Por muito tempo, a estrutura do átomo foi um tema discutível entre os físicos, até que surgiu um modelo criado pelo cientista dinamarquês Niels Bohr. Ele não foi o primeiro a tentar descrever o movimento de partículas subatômicas, mas foram seus desenvolvimentos que tornaram possível criar uma teoria consistente com a capacidade de prever a localização de uma partícula elementar em um momento ou outro.
Caminho de vida
Niels Bohr nasceu em 7 de outubro de 1885 em Copenhague e morreu lá em 18 de novembro de 1962. Ele é considerado um dos maiores físicos, e não é à toa: foi ele quem conseguiu construir um modelo consistente de átomos semelhantes ao hidrogênio. Segundo a lenda, ele viu em um sonho como algo como planetas girava em torno de um certo centro rarefeito luminoso. Este sistema então encolheu drasticamente para um tamanho microscópico.
Desde então, Bohr tem procurado arduamente uma maneira de traduzir o sonho em fórmulas e tabelas. Estudando cuidadosamente a literatura moderna sobre física, experimentando em laboratório e pensando, ele foi capaz de alcançar seus objetivos.metas. Nem mesmo a timidez congênita o impediu de publicar os resultados: ele ficou com vergonha de falar na frente de um grande público, começou a ficar confuso, e o público não entendeu nada das explicações do cientista.
Precursores
Antes de Bohr, os cientistas tentaram criar um modelo do átomo baseado nos postulados da física clássica. A tentativa mais bem sucedida pertenceu a Ernest Rutherford. Como resultado de inúmeros experimentos, ele chegou à conclusão sobre a existência de um núcleo atômico maciço, em torno do qual os elétrons se movem em órbitas. Como graficamente esse modelo era semelhante à estrutura do sistema solar, o nome do planetário foi reforçado por trás dele.
Mas tinha uma desvantagem significativa: o átomo correspondente às equações de Rutherford acabou sendo instável. Mais cedo ou mais tarde, os elétrons, movendo-se com aceleração em órbitas ao redor do núcleo, teriam que cair sobre o núcleo, e sua energia seria gasta em radiação eletromagnética. Para Bohr, o modelo de Rutherford tornou-se o ponto de partida na construção de sua própria teoria.
Primeiro postulado de Bohr
A principal inovação de Bohr foi a rejeição do uso da física newtoniana clássica na construção da teoria do átomo. Tendo estudado os dados obtidos em laboratório, ele chegou à conclusão de que uma lei tão importante da eletrodinâmica como o movimento uniformemente acelerado sem radiação ondulatória não funciona no mundo das partículas elementares.
O resultado de suas reflexões foi uma lei que soa assim: um sistema atômico é estável apenas se estiver em uma das possíveisestados (quânticos), cada um dos quais corresponde a uma certa energia. O significado desta lei, também chamada de postulado dos estados quânticos, é reconhecer a ausência de radiação eletromagnética quando um átomo está em tal estado. Além disso, uma consequência do primeiro postulado é o reconhecimento da presença de níveis de energia no átomo.
Regra de frequência
No entanto, era óbvio que um átomo não pode estar sempre no mesmo estado quântico, pois a estabilidade nega qualquer interação, o que significa que não haveria nem o Universo nem movimento nele. A aparente contradição foi resolvida pelo segundo postulado do modelo de estrutura atômica de Bohr, conhecido como regra de frequência. Um átomo é capaz de passar de um estado quântico para outro com uma correspondente mudança de energia, emitindo ou absorvendo um quantum, cuja energia é igual à diferença entre as energias dos estados estacionários.
O segundo postulado também contradiz a eletrodinâmica clássica. De acordo com a teoria de Maxwell, a natureza do movimento de um elétron não pode afetar a frequência de sua radiação.
Espectro atômico
O modelo quântico de Bohr foi possível graças ao estudo cuidadoso do espectro do átomo. Por muito tempo, os cientistas ficaram envergonhados de que, em vez da região de cor contínua esperada obtida pelo estudo dos espectros dos corpos celestes, o espectrograma do átomo fosse descontínuo. Linhas de cores brilhantes não fluíam umas para as outras, mas eram separadas por impressionantes áreas escuras.
Teoria da transição eletrônica de um estado quântico paraoutro explicou essa estranheza. Quando um elétron passava de um nível de energia para outro, onde menos energia era exigida dele, ele emitia um quantum, que era refletido no espectrograma. A teoria de Bohr demonstrou imediatamente a capacidade de prever mais mudanças nos espectros de átomos simples como o hidrogênio.
Falhas
A teoria de Bohr não rompeu completamente com a física clássica. Ela ainda manteve a ideia do movimento orbital dos elétrons no campo eletromagnético do núcleo. A ideia de quantização durante a transição de um estado estacionário para outro complementou com sucesso o modelo planetário, mas ainda não resolveu todas as contradições.
Embora, à luz do modelo de Bohr, o elétron não pudesse entrar em movimento espiral e cair no núcleo, irradiando energia continuamente, não ficou claro por que ele não poderia subir sucessivamente para níveis de energia mais altos. Nesse caso, todos os elétrons acabariam mais cedo ou mais tarde no estado de energia mais baixo, o que levaria à destruição do átomo. Outro problema eram as anomalias nos espectros atômicos que a teoria não explicava. Em 1896, Peter Zeeman realizou um experimento curioso. Ele colocou um gás atômico em um campo magnético e fez um espectrograma. Descobriu-se que algumas linhas espectrais se dividiram em várias. Tal efeito não foi explicado na teoria de Bohr.
Construindo um modelo do átomo de hidrogênio de acordo com Bohr
Apesar de todas as deficiências de sua teoria, Niels Bohr foi capaz de construir um modelo realista do átomo de hidrogênio. Ao fazer isso, ele usou a regra da frequência e as leis damecânica. Os cálculos de Bohr para determinar os possíveis raios das órbitas dos elétrons e calcular a energia dos estados quânticos mostraram-se bastante precisos e foram confirmados experimentalmente. As frequências de emissão e absorção de ondas eletromagnéticas corresponderam à localização das lacunas escuras nos espectrogramas.
Assim, usando o exemplo do átomo de hidrogênio, provou-se que cada átomo é um sistema quântico com níveis de energia discretos. Além disso, o cientista conseguiu encontrar uma maneira de combinar a física clássica e seus postulados usando o princípio da correspondência. Ele afirma que a mecânica quântica inclui as leis da física newtoniana. Sob certas condições (por exemplo, se o número quântico for grande o suficiente), a mecânica quântica e a clássica convergem. Isso foi comprovado pelo fato de que, com o aumento do número quântico, o comprimento das lacunas escuras no espectro diminuiu até o desaparecimento completo, como esperado à luz dos conceitos newtonianos.
Significado
A introdução do princípio da correspondência tornou-se um importante passo intermediário para o reconhecimento da existência da mecânica quântica especial. O modelo do átomo de Bohr tornou-se para muitos um ponto de partida na construção de teorias mais precisas do movimento das partículas subatômicas. Niels Bohr não conseguiu encontrar uma interpretação física exata da regra de quantização, mas também não conseguiu, pois as propriedades ondulatórias das partículas elementares só foram descobertas com o tempo. Louis de Broglie, complementando a teoria de Bohr com novas descobertas, provou que cada órbita, de acordo comqual o elétron se move é uma onda que se propaga a partir do núcleo. Deste ponto de vista, o estado estacionário do átomo começou a ser considerado tal que se forma no caso em que a onda, tendo feito uma revolução completa em torno do núcleo, se repete.
