Antigamente pensava-se que os elétrons orbitavam um núcleo da mesma forma que os planetas orbitam o sol

Nosso conhecimento dos átomos mudou para sempre quando a mecânica quântica olhou para dentro. Crédito da imagem: Rost-9D via Getty Images

Essa imagem já foi obliterada pela mecânica quântica moderna.

Nas primeiras tentativas desse modelo, os cientistas se inspiraram no sistema solar, que tem um "núcleo" denso (o sol) cercado por uma "nuvem" de partículas menores (os planetas). Mas esse modelo introduziu dois problemas significativos. 

Por um lado, uma partícula carregada que acelera e emite radiação eletromagnética. E como os elétrons são partículas carregadas e aceleram durante suas órbitas, eles devem emitir radiação. Essa emissão faria com que os elétrons perdessem energia e rapidamente espiralassem e colidissem com o núcleo, de acordo com a Universidade do Tennessee em Knoxville. No início de 1900, os físicos estimaram que tal espiral interna levaria menos de um trilionésimo de segundo, ou um picossegundo. Como os átomos obviamente vivem mais que um picossegundo, isso não funcionaria.

Uma segunda questão, mais sutil, tinha a ver com a natureza da radiação. Os cientistas sabem que os átomos emitem radiação, mas o fazem em frequências muito discretas e específicas. Um elétron em órbita, se seguisse esse modelo do sistema solar, emitiria todos os tipos de comprimentos de onda, ao contrário das observações.

A correção quântica

O famoso físico dinamarquês Niels Bohr foi a primeira pessoa a propor uma solução para esse problema. Em 1913, ele sugeriu que os elétrons em um átomo não poderiam ter qualquer órbita que quisessem. Em vez disso, eles tiveram que ser travados em órbitas a distâncias muito específicas do núcleo, de acordo com a entrada de citação do Prêmio Nobel para seu prêmio subsequente. Além disso, ele propôs que havia uma distância mínima que um elétron poderia alcançar e que ele não poderia se aproximar do núcleo.

Ele simplesmente não tirou essas ideias da cartola. Pouco mais de uma década antes, o físico alemão Max Planck havia proposto que a emissão de radiação poderia ser "quantizada", significando que um objeto só poderia absorver ou emitir radiação em porções discretas, e não ter o valor desejado, de acordo com a página de referência HyperPhysics na Georgia State University. Mas o menor tamanho dessas porções discretas era uma constante, que veio a ser conhecida como a constante de Planck. Antes disso, os cientistas imaginavam que essas emissões eram contínuas, o que significa que as partículas podiam irradiar em qualquer frequência. 

A constante de Planck tem as mesmas unidades que o momento angular, ou o momento de um objeto se movendo em um círculo. Então Bohr importou essa ideia para elétrons que orbitam um núcleo, dizendo que a menor órbita possível de um elétron seria igual ao momento angular de exatamente uma constante de Planck. Órbitas mais altas podem ter o dobro desse valor, ou três vezes, ou qualquer outro múltiplo inteiro da constante de Planck, mas nunca qualquer fração dela (portanto, não  ou  e assim por diante).

A Constante de Planck escrita. Crédito da imagem: ragsac via Getty Images

Seria necessário o pleno desenvolvimento da mecânica quântica para entender por que os elétrons tinham uma órbita tão mínima e órbitas mais altas claramente definidas. Os elétrons, como todas as partículas de matéria, se comportam tanto como partículas quanto como ondas. Embora possamos imaginar um elétron como um pequeno planeta orbitando o núcleo, podemos facilmente imaginá-lo como uma onda envolvendo esse núcleo.

As ondas em um espaço confinado devem obedecer a regras especiais. Eles não podem ter qualquer comprimento de onda; eles devem ser feitos de ondas estacionárias que cabem dentro do espaço. É como quando alguém toca um instrumento musical: Se você prender as extremidades de uma corda de violão, por exemplo, apenas certos comprimentos de onda se encaixam, dando a você as notas separadas. Da mesma forma, a onda de elétrons ao redor de um núcleo tem que se ajustar, e a órbita mais próxima de um elétron a um núcleo é dada pela primeira onda estacionária desse elétron.

Desenvolvimentos futuros na mecânica quântica continuariam a refinar esse quadro, mas o ponto básico permanece: Um elétron não pode se aproximar de um núcleo porque sua natureza, a mecânica quântica não o deixa ocupar menos espaço.

Somando as energias

Mas há uma maneira completamente diferente de examinar a situação que não depende da mecânica quântica: Basta olhar para todas as energias envolvidas. Um elétron orbitando um núcleo é eletricamente atraído pelo núcleo; está sempre sendo puxado para mais perto. Mas o elétron também tem energia cinética, que funciona para enviar o elétron para órbitas mais distantes.

Para um átomo estável, esses dois estão em equilíbrio. De fato, a energia total de um elétron em órbita, que é uma combinação de suas energias cinética e potencial, é negativa. Isso significa que você precisa adicionar energia ao átomo se quiser remover o elétron. É a mesma situação com os planetas em órbita ao redor do sol: Para remover um planeta do sistema solar, você teria que adicionar energia ao sistema.

Uma maneira de ver essa situação é imaginar um elétron "caindo" em direção a um núcleo, atraído por sua carga elétrica oposta. Mas por causa das regras da mecânica quântica, ele nunca pode alcançar o núcleo. Então fica preso, sempre orbitando. Mas esse cenário é permitido pela física, porque a energia total do sistema é negativa, ou seja, é estável e unida, formando um átomo de longa duração.

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Referência:

SUTTER, Paul M. Where do electrons get energy to spin around an atom's nucleus? Live Science, Nova York, 22, jul. 2022. Lifes little mysteries. Disponível em: <https://www.livescience.com/32427-where-do-electrons-get-energy-to-spin-around-an-atoms-nucleus.html>. Acesso em: 27, jul. 2022.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.