Modelo pudim de ameixa

O modelo de pudim de ameixa do átomo

O modelo atual da estrutura subatômica envolve um núcleo denso cercado por uma "nuve" probabilística de elétrons

O modelo do pudim de ameixa é um dos vários modelos científicos históricos do átomo. Proposto pela primeira vez por J. J. Thomson em 1904 logo após a descoberta do elétron, mas antes da descoberta do núcleo atômico, o modelo tentou explicar duas propriedades dos átomos então conhecidas: que os elétrons são partículas carregadas negativamente e que os átomos não têm carga elétrica líquida.. O modelo do pudim de ameixa tem elétrons rodeados por um volume de carga positiva, como "ameixas" embutido em um "pudim" carregado positivamente.

Visão geral

Sabe-se há muitos anos que os átomos contêm partículas subatômicas carregadas negativamente. Thomson os chamou de "corpúsculos" (partículas), mas eles eram mais comumente chamados de "elétrons", o nome que G. J. Stoney havia cunhado para a "unidade fundamental de quantidade de eletricidade" em 1891. Também se sabia há muitos anos que os átomos não têm carga elétrica líquida. Thomson sustentou que os átomos também devem conter alguma carga positiva que cancela a carga negativa de seus elétrons. Thomson publicou seu modelo proposto na edição de março de 1904 da Philosophical Magazine, a principal revista científica britânica da época. Na visão de Thomson:

... os átomos dos elementos consistem em um número de corpúsculos eletrificados negativamente fechados em uma esfera de eletrificação positiva uniforme,...

O modelo de Thomson foi o primeiro a atribuir uma estrutura interna específica a um átomo, embora sua descrição original não incluísse fórmulas matemáticas. Ele seguiu o trabalho de William Thomson, que escreveu um artigo propondo um átomo de vórtice em 1867, J.J. Thomson abandonou seu "átomo nebular" hipótese, baseada na teoria dos vórtices do átomo, em que os átomos eram compostos de vórtices imateriais e sugeriu que havia semelhanças entre o arranjo dos vórtices e a regularidade periódica encontrada entre os elementos químicos. Thomson baseou seu modelo atômico em evidências experimentais conhecidas da época e, de fato, seguiu o exemplo de Lord Kelvin novamente, pois Kelvin havia proposto um átomo de esfera positiva um ano antes. A proposta de Thomson, baseada no modelo de Kelvin de uma carga de volume positivo, serviu para orientar experimentos futuros.

O principal objetivo do modelo de Thomson após sua publicação inicial era explicar o estado eletricamente neutro e quimicamente variado do átomo. As órbitas dos elétrons eram estáveis sob a mecânica clássica. Quando um elétron se afasta do centro da esfera carregada positivamente, ele é submetido a uma força interna positiva líquida maior devido à presença de mais carga positiva dentro de sua órbita (consulte a Lei de Gauss). Os elétrons estavam livres para girar em anéis que foram posteriormente estabilizados por interações entre os elétrons, e as medições espectroscópicas foram feitas para explicar as diferenças de energia associadas a diferentes anéis de elétrons. Quanto às propriedades da matéria, Thomson acreditava que surgiam de efeitos elétricos. Ele enfatizou ainda mais a necessidade de uma teoria para ajudar a retratar os aspectos físicos e químicos de um átomo usando a teoria dos corpúsculos e da carga positiva. Thomson tentou, sem sucesso, remodelar seu modelo para explicar algumas das principais linhas espectrais conhecidas experimentalmente por vários elementos. Após a descoberta científica da radioatividade, Thomson decidiu abordá-la em seu modelo afirmando:

... devemos enfrentar o problema da constituição do átomo, e ver se podemos imaginar um modelo que tem nele a potencialidade de explicar as propriedades notáveis mostradas por substâncias radioativas...

O modelo de Thomson mudou ao longo de sua publicação inicial, tornando-se finalmente um modelo com muito mais mobilidade contendo elétrons girando no campo denso de carga positiva em vez de uma estrutura estática. Apesar disso, o apelido coloquial "pudim de ameixa" foi logo atribuído ao modelo de Thomson, pois a distribuição de elétrons dentro de sua região do espaço carregada positivamente lembrou muitos cientistas de passas, então chamadas de "ameixas", na sobremesa inglesa comum, pudim de ameixa.

Um pudim de ameixa

Em 1909, Hans Geiger e Ernest Marsden conduziram experimentos onde partículas alfa foram disparadas através de finas folhas de ouro. Seu professor, Ernest Rutherford, esperava encontrar resultados consistentes com o modelo atômico de Thomson. No entanto, quando os resultados foram publicados em 1911, eles indicaram a presença de um núcleo muito pequeno de carga positiva no centro de cada átomo de ouro. Isso levou ao desenvolvimento do modelo atômico de Rutherford. Imediatamente após Rutherford publicar seus resultados, Antonius van den Broek fez a proposta intuitiva de que o número atômico de um átomo é o número total de unidades de carga presentes em seu núcleo. Os experimentos de Henry Moseley em 1913 (ver Lei de Moseley) forneceram as evidências necessárias para apoiar a proposta de Van den Broek. A carga nuclear efetiva foi considerada consistente com o número atômico (Moseley encontrou apenas uma unidade de diferença de carga). Esse trabalho culminou no modelo de Bohr do átomo semelhante ao sistema solar no mesmo ano, no qual um núcleo contendo um número atômico de cargas positivas é cercado por um número igual de elétrons em camadas orbitais. Assim como o modelo de Thomson guiou os experimentos de Rutherford, o modelo de Bohr guiou a pesquisa de Moseley. O modelo de Bohr foi elaborado durante o tempo da "velha teoria quântica" e, em seguida, subsumido pelo desenvolvimento pleno da mecânica quântica.

Problemas científicos relacionados

Como um importante exemplo de modelo científico, o modelo do pudim de passas motivou e orientou vários problemas científicos relacionados.

Tamanho atômico e constantes científicas

O modelo do pudim de passas com um único elétron foi usado em parte pelo físico Arthur Erich Haas em 1910 para estimar o valor numérico da constante de Planck e o raio de Bohr dos átomos de hidrogênio. O trabalho de Haas foi o primeiro a estimar esses valores dentro de uma ordem de grandeza e precedeu o trabalho de Niels Bohr em três anos.

Problema matemático de Thomson

Um problema matemático particularmente útil relacionado ao modelo do pudim de passas é a distribuição ótima de cargas pontuais iguais em uma esfera unitária, chamada de problema de Thomson. O problema de Thomson é uma consequência natural do modelo do pudim de ameixa na ausência de sua carga de fundo positiva uniforme.