O que é menor do que aquilo que não podemos ver? O caminho até a confirmação da existência dos átomos

“Se, em algum cataclisma, todo o conhecimento científico for destruído e só uma frase puder ser passada para a próxima geração, qual seria a afirmação que conteria maior quantidade de informação na menor quantidade de palavras? Eu acredito que seria a hipótese atômica de que todas as coisas são feitas de átomos […]” – Richard Philips Feynman (1918 – 1988)

A profundidade em que a ciência e as suas aplicações tecnológicas tem no tecido social faz com que algumas concepções que nos pareçam óbvias demais para serem discutidas. Em outros casos, os conceitos parecem ser complexos demais para valer o esforço de compreendê-lo, já que nem sempre é necessário entender como e por que determinada tecnologia funciona ou as razões de um fenômeno natural. Basta que funcione e está tudo bem.

Essa forma de pensamento, como defende o sociólogo italiano Mario Alighieri Manacorda, promove o chamado “culto ao mágico”, em que o conhecimento científico é descartado ou tratado com irrelevância frente às tecnologias, É como acender uma lâmpada: no geral, nos interessamos apenas em apertar o interruptor e perceber o ambiente mais iluminado. Mas pouco nos preocupamos em entender como e o que acontece quando ligamos o interruptor. Desta forma, ainda para o sociólogo, o conhecimento científico sobre determinado fenômeno produz uma vantagem do grupo que o possui sobre os outros, dando início a um ciclo vicioso de desigualdades econômicas e sociais.   Um dos termos que melhor definem a relação entre a ciência, a tecnologia e a nossa sociedade foi proposto pelo francês Gérard Fourez, em 1994. O termo “sociedade tecnonatural”, como o autor define, é uma condição na qual ciência e tecnologia estão enraizados de forma indissociável do cotidiano. Não há como negar a dependência tecnológica em que vivemos, nem a influência que a ciência (mesmo quando se tenta negá-la a todo custo) possui sobre nós.  

De fato, muitas aplicações tecnológicas do conhecimento científico escondem questões que raramente são discutidas justamente por parecerem ter respostas óbvias para todos. Tente você responder as questões a seguir sem o auxílio do Google: como uma impressora funciona? Como alguns elementos, como o urânio, o césio e o polônio, podem emitir radiação e por que ela é prejudicial aos seres vivos? O que faz as lâmpadas acenderem?   A resposta por todas essas questões passa pela nossa compreensão do mundo atômico, ou seja, das interações entre partículas que são, em média, um trilhão de vezes menores do um grão de areia e que são responsáveis pela existência de tudo aquilo que conhecemos enquanto universo. Das galáxias aos grãos de açúcar, das estrelas aos vírus: tudo é feito de átomos. E embora você tenha sido convencido de sua existência, é justo perguntar: como sabemos que eles estão lá?

Escalas aproximadas de alguns átomos | Reprodução de http://htwins.net/scale2/lang.html

O átomo como elemento da filosofia da Grécia Antiga

A ideia de átomo remonta à Grécia Antiga, especificamente ao filósofo Demócrito (460 – 370 a.C). Embora outros filósofos já tivessem proposto uma ideia semelhante, coube a ele propor que a matéria e a alma humana eram formados por infinitos átomos de formatos diferentes e que se chocavam aleatoriamente. Embora guarde semelhanças com a nossa atual ideia do átomo e de suas interações, a proposta de Demócrito fora abandonada por duas razões principais: a existência do vazio, isto é, a possibilidade de átomos se moverem em espaços que nada continham (ou matéria descontínua, como chamamos atualmente) e a premissa fortemente defendida de que a matéria era composta por cinco elementos fundamentais: água, ar, fogo e terra para os objetos terrestres e o éter, para objetos celestes. Aliás, era a partir dessa concepção que Aristóteles (384 – 322 a.C.) propôs a explicação para diversos fenômenos físicos, como a chuva e a queda-livre dos corpos, mas sem adotar um modelo experimental para testar aquilo que defendia (o que, naquela época, não era algo necessário para que um conhecimento fosse reconhecido como verdadeiro).

Entram em cena os modelos atômicos

Foi só no século XIX que a discussão sobre a composição da matéria voltou à tona. O desenvolvimento de máquinas à vapor e do domínio da eletricidade e todos os frutos colhidos com o desenvolvimento da termodinâmica propuseram novos desafios aos cientistas, especialmente tentar compreender a natureza do comportamento do vapor e das radiações provenientes da interação entre campos elétricos e o magnetismo. A ideia grega de formação da matéria a partir dos átomos tinha forte oposição de cientistas que encontravam na filosofia positivista de Augusto Comte a melhor forma de fazer ciência: para estes, só se poderia fazer ciência a partir da observação de algo. Como então faríamos ciência com algo que não podemos ver, como o átomo?   A dificuldade em enxergar um átomo não provém de um defeito tecnológico, mas de uma característica inerente a todo objeto que conseguimos ver: toda imagem é resultado da reflexão das ondas luminosas que chegam aos nossos olhos; só que o átomo é ainda menor que o comprimento de onda da luz, de modo que quando ela chega até o átomo, não consegue ser refletida e chegar em nossos olhos, mesmo com o auxílio de um microscópio.   Então, o que podemos fazer para tentar compreender algo que não podemos ver? Propondo um modelo, isto é, uma representação simplificada do que determinado fenômeno tem como característica e então, o comparamos com a realidade, de modo a ajustá-lo ou descartá-lo.

Podemos imaginar que esse arranjo de coisas móveis que constitui o mundo seja algo como uma grande partida de xadrez jogada pelos deuses, e nós somos os observadores do jogo. Não conhecemos as regras, e tudo que podemos fazer é observá-lo. É claro que, se insistirmos na observação, acabaremos captando algumas das regras, e estas formam a física fundamental. Quando conhecermos todas as regras, estaremos “entendendo” o mundo. – Richard P. Feynman

Só que muitas coisas que podemos enxergar não possuem consenso científico necessário para tornar um conhecimento apto a servir de base para outros conhecimentos e até tecnologias – o que, de certa forma, contribuiu para o descarte do positivismo científico ao longo do século XX. Em 1827, o botânico escocês Robert Brown observou uma situação intrigante quando colocou grãos de pólen imersos em água sob as lentes de seu microscópio: algumas partículas pareciam se desprender do pólen e se movimentar de forma aleatória. O que a princípio poderia ser um novo organismo, foi também observado em rochas (que sabemos não serem organismos vivos). Mas ainda havia um longo caminho para explicar o significado desta descoberta de Brown.

Ilustração do movimento brownliano

Ele está lá, sim senhor!

Uma das mais conhecidas personalidades da história contemporânea é o físico alemão Albert Einstein (1879 – 1955). Em 1905, Einstein publicou quatro artigos que mais tarde mudaram o conhecimento científico e a nossa visão de mundo: os dois artigos sobre a teoria da relatividade (geral e restrita), o artigo que explica o efeito fotoelétrico (pelo qual recebeu o Nobel de 1921) e sobre o movimento browniano (nome dado ao movimento observado por Robert Brown), que ocorre por conta das interações entre os átomos das partículas suspensas é dos átomos do líquido ou do gás onde estão. Essa interação é na verdade um choque aleatório entre os átomos, que provoca o movimento observado pelo botânico no fim do século XIX. O artigo de Einstein foi a pedra fundamental que colocou a existência do átomo como uma possibilidade concreta.

Modelo atômico de Dalton e as ligações atômicas
formando as moléculas | Wikipédia

O primeiro modelo atômico moderno proposto para (tentar) caracterizar o átomo fora feito pelo químico e físico inglês John Dalton (1766 – 1844). Em seu trabalho publicado em 1803, “Absorption of Gases by Water and Other Liquids“, (Absorção de gases pela água e outros líquidos) Dalton concebeu o átomo como uma partícula maciça, indivisível (conforme o significado do termo grego atomos que deu origem a palavra “átomo”), cujas propriedades químicas de um mesmo elemento eram idênticas, mas distintas em elementos diferentes. O modelo da bola de bilhar, como ficou conhecido, foi aceito e a partir dele, os estudos sobre a natureza atômica foram retomados.  

Mas o modelo de Dalton mostrou-se incorreto por uma descoberta um tanto quanto revolucionária. Em 1897, J.J. Thompson descobriu, utilizando um tubo de Crookes, o elétron, que vem a ser a partícula negativa do átomo. O átomo não poderia mais indivisível como propôs Dalton.

Um novo modelo, que agora deveria incluir a descoberta de Thompson, teve de ser formulado. O próprio Thompson propôs o seu modelo em que os elétrons estavam localizados próximos a uma estrutura fixa e possivelmente de carga positiva. Este modelo ficou conhecido como “pudim de passas”, em que as passas representam os elétrons e o centro do pudim, o núcleo atômico.   Um fato interessante a respeito do átomo é que possui carga elétrica igual a zero, isto é, ele é eletricamente neutro. De fato, para que isso ocorresse, haveria a necessidade da existência de alguma partícula positiva na região central do átomo. Partindo dessa premissa, o físico neozelandês Ernest Rutherford dirigia o laboratório em que seus alunos de doutorado Hans Geiger e Ernest Marsden – Geiger é também conhecido por ter desenvolvido o equipamento com o qual mediu a radiação emitida, o contador Geiger – conduziram um experimentos que bombardeava finas folhas de ouro com radiação alfa, cuja carga elétrica é positiva. O que se esperava observar era a passagem completa da radiação pela folha, mas na realidade, algumas partículas recochetearam e foram detectadas pelo equipamento desenvolvido por Geiger. Nas palavras de Rutherford:  

Foi a coisa mais incrível que aconteceu em toda a minha vida. Era tão incrível como se você atirasse uma bala contra um pedaço de papel e o projetil ricocheteasse de volta.

Rutherford, ao explicar a sua reação com o que fora observado em seu experimento

A incredulidade de Rutherford se justificava. Afinal, os resultados experimentais não eram condizentes com nenhuma teoria aceita à época. Se havia repulsão entre as cargas, ela era provocada pela existência de uma região dotada com esse mesmo tipo de partícula (neste caso, partículas positivas) nas folhas de ouro. Não apenas o próton fora descoberto como o modelo atômico de Thompson fora superado pelo modelo proposto por Rutherford. A ideia de que haveria um núcleo com partículas positivas dentro era revolucionária: de uma só vez, mudaria o modelo atômico e ainda traria à cena o próton, a partícula positiva do átomo. Rutherford, de início, não aceitou os resultados obtidos pelo experimento conduzido por seus dois alunos, exigindo novas análises e, mesmo com os resultados consistentes, ainda se refugiou por alguns dias em sua casa de veraneio para refletir sobre a descoberta.

Átomo de Rutherford. Ao centro, em preto, está o núcleo atômico onde estão os prótons; em vermelho, orbitando o núcleo, estariam os elétrons – as partículas negativas | Wikipédia

A característica principal do átomo de Rutherford é a previsão da existência de um núcleo atômico, onde estão as partículas positivas (ou prótons) que eram orbitados pelos elétrons, tal qual o Sol é orbitado pelos planetas do sistema solar. Mas havia um problema: de acordo com esse modelo, o fato de o elétron orbitar o núcleo atômico faria com ele instantaneamente caísse no núcleo e aniquilasse o átomo. De fato, isso não é o que acontece – do contrário, nenhum átomo sobreviveria tempo suficiente para formar qualquer elemento. Então, o que faltava ao modelo atômico de Rutherford? A resposta veio com os postulados do dinamarquês Niels Bohr, em 1913: os elétrons ocupam determinados níveis energéticos e para que eles mudem de nível, é necessário uma quantidade de energia quantizada, isto é, uma quantidade de energia específica múltipla de um número inteiro (1, 2, 3, etc.). Quando os elétrons mudam de nível energético, emitem um fóton, a partícula que compõe a luz.

Representação do modelo atômico proposto por Neils Bohr | Wikipédia

O modelo de Bohr trouxe uma explicação condizente à época do por que os elétrons não caem no núcleo atômico (e ainda por cima explica por que o vidro é transparente: como a luz que o atravessa não tem energia suficiente para interagir com os elétrons e fazê-los mudar de nível, a luz simplesmente o atravessa). Mas o seu modelo não era lá muito próximo ao que era previsto pelas leis da mecânica quântica, que embora ainda estivessem em desenvolvimento – a física moderna começou a ser estruturada menos de 20 anos antes – já determinava um caráter muito mais probabilístico do que o modelo do físico dinamarquês previa.   A estrutura base do átomo – núcleo e eletrosfera – era um consenso. Entretanto, a não conformidade com as previsões da mecânica quântica era uma dor de cabeça para muitos físicos: afinal, o que estava incorreto? A mecânica quântica? O modelo de bohr? Ou havia uma nova situação não prevista por ninguém até ali? Para piorar a situação, o físico francês Louis De Bloglie lançou mão de uma hipótese extremamente revolucionária quando explicou os resultados obtidos para o seu doutorado: elétrons tem um comportamento dual, isto é, podem se comportar como partícula ou como onda. Isso mesmo: para ele, o elétron poderia ser uma partícula (como um grão de areia, uma pedra) e uma onda (como as ondas que compõem o sinal de telefonia móvel ou das rádios que ouvimos todos os dias). Estranho, né?

Mas em 1927, experimentos com a difração dos elétrons mostraram que esse comportamento era mesmo possível. Coube ao físico alemão Erwin Schrödinger (o mesmo que propôs o famoso experimento mental do “gato de schrödinger”) apresentar uma relação matemática de função de onda, isto é, foi ele quem conseguiu determinar a expressão matemática que relacionava o comportamento ondulatório do elétron com a sua energia potencial. Um pouco mais tarde, em 1928, outro físico alemão, Max Born, descobriu a relação entre a função de onda de Schrödinger e a probabilidadede se encontrar um elétron em uma determinada posição do espaço. Probabilidade. Essa relação determinada por Born trouxe grandes implicações conceituais e filosóficas para a física moderna. O determinismo teria de dar lugar ao probabilístico. Se antes poderíamos determinar a posição de uma partícula, agora teríamos que nos contentar em determinar a probabilidade dela estar lá.  

De fato, a impossibilidade de se determinar com certeza a posição de uma partícula dividiu os físicos. Em uma famosa troca de correspondências entre Albert Einstein e Niels Bohr, Einstein argumentava que a natureza não deveria permitir esse tipo de comportamento:  

Deus não joga dados com o universo!  

Bohr, em sua resposta, disse:  

Pare de dizer a Deus como Ele deve se comportar!

A estrutura básica do átomo  – núcleo e eletrosfera – estava definida antes do fim da década de 1940, quando a última das partículas elementares que compõem o átomo foi descoberta por James Chadwick (1891 – 1974). O nêutron tem a mesma massa do próton e também se localiza no núcleo atômico, mas não possui carga elétrica. Estava formada a estrutura básica de um átomo, que não é restrita a essas três partículas. Mas isso é assunto para outro momento.  

A elaboração do modelo atômico e as suas correções ao longo da história mostraram que nem sempre é necessário observar algo para que possamos estudá-la e compreender a sua estrutura.

O que temos até aqui

A compreensão da estrutura atômica permitiu o desenvolvimento de diversas tecnologias, especialmente aquelas aplicadas na melhoria de qualidade, resistência e durabilidade de materiais, medicamentos, exploração espacial e o desenvolvimento das telecomunicações. Embora ainda não tenhamos enxergado um átomo, nós já conseguimos algumas proezas nesse sentido: a nanotecnologia, em que ligações atômicas são manipuladas de modo a modificar determinadas características de um material. Assim, não é difícil encontrar as implicações do conhecimento atômico no cotidiano. Mesmo que não vejamos, ele está lá. Igualzinho o Sol entre as nuvens.  

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Para saber mais:

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