elétrons que compunham o átomo de hidrogênio (H) mudariam devido às relações interativas que aconteciam entre eles, emitindo assim, as diversas frequências que definem o espectro de emissão do hidrogênio (H). No entanto, Thomson não calculou as frequências do espectro que é emitido pelo átomo de hidrogênio (H), nesse interim foi Rayleigh que no ano de 1906, conseguiu perceber e detectar os resultados que não estavam em consenso com a previsão da fórmula de Balmer, o que fez Thomson reavaliar, suas ideias iniciais: de milhares de corpúsculos constituindo o átomo de hidrogênio (H),
seu modelo levava em conta agora que: “o número de corpúsculos em um átomo (...) é da mesma ordem que o peso atômico da substância.” (Caruso, p. 359, 2006). Tendo em vista o que foi analisado Caruso (2006) No intuito de comprovar tal hipótese, Thomson deu a sugestão de que fossem utilizadas técnicas de raios X para fazer a medição do número de elétrons, questão que só foi realizada com total êxito no ano de 1911. Além de tais questionamentos, o modelo proposto por Thomson foi repetidamente testado quanto ao que se relaciona as suas previsões assim também com relação ao espalhamento de partículas alfa (α) em uma fina lâmina metálica não foram confirmadas. Seus trabalhos em relação ao raio atômico deram estimulo a Rutherford para nesse sentido sugerir estudantes sendo eles, Hans Geiger (1882-1945) e Ernest Mardens (1889-1970), que realizassem um experimento que se baseava no bombardeamento de um alvo por partículas α. Com essa importante definição, Thomson nos apresenta sua teoria atômica: Assim, nesta perspectiva nós temos na matéria de raios catódicos um novo estado; um estado no qual a subdivisão da matéria é transportada muito além do que no estado gasoso usual: um estado em que toda a matéria – isto é, a matéria obtida de diversas fontes tais como: hidrogênio, oxigênio, etc. – é de um único tipo; sendo esta a substância da qual todos os elementos químicos são construídos. (THOMSON, 1897, p. 312 ) De acordo com Martins (1998) o experimento em questão objetivava a análise das deflexões que as partículas α sofriam ao colidir com a placa metálica. Para isso o conjunto de ferramentas para uso experimental foi feito e projetado da forma especifica: demonstra que uma fonte radioativa emite partículas α que eram almejadas por um par de diafragmas que as direciona para uma folha de ouro, onde se chocavam. Essa folha metálica era finíssima o que permitia que as partículas α a atravessassem de forma completa apenas com uma pequena redução em sua velocidade. No instante que atravessavam a folha, as partículas sofriam várias deflexões, causadas pela ação da força coulumbiana entre sua carga e a dos átomos da folha de caráter metálico. Tais deflexões definiam que esse feixe saísse e aparecesse provindos da folha como um feixe discordante. Afim de encontra-las, utilizaram diversos alvos de sulfeto de zinco (ZnSO4), que cercavam por todos os lados tanto a folha metálica quanto um microscópio. Ao entrar em contato com o sulfeto de zinco (ZnSO4) a partícula α fazia uma cintilação que era observada com a ajuda de um microscópio. Dessa maneira ambos podiam fazer a contagem do quantitativo de cintilações assim produzidas por unidade de tempo em função da posição angular do detector.
A história relativa ao questionamento sobre a composição da matéria está diretamente ligada com a história da ciência em termos íntimos assim como a essencial relação que tem com a evolução do pensamento científico, sendo observada nesse sentido uma constante modificação e aprimoramento dos conceitos que se sucedem expandindo sua complexidade de acordo com o avanço que ocorre no âmbito da experimentação cientifica, chegando de maneira objetiva a estrutura atômica como modelo que melhor pode explicar o comportamento relativo a matéria, no entanto diversas descobertas ainda tem sido realizadas, demostrando que existe uma longa e árdua caminhada até que se entenda de fato a total composição da matéria. THE EXPERIMENTAL EVIDENCE OF THE EXISTENCE OF ELECTRONS. ABSTRACT The academic work pictured here aims to demonstrate the scientific experiment regarding the existence of electrons. Through the theory and study of atomic models such as Thomson, Rutherford and Bohr. It aims to show that the construction of these theories relied on the collaboration of different generations of researchers, which characterizes science as a gradual and non-linear human construction. The history of science was constituted as an important alternative for the teaching of science. In this section, researchers who had their studies linked to the work of scientific experimentation regarding the proof of the existence of electrons were privileged. Keywords: Electron, Thomson, atomic, beams. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANJOS, Luiz Carlos Giachello dos. Conceito Átomo: proposta de uma sequência didática / Luiz Carlos Giachello dos Anjos; orientador Marlize Spagolla Bernardelli - Cornélio Procópio, 2019. CARUSO, F.; OGURI, V. (2006). Física Moderna: origens clássicas e fundamentos quânticos. Rio de Janeiro: Elsevier. 379 - 603 p. MARTINS, R. de A. (1998). A descoberta dos raios X: O primeiro comunicado de Röntgen. Revista Brasileira de Ensino de Física, 20(4): 373-391.
RUTHERFORD, E. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine Series 6, v. 21, p. 669-688, 1911. THOMSON, J.J. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure. Philosophical Magazine Series 6, v.7, n. 39 p.237-265, 1904.
