Como J.J. Thomson propôs a explicação para a natureza elétrica da matéria?

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A figura acima nos mostra o aparato experimental montado por Thomson, em 1897. Em seu aparato, Thomson acoplou duas placas metálicas, que funcionavam como eletrodos positivo e negativo, em um tubo de vidro cujas paredes eram recobertas com material fluorescente. No interior do tubo, ele injetou gás rarefeito.

Foi através desse experimento que Thomson tentou aplicar uma grande tensão aos terminais das placas e notou que um brilho iluminava a parede oposta ao eletrodo negativo. A explicação para esse brilho foi a emissão de partículas, pelo eletrodo negativo, que incidiam no material fluorescente. Essas partículas eram atraídas por placas carregadas positivamente; e repelidas por outras, carregadas negativamente.

Thomson estudou também as partículas emitidas por superfícies metálicas iluminadas por luz ultravioleta (efeito fotoelétrico) e por filamentos incandescentes (efeito termoiônico). Ele concluiu que, embora se tratasse de situações diferentes, essas partículas eram idênticas às emitidas pelo eletrodo negativo no tubo de seu experimento e provinham do interior do átomo.

Essas partículas subatômicas, que foram denominadas elétrons, apresentam uma propriedade nova: são carregadas eletricamente e repelem-se entre si, vencendo a força de atração gravitacional que existe entre suas massas.

Ao final do século XIX, cientistas realizaram inúmeras experiências para confirmar a existência dos elétrons. Portanto, ao contrário do que Demócrito pensava, o átomo era divisível. Thomson propôs, em 1898, um novo modelo, segundo o qual o átomo seria uma esfera maciça cuja massa correspondia praticamente à massa total do próprio átomo.

Nessa esfera estariam os elétrons com carga negativa. Como o átomo apresentava-se eletricamente neutro, Thomson afirmou que a matéria que constituía a esfera era carregada positivamente.

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O átomo é a menor porção em que pode ser dividido um elemento químico, até fins do século XIX, era considerado a menor porção da matéria. Mas nas duas últimas décadas daquele século, as descobertas do próton e do elétron revelaram o equívoco dessa idéia.

Através de experimentos científicos com descargas elétricas de gases e com a radioatividade, o físico inglês Joseph John Thomson em 1903 modificou o modelo atômico de Dalton. Ele acreditava que a matéria era formada por cargas elétricas positivas e negativas distribuídas, ao acaso, na esfera. A quantidade de cargas positivas e negativas seriam iguais e dessa forma o átomo seria eletricamente neutro.

As experiências realizadas no século XIX, juntamente com o átomo de Thomson, possibilitaram a descoberta do próton e do elétron. O modelo atômico de Thomson consiste em uma esfera carregada positivamente e que elétrons de carga negativa ficam incrustados nessa. Este modelo de átomo, muitas vezes é chamado de modelo de "pudim de ameixas".

Segundo Thomson, os elétrons deveriam ser distribuídos uniformemente nos átomos em decorrência da repulsão eletrostática entre eles (cargas de sinais iguais se repelem), mas poderiam oscilar em torno de suas posições de equilíbrio emitindo radiação eletromagnética (segundo o Eletromagnetismo, elétrons oscilando emitem radiação).
Mais tarde, com novos experimentos, Thomson postulou que os elétrons estavam situados em anéis e esses se movimentam em órbitas ao redor da esfera positiva.

Embora esse aspecto do modelo de emissão de radiação fosse qualitativamente consistente com as observações, não apresentava concordância quantitativa com o que era medido experimentalmente, indicando que esse modelo deveria ser abandonado.

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O modelo atômico de Thomson corresponde a uma esfera carregada positivamente com vários elétrons (partículas negativas) incrustados e distribuídos aleatoriamente.

O modelo atômico aceito por quase todo o século XIX foi o proposto por Dalton, que, conforme pode ser visto no texto Modelo Atômico de Dalton, basicamente se tratava de uma esfera maciça e indivisível.

Entretanto, esse modelo não explicava as características elétricas da matéria, que já eram conhecidas desde a época do filósofo e matemático grego Tales de Mileto (640-546 a.C.). Ele demonstrou que o atrito de um pedaço de âmbar (resina fossilizada) com seda ou lã fazia com que eles ficassem eletricamente carregados, tanto que dois pedaços de âmbar atritados repeliam-se e, por outro lado, eles atraíam a seda ou lã. A palavra âmbar em grego é elektron e daí que veio o uso da palavra “eletricidade”.

Benjamin Franklin (1706-1790) chamou essas cargas elétricas opostas de carga positiva e carga negativa. Ele também realizou experimentos envolvendo eletricidade, como um que ficou bastante famoso em razão do perigo envolvido, quando ele colocou uma chave em uma pipa e um raio durante uma tempestade foi atraído pela chave.

Além disso, no início do século XIX, os cientistas já realizavam várias experiências envolvendo eletricidade, como a eletrólise (passagem de corrente elétrica por um sistema líquido) feita por Faraday e a pilha elétrica criada por Volta, em que havia condução de corrente elétrica por metais.

Assim, para explicar esses fenômenos, o cientista Joseph John Thomson (1856-1940) realizou vários experimentos envolvendo um dispositivo chamado de ampola de Crookes ou tubo de raios catódicos. Esse dispositivo foi criado pelo físico inglês Willian Crookes (1832-1919), sendo feito de um tubo de vidro vedado, com um gás sob baixa pressão (atmosfera rarefeita), em que ele aplicava uma tensão. Isso era feito porque dentro do tubo haviam dois eletrodos, ou seja, de um lado tinha um fio de metal ligado ao polo positivo de uma fonte de alta tensão, que ficou sendo chamado de ânodo, e do outro havia outro metal, chamado de cátodo, que estava ligado ao polo negativo. É interessante que a palavra eletrodo significa “caminho para a eletricidade”.

Quando a alta tensão era ligada, podiam-se observar raios saindo do cátodo e indo em direção ao ânodo. Esses raios foram chamados, então, de raios catódicos.

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J. J. Thomson observou que essas cargas elétricas tinham massa, pois, colocando-se uma ventoinha entre os dois eletrodos, quando os raios catódicos passavam, eles movimentavam a ventoinha. Além disso, como se pode ver na imagem abaixo, quando se colocava um campo elétrico produzido por placas eletrizadas, esses raios sofriam um desvio e eram atraídos pelo polo positivo do campo elétrico. Isso comprovou que os raios catódicos eram um feixe de partículas negativas:

Essa não era uma propriedade somente para um tipo de gás, mas para qualquer gás que fosse usado no tubo, o resultado desse experimento era sempre o mesmo. Portanto, essas partículas negativas, que foram chamadas de elétrons, eram parte constituinte dos átomos de toda matéria, ou seja, dos átomos de qualquer elemento químico.

Desse modo, Thomson propôs um novo modelo atômico, que continuava esférico como o de Dalton, porém, que explicava a natureza elétrica da matéria. Para Thomson, o átomo não seria indivisível, como Dalton propôs, mas sim divisível, ou seja,ele possuiria partículas menores de carga negativa, os elétrons, que ficavam distribuídos aleatoriamente sobre uma esfera carregada positivamente. A esfera tinha que ser positiva para neutralizar as cargas negativas dos elétrons, tendo em vista que o átomo é eletricamente neutro.

Esse modelo ficou conhecido como modelo do pudim de passas. A analogia entre o pudim de passas e o modelo atômico de Thomson é igual à do panetone abaixo, em que as uvas passas ficam distribuídas aleatoriamente e incrustadas na massa, sendo que a carga positiva do átomo corresponde a essa massa e os elétrons correspondem às uvas passas.

Aproveite para conferir nossas videoaulas sobre o assunto:

Por Jennifer Rocha Vargas Fogaça

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