Modelos Atômicos (parte II)

Este texto é uma continuação do conteúdo do artigo Modelos Atômicos (parte I), encontrado neste blog. Neste artigo, o Modelo Atômico Quântico, o qual é usado atualmente, é apresentado com mais detalhes e ele descreve a estrutura do átomo baseado na Mecânica Quântica. 

Apesar do Modelo Atômico de Bohr considerar alguns princípios na Mecânica Quântica, ele tinha suas limitações e não conseguia descrever diversos fenômenos. Assim, na década de 1920, com o amadurecimento da Mecânica Quântica, foi possível um maior entendimento da natureza física do átomo e um novo modelo atômico pode ser desenvolvido. Nesse contexto, duas grandes teorias tiveram uma contribuição significativa para o surgimento de um modelo atômico mais completo: a dualidade onda-partícula e a Equação de Schrödinger. Essas teorias estão resumidas a seguir: 

• Dualidade onda-partícula: essa teoria foi elaborada pelo físico francês Louis DeBroglie e ela postula que toda partícula tem características de onda e toda onda tem características de partícula. A dualidade onda-partícula foi embasada por diversos fenômenos, como o Efeito Fotoelétrico, descrito por Albert Einstein, e a difração de elétrons, fenômeno observado por DeBroglie. A partir disso, o elétron passou a ser entendido como uma entidade que se comporta tanto como uma onda quanto como uma partícula; 

• Equação de Schrödinger: proposta pelo físico austríaco Erwin Schrödinger, a Equação de Schrödinger é uma equação que descreve o comportamento de uma partícula, considerando que essa partícula tem características de onda. A equação parte do princípio de que a energia total de uma partícula é igual à soma da energia cinética e da energia potencial dessa partícula. Desta forma, o comportamento do elétron passa a ser descrito pela Equação de Schrödinger. De uma forma simplificada, a Equação de Schrödinger é escrita da seguinte maneira:

Além das teorias mencionadas, outras teorias da Mecânica Quântica foram levadas em consideração para o desenvolvimento do Modelo Atômico Quântico, como o Princípio da Incerteza de Heisenberg, a Teoria da Relatividade e o Princípio da Exclusão de Pauli.

Baseado nesses princípios, o Modelo Atômico Quântico foi elaborado. Nesse modelo, o elétron não é mais visto como uma partícula localizada em órbitas estacionárias. Ao invés disso, o elétron passa a ser considerado uma entidade que ocupa certas regiões no espaço do átomo, as quais são chamadas orbitais atômicos. Os orbitais atômicos, então, correspondem a regiões no átomo em que é possível encontrar o elétron e eles são obtidos a partir da resolução da Equação de Schrödinger. Assim, quando a Equação de Schrödinger é resolvida, a função matemática ψ(x), a qual descreve o comportamento de onda do elétron, é obtida como resultado e essa função gera o orbital atômico. Na Figura 1, três exemplos de orbitais atômicos são mostrados: um orbital do tipo 2p, um do tipo 3d e outro do tipo 4f. Pode-se ver que esses orbitais representam regiões no espaço, de modo que essas regiões correspondem a espaços no átomo em que é possível encontrar elétrons. 

Figura 1. Exemplos de orbitais atômicos, obtidos a partir da resolução da Equação de Schrödinger. As cores azul e vermelha indicam quando a função ψ(x) tem um sinal negativo (vermelho) e quando tem um sinal positivo (azul). 

Os nomes 2p, 3d e 4f são formas simplificadas de se referir aos orbitais atômicos e essa nomenclatura surge a partir dos números quânticos. Esses números são obtidos a partir da função ψ(x) que descreve o elétron e eles representam os principais parâmetros dos orbitais atômicos: energia do orbital, momento angular do orbital, momento magnético do orbital e momento magnético do elétron. Os números quânticos e como eles são usados para representar os orbitais atômicos são discutidos com mais detalhes em outro artigo desde blog. 

Com a descrição do elétron por meio dos orbitais atômicos, o Modelo Atômico Quântico consegue explicar muito bem a estrutura da matéria e, até então, ele não tem falhado em descrever os fenômenos físicos da natureza. Com relação ao núcleo atômico, as partículas que compõem o núcleo também passaram a ser entendidas pelos princípios da Mecânica Quântica e modelos próprios para descrever o núcleo atômico foram elaborados. Uma descrição mais detalhada dos modelos que descrevem o núcleo atômico estão em outro artigo desde blog.