Como é que descobrimos que os átomos existem?

Paul M. Sutter é astrofísico na The Ohio State University, apresentador de “Ask a Spaceman” e “Space Radio”, e autor de “Your Place in the Universe” (Prometheus Books, 2018). Sutter contribuiu com este artigo para a publicação “Vozes do Especialista” do Space.com: Op-Ed & Insights.

Em 1808, o químico John Dalton desenvolveu um argumento muito persuasivo que levou a uma realização surpreendente: Talvez toda a matéria (ou seja, coisas, coisas, objectos) seja feita de pequenos pedaços. Bocadinhos fundamentais. Bocadinhos indivisíveis. Bocadinhos atómicos. Atoms.

O conceito flutuava de um lado para o outro há alguns milénios. As culturas antigas estavam certamente conscientes da ideia geral de que a matéria era composta por elementos mais fundamentais (embora discordassem bastante sobre o que contava exactamente como um elemento) e sabiam que esses elementos se combinavam de formas interessantes e frutuosas para fazer coisas complexas, como cadeiras e cerveja. Mas durante esses milênios, a questão persistiu: se eu isolasse um único elemento e o cortasse ao meio, então cortaria essas metades ao meio, e assim por diante, e assim por diante, será que eu acabaria encontrando um pouco de elemento que eu não conseguiria mais cortar? Ou continuaria por infinito?

p>Relacionado: O que é um Átomo?

Após anos de cuidadoso exame, Dalton encontrou uma surpreendente relação entre os elementos. Por vezes, dois elementos podem combinar-se para formar vários compostos de múltiplas formas com diferentes proporções, como o estanho e o oxigénio podem fazer. Mas as proporções de cada elemento nas várias combinações sempre reduzidas a números muito pequenos. Se a matéria fosse infinitamente divisível, sem um bit mínimo possível, então qualquer proporção deveria ser permitida.

Em vez disso, ele descobriu que uma certa quantidade de um elemento pode combinar com uma quantidade igual de outro elemento. Ou com duas ou três vezes o outro elemento. Dalton encontrou apenas proporções simples, em todos os casos, em qualquer lugar. Se a matéria fosse finalmente indivisível, se fosse feita de átomos, então apenas proporções e proporções simples seriam permitidas ao combinar elementos.

Massas de matéria

Cem anos depois, esta teoria “atómica” da matéria não parecia completamente disparatada. Uma das coisas mais desafiadoras sobre ela, no entanto, era que se os átomos realmente existissem, eles eram muito, muito pequenos para serem vistos. Como se poderia provar a existência de algo que não se podia observar directamente?

Uma pista para a existência de átomos veio dos estudos de termodinâmica recentemente estabelecidos. Para entender como funcionavam os motores térmicos – juntamente com todos os conceitos que os acompanhavam, como temperatura, pressão e entropia – os físicos perceberam que podiam ver gases e fluidos como se fossem compostos de uma quantidade quase inumerável de partículas minúsculas, mesmo microscópicas. Por exemplo, “temperatura” realmente mede o movimento médio de todas aquelas partículas de gás que atingem seu termômetro, transferindo sua energia para ele.

Isso foi bastante convincente, e Albert Einstein era um grande fã desses tipos de física. Assim como toda a outra física da qual ele se tornou um fã, Einstein revolucionou-os.

Ele estava interessado, em particular, pelo problema do movimento Brownian, descrito pela primeira vez em 1827 por Robert Brown (daí o nome). Se você deixar cair um grande grão dentro de um fluido, o objeto tende a se agitar e pular completamente por si só. E depois de algumas experiências cuidadosamente executadas, Brown percebeu que isso não tem nada a ver com ar ou correntes de fluido.

O movimento browniano era apenas um daqueles factos aleatórios e inexplicáveis da vida, mas Einstein viu nisso uma pista. Ao tratar o fluido como algo composto de átomos, ele foi capaz de derivar uma fórmula para o quanto as inúmeras colisões das partículas do fluido iriam empurrar aquele grão em volta. E ao colocar essa conexão em solo matemático sólido, ele foi capaz de fornecer um caminho para ir de algo que você pode ver (quanto o grão se move em uma determinada quantidade de tempo) para algo que você não pode (a massa das partículas do fluido).

Em outras palavras, Einstein nos deu uma maneira de pesar um átomo.

Estes “estados unidos”

E justamente quando as pessoas estavam a ficar confortáveis com o tamanho destes minúsculos pedaços de matéria, pensando que estes tinham que ser as menores coisas possíveis, alguém veio para complicá-lo.

Operar em paralelo com Einstein foi um experimentalista maravilhosamente dotado com o nome de J.J. Thomson. No final dos anos 1800, ele ficou encantado com feixes de luz fantasmagóricos conhecidos como raios catódicos. Se você enfia um par de eletrodos dentro de um tubo de vidro, suga todo o ar para fora do tubo, depois aumenta a voltagem dos eletrodos, você recebe um brilho efervescente que parece emanar de um dos eletrodos, o cátodo, para ser exato. Assim, os raios catódicos.

Este fenômeno levantou questões para os físicos. O que fez o brilho? Como as cargas – que, na época, eram conhecidas por estarem ligadas ao conceito de electricidade mas, de resto, misteriosas – estavam ligadas a esse fulgor? Thomson decifrou o código a) fazendo o melhor tubo de vácuo que alguém já teve e b) empurrando todo o aparelho dentro de campos elétricos e magnéticos super fortes. Se as cargas estivessem de alguma forma envolvidas neste negócio de raios catódicos, então é melhor você acreditar que eles ouviriam esses campos.

E ouvir que eles ouviram. O raio catódico se dobraria sob a influência de ambos os campos elétricos e magnéticos. Fascinante! Isso significava que a parte brilhante estava ligada às próprias cargas; se a luz estivesse de alguma forma separada das cargas, então ela navegaria em linha reta, independentemente da interferência do campo. E isso também significava que os raios catódicos eram feitos das mesmas coisas que a eletricidade.

Ao comparar a quantidade de deflexão dos raios nos campos elétricos versus nos campos magnéticos, Thomson poderia derivar alguma matemática e trabalhar algumas propriedades dessas cargas. E foi aqui que o J.J. ganhou o seu Prémio Nobel: Estes “corpúsculos” (sua palavra) eram cerca de 2.000 vezes menores que o hidrogênio, o elemento mais leve conhecido e, portanto, o menor átomo. Estes “electrões” (palavra de todos os outros) eram verdadeiramente notáveis.

Prata e ouro

Coube à geração seguinte de cientistas resolver os puzzles levantados pelos resultados de Thomson. O mais importante: Como pode algo ser menor que um átomo, e o que isso significa para a estrutura dos próprios átomos?

Foi o próprio ex-aluno de Thomson Ernest Rutherford, juntamente com os seus próprios alunos Hans Geiger e Ernest Marsden, que decidiram atirar coisas a ouro para ver o que aconteceria. Os cientistas escolheram o ouro porque podiam fazer folhas muito finas do material, o que significava que o bando podia ter a certeza de que eles estavam sondando a física atômica. E dispararam balas muito pequenas: partículas alfa, que são átomos carregados de hélio. Estas partículas são pequenas, pesadas e rápidas – as balas científicas perfeitas.

Como os pesquisadores se engajaram na prática de tiro ao alvo, a maioria das partículas alfa navegava através do ouro como se fosse papel tissue. Mas, de vez em quando, as partículas iam se afastando em uma direção aleatória. E de vez em quando (cerca de 1 em cada 20.000 tiros, e sim, os cientistas contavam manualmente), uma partícula alfa fazia ricochete no ouro, batia de volta da forma como tinha vindo.

Relacionado: As 5 Experiências Mais Engenhosas em Astronomia e Física

Amazedora! O que é que estas pequenas partículas nos diziam sobre os átomos de ouro? A única explicação que fazia sentido, os pesquisadores concluíram, era que a grande maioria da massa do átomo estava concentrada em um volume muito pequeno. E este “núcleo” deve ser carregado positivamente. Como a carga total do átomo tinha que ser neutra, então os elétrons devem ser muito pequenos e nadar, orbitar ou dançar ao redor desse núcleo em uma nuvem solta.

Então, quando as partículas alfa atravessam, elas quase sempre encontram apenas um espaço vazio. Mas uma partícula gravemente azarada pode olhar para fora – ou pior, bater de frente – o núcleo, alterando dramaticamente a trajetória da bala.

Assim, quase cem anos depois de Dalton ter defendido conclusivamente a existência do átomo indivisível, e ao mesmo tempo em que Einstein estava fornecendo uma maneira de medir diretamente esses átomos, Thomson e Rutherford descobriram que o átomo não era de todo indivisível. Em vez disso, ele era feito de pedaços ainda mais pequenos.

Então, ao mesmo tempo em que solidificámos a teoria atómica, obtivemos o nosso primeiro gosto do mundo subatómico. A partir daí, ele ficou muito mais confuso.

• Atomos Altracolhidos Proporcionam uma Visão da Expansão Dramática do Universo Primitivo
• Esses ‘Assustadores’ Átomos Enredados Só Trouxeram a Computação Quântica Um Passo Mais Perto
• Cientistas Criam ‘Star Trek’ Temático ‘Atom Art’

Aprendam mais ouvindo o episódio “Como Descobrimos que Essas Coisas São Feitas de Átomos?” no podcast “Ask a Spaceman”, disponível no iTunes e na web em http://www.askaspaceman.com. Obrigado a Bill S. pelas perguntas que conduziram a esta peça! Faça sua própria pergunta no Twitter usando #AskASpaceman ou seguindo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter. Siga-nos no Twitter @Spacedotcom e no Facebook.