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quarta-feira, 6 de janeiro de 2016

Por que o elétron não cai no núcleo atômico?

Você já pensou sobre o movimento do elétron em torno do núcleo atômico? Lembre que a carga do elétron é negativa e do núcleo (prótons e neutrons) positiva e, portanto, eles devem ser atraídos mutualmente de acordo com a força elétrica. Se o elétron então "cai" no núcleo então o átomo deixa de ser estável e a matéria da qual somos constituídos não deveria existir. No entanto, nós existimos e isso mostra que os átomos que formam a matéria são estáveis, o que confirma que o elétron não "cai" no núcleo atômico. Neste texto, vamos discutir um pouco disso e mostrar que a Física Clássica falha ao tentar explicar este fato, enquanto a Física Quântica é bem sucedida.

Antes da elaboração da mecânica quântica como teoria fundamental para se explicar fenômenos de natureza atômica e sub-atômica, o entendimento dos átomos era visto por conceitos clássicos. O movimento de um elétron em torno do núcleo atômico era compreendido de forma análoga ao movimento dos planetas em torno do Sol. O conceito de elétron era o de um corpo rígido com posição e velocidade bem definidas. Ao mesmo tempo, a teoria eletromagnética afirmava:

Qualquer corpo carregado que esteja acelerado irá emitir radiação e perder energia

Uma vez que o movimento do elétron em torno do núcleo é caracterizado por alteração na direção da velocidade, ele será um corpo carregado acelerado consequentemente perderá energia e irá tender para a posição de menor energia, ou seja, o núcleo. Isso implica que os átomos seriam altamente instáveis e que a matéria como a conhecemos não poderia existir, contradizendo os fatos observados na natureza. 

Se a partícula (ponto azul na figura) perde energia, classicamente ela tenderá ao ponto de equilíbro (menor energia) que é o ponto mais baixo da curva. Além disso, ela faz o trajeto de forma contínua.


A explicação acima é devido a Fìsica Clássica e não condiz com os fatos. É necessário algo diferente para explicá-los.

Por volta de 1922, com algumas ideias e conceitos novos de uma nova proposta de explicar fenômenos atômicos, como a quantização da energia por Planck em 1901, Bohr introduziu dois postulados para explicar a estabilidade atômica. Basicamente, eles diziam que as órbitas permitidas dos elétrons em torno do núcleo são discretas (quantizadas), ou seja, apenas algumas são permitidas. Além disso, durante a permanência de um elétron em uma dada órbita, ele não emitia radiação; apenas emitia ou absorvia energia ao realizar a transição de uma órbita para outra. 

Este modelo serviu bem para explicar a estabilidade dos átomos. No entanto ainda tinha o conceito de elétron como uma partícula como um corpo rígido (um conceito clássico) e a teoria ficou conhecida como Teoria Semi-Clássica, por mesclar conceitos clássicos com a quantização das órbitas do elétron.

Entretanto, outros experimentos mostraram que era preciso abrir mão dos conceitos clássicos para se entender fenômenos atômicos. Tais conceitos como, posição e velocidade bem definidas, trajetória, corpo rígido, deveriam ser abandonados. Construída através de seis postulados, a mecânica quântica é uma teoria em que a Probabilidade é inerente à teoria, ou seja, para fenômenos atômicos, devemos abandonar o caráter determinístico da mecânica clássica. Passamos a ter:

Probabilidades associadas à posição e velocidade de um elétron. E não temos mais o conceito de corpo rígido nem de uma trajetória clássica.


Em mecânica quântica, toda informação sobre o elétron está contida em uma função matemática chamada Função de Onda, que nos dá a probabilidade de encontrar o elétron em uma posição a cada vez que realizamos uma medida. Porém antes de realizarmos a medida o elétron pode estar em qualquer posição em torno do núcleo (na verdade, qualquer posição em qualquer parte do universo) e damos o nome a isso de uma densidade de probabilidade ( ou nuvem de probabilidade). Portanto, não sentido em mecânica quântica a expressão "cair no núcleo", já que não temos posições bem definidas neste caso.

A mecânica quântica, através de seus postulados e consequências destes, afirma que se um elétron está em um campo elétrico gerado pelo núcleo, o elétron pode apenas possuir certos níveis de energia. Quando ele está em um dado nível de energia, ele não emite radiação. Apenas ao mudar de um nível para outro ele emite ou absorve energia. As equações da teoria quântica mostram como calcular os níveis de energia permitidos para o elétron em torno do núcleo.

Note que nesta interpretação não se fala em posição bem definida ou trajetória. 


Ilustração dos níveis de energia possíveis para o elétron (linhas). A medida que vamos nos afastando do núcleo as linhas vão ficando cada vez mais próximas, até tenderem a um contínuo, como visto na mecânica clássica.


Portanto, devemos ter em mente que em escala atômica, conceitos clássicos devem ser abandonados e novos conceitos devem ser usados, onde, no caso do elétron em um átomo, apenas alguns níveis de energia são permitidos. Vale dizer que tal interpretação concorda extraordinariamente com os resultados experimentais!

Referências:








2 comentários:

  1. O núcleo (prótons e nêutrons) não seriam de carga positiva? Por isso a atração dos elétrons e do núcleo. No início está um equívoco ao dizer que o núcleo é eletricamente negativo.
    Obrigada :)

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    1. Olá Raissa. Obrigado pela observação. Já foi corrigido.
      Abraços.

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