A estrutura dos átomos

A idéia de que a matéria é feita de pequenos tijolos fundamentais chamados átomos não é nada nova. Ela foi proposta pelos integrantes da última escola de filosofia grega do chamado período pré-socrático, a escola atomística de Leucipo e Demócrito. Apesar de sabermos pouco sobre a vida de Leucipo, sabemos que seu discípulo, Demócrito, um dos filósofos mais prolíficos da antiguidade, viveu entre 460 a.C. e 370 a.C. (Ele foi, portanto, contemporâneo de Sócrates, que nasceu em 470 a.C.)

Os átomos gregos, infinitos em número e indivisíveis, são muito diferentes dos átomos da física e química moderna. Daí seu nome, á-tomo, que em grego significa "o que não pode ser cortado", como a palavra "tomo" usada para indicar volumes de uma coleção de livros. Hoje sabemos que átomos são compostos de partículas ainda menores, os prótons e nêutrons no núcleo e os elétrons em torno. A coisa continua, pois prótons e nêutrons também não são "fundamentais", isto é, indivisíveis, mas sim formados por partículas ainda menores, os quarks. De qualquer forma, a idéia grega de que a matéria pode ser dividida em entidades fundamentais, é incrivelmente moderna.

Uma vez perguntaram ao físico norte-americano Richard Feynman qual seria a frase que deveria ser passada para as gerações futuras, resumindo nosso conhecimento científico mais importante. "Tudo é feito de átomos", respondeu. É irônico que Demócrito, há 2.400 anos, poderia ter dito a mesma coisa...

Claro, a situação não é assim tão simples. A nossa compreensão da estrutura atômica é profundamente diferente da dos gregos. Basta dizer que os gregos não tinham um método empírico de validação das suas idéias; ou seja, a coisa era baseada em especulação e intuição e, mesmo que fosse muito boa, nem sempre correspondia à realidade.

A profunda revolução no conhecimento sobre os átomos ocorreu aproximadamente durante as três primeiras décadas do século 20. Vários modelos foram propostos visando descrever a distribuição de massa e carga dos átomos. Em 1897, J.J. Thomson identificou o elétron e sua carga elétrica negativa. (Na verdade, Thomson mediu a razão entre a carga e a massa do elétron, e/m.) Em 1911, Ernest Rutherford demonstrou que o núcleo atômico era muito menor que o átomo, mais maciço que o elétron e que a carga positiva estava toda concentrada ali. A conclusão era surpreendente: se o núcleo é mais maciço e menor do que o átomo, o átomo, na verdade, é praticamente vazio. Se ampliarmos o núcleo atômico até o tamanho de uma bola de tênis, os elétrons seriam encontrados a 500 metros de distância!

Esse modelo do átomo, uma espécie de minissistema solar com o núcleo no centro e o elétron em órbita, também não descreve corretamente a estrutura atômica. Conforme propôs o físico dinamarquês Niels Bohr em 1913, as órbitas do elétron são muito mais peculiares do que as dos planetas. Elétrons só podem popular certas órbitas, como se o átomo tivesse a estrutura de uma cebola, com o elétron tendo de "pular" de órbita em órbita. Os átomos têm estrutura discreta ou "quantizada". Há uma órbita mais "baixa", o estado fundamental, de onde o elétron não passa; mesmo que os prótons estejam atraindo o elétron (cargas opostas se atraem), ele jamais "cairá" no núcleo.

O modelo de Bohr ainda não foi a palavra final. Na verdade, não podemos visualizar o elétron como uma bolinha saltitando de órbita em órbita, dependendo de sua energia. O elétron é uma distribuição de carga, como se tivéssemos posto a partícula em um liquidificador, distribuindo a sopa resultante em torno do núcleo. Mais ainda, mesmo que o estado fundamental seja esférico (uma bola de carga), os estados excitados têm geometrias mais complicadas, com as "nuvens eletrônicas" interagindo entre si, mudando de órbita (e geometria) e revelando um mundo muito dinâmico.