O Átomo de Bohr

Física: Conceito e história — Por Jonas Floriano Gomes dos Santos em maio 21, 2011 as 17:08

Atualmente pode ser dito que os físicos entendem a estrutura do átomo de maneira extraordinária, embora ainda existam muitas questões a serem respondidas. Após Rutherford, no início do século 20, realizar o experimento de bombardear uma fina placa de ouro e afirmar que o átomo era constituído de um núcleo positivo denso circundado por uma nuvem de elétrons, a concepção de átomo tomou um novo rumo. Assim, o átomo era então entendido analogamente como no modelo do universo, onde o núcleo faria o papel do sol e os elétrons o papel dos planetas.

Porém isso acarretava um problema teórico. Supondo, para simplificação, um átomo com um elétron em sua órbita e considerando essa órbita circular, existe claramente uma força centrípeta atuando neste elétron, sendo que esta força deve apontar para o centro, ou seja, o núcleo. Sendo assim, o elétron, em seu movimento orbital em torno do núcleo, deveria claramente dos resultados da física clássica perder energia, sendo esta energia perdida chamada radiação síncroton. Essa perda de energia faria com que o elétron desacelerasse rapidamente e “caísse” no núcleo atômico, vítima da força de atração coulombiana. Um cálculo realizado mostra facilmente que essa desintegração do átomo de um elétron seria praticamente instantânea, ou seja, a matéria como a conhecemos, estável, não chegaria nem ao menos a se formar.

Esse resultado, obtido dos cálculos da física clássica, não era nem de longe observado, visto que a matéria que forma nós, seres humanos, é toda constituída de átomos estáveis. Assim, era necessária uma nova visão sobre como abordar o problema. Niels Bohr, cientista dinamarquês nascido em 1885, ganhou o prêmio Nobel em 1922 por conseguir responder a essa questão. Bohr foi um grande físico teórico, destacando-se ainda quando estudante resolvendo um desafio de física teórica existência na academia de ciências de Copenhague.

Na época em que Bohr estudava a estrutura do átomo e suas radiações, já se tinham os primeiros resultados sobre a quantização da energia, postulada por Planck. Ele afirmava que a energia emitida por um corpo ideal, chamado corpo negro, era feita de maneira não continua, mas sim de maneira discreta, em pequenas quantidades fixas. O fator de multiplicação desta quantidade foi chamada de constante de Planck. Assim Bohr fez uso dos resultados da mecânica quântica para construir quatro postulados que explicariam a questão do não decaimento atômico. Tais postulados são:

1. Os elétrons que circundam o núcleo atômico fazem isso em órbitas quantizadas, ou seja, existem certos valores de distância entre um elétron e o núcleo que não são permitidas.
2. As leis da mecânica clássica não são validas na transição do elétron de um órbita para outra.
3. Para saltar de uma órbita para outra, a energia emitida ou absorvida neste salto tem exatamente o mesmo valor da diferença de energia entre os níveis de transição envolvidos, ou seja, se as órbitas dos elétrons são discretas então a energia necessária para fazer um elétron sair de um órbita e ir para outra também é discreta.
4. As orbitas que são permitidas para os  elétrons em torno do núcleo dependem de valores discretos do momento angular do elétron. Aqui momento angular é análogo ao momento linear ou quantidade de movimento, porém no caso de um movimento circular. Desse modo, a equação do momento angular para o elétron é L = n. , onde h com o “traço” representa a constante de Planck dividida por 2π.

Vale dizer que nesta relação entre o momento angular a constante de Planck, o valor mínimo para n é 1, ou seja, é impossível que L seja 0. Assim de acordo com tal postulado, não é permitido que o elétron “caia” no núcleo atômico, pois sempre existirá um raio mínimo, chamado raio de Bohr.

Assim, postulando essas quatro idéias, o movimento do elétron em torno do núcleo ficou até então explicado. Embora fossem postulados, Niels Bohr recebeu o prêmio Nobel em 1922 devido a sua teoria ser comprovada experimentalmente. Esse modelo do átomo de Bohr também é chamado de modelo semi-clássico do átomo, pois ao mesmo tempo em que trata o elétron como uma partícula, algo da mecânica clássica, também está relacionada com a constante de Planck e a quantização de energia, parte fundamental da mecânica quântica. Hoje em dia existem teorias sobre os átomos muito mais complexas, totalmente de caráter quântico. Porém para o caso de um átomo composto por apenas um elétron, a teoria de Bohr é totalmente aplicável.

Referência: Textos fundamentais da física moderna, Niels Bohr

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