Ele nasceu em 25 de dezembro e mudou a história do mundo: quem foi Isaac Newton

Talvez o maior cientista de todos os tempos, inglês revolucionou a ciência

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07/01/2020

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Por: Marcus Cabral

SÃO PAULO | BBC NEWS BRASIL

"Que os mortais se regozijem por ter existido tamanho ornamento da raça humana." Este epitáfio, escrito em latim sobre o seu túmulo, na Abadia de Westminster, em Londres, dá uma ideia da importância de Isaac Newton para a ciência e a humanidade em geral.

Considerado um dos maiores —se não o maior— cientistas de todos os tempos, ele nasceu em 25 de dezembro de 1642, ano da morte de Galileu Galilei, em Woolsthorpe, perto de Cambridge, na Inglaterra, e morreu em 20 de março de 1727, em Kensington, no mesmo país.

Na verdade, há controvérsias sobre essas datas. Não porque elas estejam erradas, mas por causa da substituição do calendário juliano, implantado pelo imperador romano Júlio César, em 46 a.C., pelo gregoriano, instituído pelo papa Gregório 13, em 15 de outubro de 1582.

Isaac Newton usou uma prisma para separar a luz do sol em cores - Getty Images

Em artigo publicado pelo Centro de Referência em Ensino de Física (Cref), ligado à Universidade Federal do Rio Grande do Sul (Ufrgs), o físico Fernando Lang da Silveira explica que o calendário juliano estava com problemas, pois era sabido que no final do século 16 o equinócio da primavera no hemisfério norte, que por este calendário deveria acontecer em 21 de março, ocorria de fato cerca de dez dias depois.

Então, a Igreja Católica patrocinou astrônomos e cientistas para elaborarem um novo calendário, mais preciso. "Entre outras importantes modificações, ele tomou por base que o ano passasse a ter 365 dias, 5 horas, 49 minutos e 12 segundos", diz Silveira.

O ano juliano, afirma, era cerca de 11 minutos mais curto e, em consequência disso, havia acumulado uma defasagem de cerca de dez dias entre a data em que o equinócio de primavera deveria ocorrer e efetivamente acontecia um pouco antes da reforma gregoriana.

O calendário gregoriano começou na sexta-feira, 15 de outubro de 1582. O dia anterior, de acordo com a bula papal era quinta-feira, 4 de outubro.

"Portanto, os dias civis que iam de 5 a 14 de outubro simplesmente deixaram de existir em 1582 em todos os países católicos", conta Silveira, em seu texto. Ele não foi aceito, entretanto, de imediato em países com outras religiões. A Inglaterra e suas colônias, por exemplo, só o adotaram em 1752.

Ou seja, o nascimento de Newton ocorreu quando ainda vigorava o juliano no seu país, isto é, em 25 de dezembro de 1652. Pelo gregoriano, seria 4 de janeiro de 1643 e a morte em 30 de março de 1727.

"Portanto, ambas as datas estão corretas, dependendo do calendário que se tome por base", conclui Silveira.

INFÂNCIA COMPLICADA

O que é certo é que Newton teve nascimento e infância complicados. Seu pai, um produtor rural analfabeto, havia morrido três meses antes de ele vir ao mundo. Além disso, o futuro físico, matemático e astrônomo nasceu prematuro, com risco de morrer em poucos dias. Sobreviveu, mas aos dois anos foi abandonado pela mãe —que havia se casado de novo e se mudado para outra cidade—, que o deixou aos cuidados da avó até os dez anos.

Nos primeiros anos de estudo, ele não revelou nenhum talento especial. Sua genialidade só começou a aflorar depois que se graduou na Universidade de Cambridge, em janeiro de 1665. Neste ano e no seguinte, considerados os Annus Mirabilis (anos miraculosos) de Newton, ele realizou uma série de trabalho e descobertas que revolucionaram ciências como a matemática, física, ótica e astronomia.

Mas ele continuou produzindo ao longo da vida. Nos 84 anos em que viveu, fez descobertas, criou teorias e desenvolveu métodos e ferramentas matemáticas e físicas que abriram caminho para a Revolução Industrial, ocorrida no século 18, e tornaram possível a exploração espacial e várias tecnologias presentes em muitos equipamentos modernos usados hoje.

Para o astrônomo Augusto Damineli, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, da Universidade de São Paulo (IAG-USP), a contribuição mais importante de Newton foi ter criado a primeira teoria científica da história da humanidade, a da gravitação universal.

"Ela tem três princípios simples, que incluem o conceito de força de atração gravitacional", explica. "A partir disso, se pode deduzir matematicamente o comportamento de corpos sujeitos à gravidade, em qualquer situação particular, desde o movimento de planetas, cujas leis haviam sido obtidas empiricamente por [Johannes] Kepler [1571-1630], a corpos que Newton jamais pensaria em aplicar sua teoria, como estrelas duplas e satélites artificiais."

O físico Othon Winter, da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá (FEG), da Universidade Estadual Paulista (Unesp), lembra que toda a área espacial se baseia na teoria de gravitação universal. "Por exemplo, a órbita de qualquer satélite artificial obedece a lei da gravidade proposta por Newton", diz. "Então, tudo o que usufruímos e é dependente desses artefatos, como GPS, ligações telefônicas e transmissões de TV por eles são uma consequência direta de descobertas feitas por ele."

A MAÇÃ CAIU?

Ao se falar de gravidade, não se pode deixar de mencionar a famosa história de que Newton teria desenvolvido sua teoria depois que uma maçã caiu em sua cabeça. Mas seria ela verdadeira?

"Há diferente versões desta história", diz o físico Ricardo Galvão, ex-diretor do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), que foi eleito pela prestigiosa revista científica britânica Nature como uma das dez pessoas que mais se destacaram no mundo na área de ciência em 2019. Galvão foi exonerado do cargo, em agosto, depois que o presidente da República, Jair Bolsonaro, passou a criticar o Inpe.

O cientista Ricardo Galvão diz que, ao observar a queda de uma maçã em seu pomar, Newton questionou o motivo pelo qual a fruta caiu diretamente para o chão e não para o lado ou para cima. - Arquivo pessoal

De acordo com ele, o que se sabe ter acontecido é que, em 1665, houve uma eclosão da febre bubônica, que forçou Newton a retornar para a propriedade de seus pais, em Woolsthorpe. "Aparentemente, ao observar a queda de uma maçã em seu pomar, ele se questionou porque a fruta caiu diretamente para o chão e não para o lado, ou para cima", explica Galvão.

Ele acredita que se Newton fosse um homem comum, "sensato", talvez tivesse respondido a si mesmo "porque é assim que Deus determinou" (Newton era muito religioso). "Mas não, ele não era um homem comum", diz Galvão. "Perseguindo a resposta à sua indagação de forma lógica, acabou formulando sua famosa teoria da gravitação universal. Mas a história de que ela caiu em sua cabeça muito provavelmente é fantasiosa."

O que é real é que Newton, simultaneamente com o filósofo e matemático alemão Gottfried Wilhelm Leibniz, mas de forma independente, desenvolveu o cálculo diferencial e integral, uma ferramenta matemática que tem aplicações que vão da construção civil às viagens espaciais. "Ela está presente em grande parte do PIB da humanidade, por meio da engenharia de construção civil, transporte (aéreo, terrestre marítimo e no vácuo) e circuitos elétricos, por exemplo", enumera Damineli.

Segundo seu colega no IAG-USP, o também astrônomo Enos Picazzio, é impossível imaginar o que seria o mundo sem a lei de gravitação e o cálculo diferencial e integral.

"Com o cálculo, Newton elaborou métodos analíticos simples para resolver problemas como encontrar áreas, tangentes e comprimentos de curvas, por exemplo", explica. "Essa ferramenta foi fundamental para ele ter desenvolvido suas leis de movimento dos corpos e da gravitação."

Esses trabalhos de Newton estão no seu livro mais famoso, "Princípios Matemáticos da Filosofia Natural", considerado por muitos a obra científica mais importante já publicada.

De acordo com Winter, o cálculo diferencial e integral é um ramo da matemática que é muito utilizado em dois tipos de problemas. "O diferencial é usado para cálculo de taxas de variação de grandezas, ou seja, qualquer problema que envolva movimento ou crescimento/decrescimento de alguma quantidade, como, por exemplo, como a economia evolui ao longo do tempo", explica. "No caso do integral, ele é empregado para calcular a acumulação de quantidades, como o volume de um dado material que é necessário para construir um certo equipamento."

Newton não parou por aí, no entanto. Ele também atuou na área da ótica, pesquisando a natureza da luz e suas propriedades, como refração, difração e a decomposição da branca nas cores do arco-íris. "Com isso, descobriu, que além da luz vermelha, existe a infravermelha que os nossos olhos não veem, que nada mais é que calor", conta Picazzio. Isso o levou a mostrar outra de suas caraterísticas, a de inventor. "Sua invenção do telescópio refletor (o que usa espelho) é consequência dos seus estudos de dispersão e aberração da luz nos telescópios refratores (os que usam lentes)", explica Picazzio.

No gênio científico também existia um lado religioso e místico, no entanto, que lidava com alquimia. "Ciência e religião são incompatíveis nos seus propósitos, mas podem ser complementares sobre o ponto de vista humano", diz Picazzio. "Enquanto a primeira trata do real, procurando por meios técnicos explicar o que ocorre na natureza, a segunda pode satisfazer um aspecto humano para muita gente. Newton era religioso, assim como tantos outros cientistas, porém não foi a fé que o levou a elaborar as suas teorias científicas."

Uma prova disso, segundo ele, é que a ciência progride com trabalhos desenvolvidos tanto por religiosos como por agnósticos e ateus. "Entre eles não há choque de ideias no campo científico, mas há no campo humano", explica. "As leis da natureza atuam em todos os locais, existindo ou não humanos ou outros seres pensantes, caso eles existam. O mesmo raciocínio aplica-se à alquimia. A química que temos hoje é baseada em ciência."

Independentemente de suas crenças, não há como negar a importância de Newton para a ciência em particular e para a humanidade em geral. "De um ponto de vista mais fundamental, creio que a maior contribuição dele foi a consolidação do método científico, expandindo amplamente a metodologia iniciada por Galileu Galilei, ou seja, a formulação de modelos físicos, cujos resultados devem ser passíveis de testes experimentais e de consistência lógica", diz Galvão.

Para a humanidade, diz o ex-diretor do Inpe, a maior contribuição de Newton talvez tenha sido a ideia de que vivemos em um universo mecânico, cuja evolução é descrita por equações matemáticas, mesmo que nem sempre com soluções exatas, e a noção de que a cada ação corresponde uma reação. "Isso fez com que o pensamento humano evoluísse de uma realidade apenas mística para uma baseada também em argumentos lógicos, contribuindo fortemente para a filosofia, teologia e outras áreas que moldaram o desenvolvimento da sociedade moderna", diz.

A history of substance

Michael Gordin applauds a study tracing the tumultuous 70-year trajectory of condensed-matter physics.

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Femtosecond laser systems, which emit ultrashort optical pulses, are used to probe fundamental properties of solid-state materials.Credit: NREL/DOE

Solid State Insurrection: How the Science of Substance Made American Physics Matter Joseph D. Martin University of Pittsburgh Press (2018)

O que é "física"? Desde o nascimento da era nuclear, no final da Segunda Guerra Mundial, a física tem sido frequentemente retratada como a busca para penetrar no átomo; adivinhar os segredos do reino subnuclear de mésons e quarks com aceleradores cada vez mais impressionantes e detectores de partículas cada vez mais gigantescos. A física de alta energia era o material glamouroso que atraía prêmios Nobel e uma ampla cobertura da imprensa. A maioria dos livros sobre a história da física considera a espinha dorsal do campo.

Studying elementary particles is not, however, what most physicists do. By almost all metrics — PhD degrees, articles in flagship journals, memberships in professional societies — the majority were not, and are not, high-energy physicists. Instead, they plough the furrows of what was once known as solid-state physics — better known since the 1970s as condensed-matter physics. This is the science that brought us superconductivity, superfluidity, magnetic memory, liquid-crystal displays and more.

This is the physics that the science historian Joseph Martin presents in Solid State Insurrection — but his focus is not those landmarks. For him, “physics is what physicists decide it is”. This is not some slogan of radical relativism. It is a recognition that physics is a profession, and it is the business of professional groups to police their boundaries.

Condensed-matter physicist Philip Anderson of Bell Labs, who shared the Nobel Prize for Physics in 1977.Credit: Bettmann/Getty

Nos Estados Unidos, a motivação de grande parte desse policiamento foi o acesso ao financiamento: os físicos de alta energia receberam muito do governo e os físicos do estado sólido foram desviados para a indústria. Durante décadas, a condescendência floresceu de um lado e o ressentimento infestou do outro. Os assuntos chegaram ao auge em uma decisão do Congresso de cancelar o que teria sido a joia da coroa da física de alta energia dos EUA, Superconducting Super Collider (SSC), em 1993. Esse cancelamento foi influenciado por críticas perante comitês do Congresso de eminentes condensados. especialistas em matéria, como o ganhador do Prêmio Nobel, Philip Anderson, da Bell Labs.

Essa disputa era mais do que recursos. Já na década de 1970, físicos de estado sólido como Anderson e Alvin Weinberg haviam articulado uma visão alternativa da ciência da física. Os físicos de partículas justificaram-se através de um compromisso com a "ciência pura" que datava das origens da American Physical Society (APS) no final do século XIX. Como a física de alta energia sondava os menores constituintes da matéria, um reducionista diria que essa física era a mais "fundamental". Anderson discordou. Como Martin explica em um excelente capítulo, para Anderson, “física fundamental” era sobre ferromagnetos, bem como sobre quarks.

Then came the SSC. “The original Star Wars trilogy tells the story of a ragtag band of misfits, many of whom are adept at manipulating a force pervading in everyday matter, who ally to mount an insurrection against the established order and help destroy a giant, partially built beam machine,” writes Martin. The trajectory of US solid-state physics, he notes, “followed much the same plot”. Although he concedes that the SSC was more drastically affected by the end of the cold war than by intradisciplinary critique, there is no doubt where Martin’s sympathies lie.

Solid-state physicist Alvin Weinberg (left), director of the Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, talking to Senator John F. Kennedy in 1959.Credit: Ed Westcott/DOE

He devotes most of his book to a detailed reconstruction of the intense struggle, half a century earlier, for recognition by solid-state physicists against the leadership of the APS, which was itself frustrated and challenged by the rapid growth in their ranks during the 1940s. Physicists who worked on metals, ceramics and other domains straddling fundamental and applied physics wanted representation at APS meetings, leading to the creation of the Division of Solid State Physics in 1947. The institutional gerrymandering had significant implications for the APS, especially for its flagship journal, Physical Review. (Publishing is a fascinating leitmotif in Martin’s account.)

This organizational innovation was achieved only after substantial resistance from some APS stalwarts, who perceived the purity of their ranks as becoming sullied by industrial scientists. The stalwarts included Harvard University’s John Van Vleck, even though he had trained many of the leaders of the next generation, including Anderson. Van Vleck’s objections were littered with political language: he protested against the “Balkanization” of the APS, and he thought the solid-state division was a “new-deal-bureaucratic” scheme that ought to be resisted. The conservative Van Vleck was unhappy about the direction that the United States — and with it physics — was going.

This raises a broader point about Martin’s engaging book: the politics in it are exclusive to the profession. He keeps his gaze tightly trained on physicists as they define physics to each other. The Vietnam War (and scientific work in support of it), anti-Communism, civil rights and other political fault lines — which affected physicists no less than other citizens — are mentioned in passing, if at all. Yet they must have mattered. Physics is defined not just by what physicists decide it is, but by what the broader society will (or won’t) support. That decision is made within the halls of the APS, but also in those of Congress.

Construction of the Superconducting Super Collider, a US high-energy physics project, was cancelled by Congress in 1993.Credit: SSC Lab./SPL

Nature 561, 306-307 (2018)

doi: 10.1038/d41586-018-06696-4

Por que a Lua fica laranja de vez em quando? E ela pode ficar azul?

Cintia Baio

Colaboração para o UOL, em São Paulo

17/11/201606h00

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Maior superlua em 68 anos é vista pelo mundo57 fotos

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14.nov.2016 - Avião passa diante da superlua nos céus de Dubai, nos Emirados Árabes, nesta segunda-feira. Clique no link de "veja mais" para saber como mandar sua foto para o UOLVEJA MAIS >Imagem: Zhang Shumin/Xinhua

Nesta segunda, a maior superlua em 68 anos chamou a atenção dos brasileiros e do mundo. Tudo isso porque o fenômeno —que acontece quando o astro está mais próximo da Terra— deixa a Lua maior, mais brilhante e, consequentemente, ainda mais bonita, do que estamos acostumados.

E com tanta atenção (e câmeras fotográficas) voltada para ela, talvez você tenha percebido que, em alguns momentos, a Lua ficou com um tom mais avermelhado (ou alaranjado). Sabe por que isso acontece?

Antes da explicação, é bom lembrar que a Lua reflete a luz branca que vem do Sol —que é formada por ondas de vários comprimentos, portanto, formada por várias cores.  Embora nosso satélite pareça muito brilhante, reflete apenas 6,7% da luz que recebe do Sol.

As partes mais brilhantes de sua superfície são as regiões mais altas e com crateras, compostas de rochas ricas em cálcio e alumínio. As regiões mais escuras são zonas mais baixas, chamadas 'mares', compostas de rochas basálticas que refletem muito pouco a luz, daí sua cor acinzentada.

E quando fica alaranjada?

Edmar Barros/Futura Press/Estadão Conteúdo

Lua é vista da ponte Rio Negro, em Manaus

A coloração alaranjada acontece ao anoitecer e ao amanhecer, da mesma maneira que vemos o Sol ou céu nesse horário. Quando nasce, a Lua está tão próxima do horizonte que a luz por ela refletida precisa passar por uma espessa camada de atmosfera terrestre antes de chegar aos nossos olhos, diferentemente do que acontece quando o satélite aparece alto no céu, onde o ar é mais rarefeito. 

Quando atravessa a atmosfera da Terra, a luz refletida pela Lua se dissipa pelo ar. Em contato com as moléculas de gases que compõem o ar, algumas cores se dispersam e ficam imperceptíveis. No caso da Lua (e até o Sol) próxima do horizonte, a atmosfera mais densa "absorve" a cor verde, azul e violeta e deixa passar somente os tons vermelhos.

O tom avermelhado fica mais intenso quando há partículas de queimadas, erupções vulcânicas ou poluição na atmosfera.

Agora, quando ela está bem no alto do céu, a luz refletida conserva a cor original, que é o branco (reunião de todas as cores). Isso porque o ar rarefeito das altitudes elevadas faz com que a perda das tonalidades azul, verde e violeta sejam pequenas. 

Lua azul existe?

Bill Ingalls/NASA

Lua cheia vista do centro legislativo dos Estados Unidos.Esta foi a segunda vez que a lua apareceu cheia no mês de julho de 2015, e, por isso, é chamada de "Lua Azul"

É claro que quando dizemos "lua azul", o primeiro pensamento é que, se olharmos para o céu, o astro estará azulado. Mas não se trata disso.

O termo não está relacionado com uma possível mudança na cor da Lua, mas sim às suas fases. Cada um dos quatro ciclos da Lua (nova, cheia, minguante e crescente) dura, em média, sete dias. Como os meses possuem quatro semanas, dificilmente uma fase se repete no mesmo mês.

No entanto, os movimentos da Lua ao redor da Terra não têm esse ciclo mensal perfeito. Por isso, a cada dois anos e meio ou três, a Lua cheia ocorre duas vezes em um mesmo mês. E é essa segunda Lua cheia que recebe o nome de "lua azul". O termo foi usado pela primeira vez na década de 1940.

Fora a repetição no calendário, a "lua azul" não tem nada de especial. O astro aparece com o mesmo tamanho e brilho que as outras luas cheias.

Como o acontecimento é raro, no inglês, a expressão "once in a blue moon" (uma vez a cada lua azul) é usada quando queremos dizer que determinado acontecimento dificilmente ocorre.

Mas não precisa eliminar todas as esperanças de ver uma Lua com a cor azul de verdade. Acontecimentos raros, como a erupção de um vulcão, podem deixar a "cor" do astro momentaneamente azulada. Isso por conta das partículas expelidas pela erupção que ficam no ar.

Fontes: Universidade Federal do Rio Grande do Sul e Leandro Guedes, astrônomo do Planetário do Rio de Janeiro

Novos estados da matéria em baixas temperaturas rendem Nobel em física

Criado: 06 Outubro 2016

Britânicos David Thouless, F. Duncan Haldane e J. Michael Kosterlitz 

O mundo do muito pequeno, regido pela mecânica quântica, não cansa de trazer surpresas. E, ao desenvolver técnicas capazes de desvendar a existência de novos e estranhos estados da matéria em condições extremas, um trio de pesquisadores dos Estados Unidos levou o Prêmio Nobel de Física de 2016.

Metade da bolada de 8 milhões de coroas suecas foi para o britânico David J. Thouless, da Universidade Washington, em Seattle, e outra metade para seus compatriotas será dividida entre F. Duncan M. Haldane, da Universidade de Princeton, e J. Michael Kosterliz, da Universidade Brown, em Providence.

A palavra-chave para a premiação foi "topologia", conceito matemático que descreve propriedades que só podem mudar em uma escala de passos inteiros. Por exemplo: ao descrever a forma de uma rosquinha e um pretzel, podemos dizer que a primeira tem um buraco e o segundo tem três. E essa descrição é topológica –não há como imaginar uma forma que tenha dois buracos e meio.

"Com a moderna topologia como ferramenta, os laureados deste ano apresentaram resultados surpreendentes, que abriram novos campos de pesquisa e levaram à criação de novos e importantes conceitos em diversas áreas da física", escreveu a comissão do Nobel ao justificar a premiação.

Novas fases

As descobertas e avanços feitos pelos premiados avançaram nosso conhecimento além dos já famosos por óbvios que são em nosso cotidiano– estados da matéria. Todo mundo está familiarizado com sólido, líquido e gasoso, e como os diferentes materiais podem ir de um estado a outro por meio das chamadas transição de fase.

Em casos de temperaturas mais altas, os elétrons associados aos núcleos atômicos se desprendem em meio ao gás, gerando um quarto estado da matéria, o plasma.

O que acontece, contudo, se avançamos na direção oposta, indo aos extremos de baixas temperaturas? 

Coisas estranhas começam a acontecer, conforme os efeitos quânticos passam a predominar e se manifestar sobre os materiais.
Em alguns casos, aparece a supercondutividade – fenômeno em que a eletricidade consegue fluir por um material sem resistência.

Noutros, a superfluidez, quando a viscosidade desaparece por completo de um material. E, claro, entre esses novos estados da matéria há transições de fase –que não eram compreendidas até Thouless, Kosterlitz e Haldane entrarem no jogo com a aplicação da topologia.

Os dois primeiros começaram a trabalhar juntos no início da década de 1970, estudando teoricamente materiais bidimensionais –ou seja, extremamente finos, que tinham largura e comprimento, mas não profundidade. Foi essa investigação que levou a um entendimento completamente novo das transições de fase, considerado uma das mais importantes descobertas na chamada física da matéria condensada. Não por acaso, esse efeito é chamado de transição Kosterlitz-Thouless.

Indo mais adiante, nos anos 1980, David Thouless e Duncan Haldane, de forma independente, aprofundaram a aplicação da topologia no estudo da matéria condensada, descobrindo que a teoria que explicava os efeitos quânticos em materiais sob campos magnéticos intensos e baixas temperaturas estava incompleta.

Seu trabalho foi fundamental para os desenvolvimentos que se seguiriam no estudo das novas e estranhas fases da matéria que a essa altura já foram observadas e confirmaram suas predições teóricas, como a de um efeito físico importantíssimo conhecido como efeito Hall quântico. Nele, os elétrons fluem relativamente livres na camada entre os semicondutores e formam algo que pode ser descrito como um fluido quântico topológico.

A pesquisa pode soar etérea, mas está na fronteira da tecnologia. Físicos hoje discutem as perspectivas para isolantes, supercondutores e metais topológicos, e suas propriedades devem ser úteis para a criação de futuros dispositivos eletrônicos e até mesmo para computadores quânticos, que usam as propriedades fundamentais da matéria para processar informações.

Em 2015, o Prêmio Nobel da Física foi concedido ao japonês Takaaki Kajita e ao canadense Arthur McDonald por terem mostrado que o neutrino tem massa, ao contrário do que se acreditava por muitos anos.

Neutrinos são partículas subatômicas sem carga elétrica – daí o seu nome. Se os neutrinos têm massa, isso significa que há uma significativa interação gravitacional entre eles e o resto do Universo. Foi o que Kajita e McDonald, trabalhando em diferentes detectores de partículas, mostraram no fim da década de 1990 e começo dos anos 2000.

Folha de S. Paulo - 04/10/2016 - Salvador Nogueira 

MODELOS ATÔMICOS PARA BIÓLOGOS

Modelo atômico de Dalton

A estrutura da matéria é estudada desde o século V a.C., quando surgiu a primeira ideia sobre sua constituição. Os filósofos Leucipo e Demócrito afirmavam que a matéria não poderia ser dividida infinitamente, chegando a uma unidade indivisível denominada átomo. Essas especulações foram substituídas por modelos baseados em estudos experimentais após milhares de anos.

O átomo seria parecido com uma bola de bilhar (Foto: Wikicommons)

Baseado nas leis ponderais de Lavoisier e Proust, o cientista John Dalton, por volta do ano de 1808, elaborou sua teoria sobre a matéria, conhecida como teoria atômica de Dalton. As principais conclusões do modelo atômico de Dalton foram:
➢ A matéria é formada por partículas extremamente pequenas chamadas átomos;
➢ Os átomos são esferas maciças e indivisíveis;
➢ Os átomos com as mesmas propriedades, constituem um elemento químico;
➢ Elementos diferentes são constituídos por átomos com propriedades diferentes
➢ As reações químicas são rearranjos, união e separação, de átomos.

Modelo de Thomson

Modelo foi comparado a um pudim de passas (Foto: Wikicommons)

Baseado em experiências com cargas elétricas, o cientista inglês Joseph John Thomson, no final do século XIX, concluiu que o átomo não era uma esfera indivisível, como sugeriu Dalton. A experiência que levou a elaboração desse modelo, consistiu na emissão de raios catódicos, onde as partículas negativas eram atraídas pelo polo positivo de um campo elétrico externo. Essas partículas negativas foram chamadas de elétrons, e para explicar a neutralidade da matéria, Thomson propôs que o átomo fosse uma esfera de carga elétrica positiva, onde os elétrons estariam uniformemente distribuídos, configurando um equilíbrio elétrico.

Modelo de Rutherford

No início do século XX, o cientista Ernest Rutherford, utilizando a radioatividade, descobriu que o átomo não era uma esfera maciça, como sugeria a teoria atômica de Dalton. Surgia assim um novo modelo atômico.

Rutherford bombardeou uma lâmina de ouro com 10^-5 cm de espessura, envolvida por uma tela de sulfeto de zinco, com partículas α (lê-se: alfa) provenientes do elemento polônio protegido por um bloco de chumbo perfurado. Essa experiência revelou que a grande maioria das partículas atravessavam a lâmina de ouro, enquanto outras partículas passavam e sofriam pequenos desvios, e uma quantidade muito pequena não atravessava a lâmina. O percurso seguido pelas partículas α foi detectado devido à luminosidade refletida na tela de sulfeto de zinco.

Modelo de Rutherford (Foto: Wikicommons)

Comparando o número de partículas emitidas com o de desviadas, Rutherford deduziu que a massa da lâmina de ouro estaria localizada em pequenos pontos, denominados núcleos, e que o raio do átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior que o raio do núcleo, sendo o átomo formado por espaços vazios. A maioria das partículas atravessou a lâmina por meio desses espaços. A explicação para as partículas α que sofreram desvios foi dada pelo fato do núcleo positivo da lâmina de ouro repelir as partículas alfa também positivas. As partículas que não atravessaram teriam colidido frontalmente com esses núcleos, sendo rebatidas.

O modelo atômico de Rutherford concluiu que o átomo era composto por um pequeno núcleo com carga positiva neutralizada por uma região negativa, denominada eletrosfera, onde os elétrons giravam ao redor do núcleo.

Modelo de Bohr

De acordo com Rutherford, em um átomo, os elétrons se deslocavam em órbita circular ao redor do núcleo. Porém, esse modelo contrariava a física clássica, que segundo suas teorias, o átomo não poderia existir dessa forma, uma vez que os elétrons perderiam energia e acabariam por cair no núcleo. Como isso não ocorria, pelo átomo ser uma estrutura estável, o cientista dinamarquês Niels Bohr aperfeiçoou o modelo proposto por Rutherford, formulando sua teoria sobre distribuição e movimento dos elétrons. Baseado na teoria quântica proposta por Plank, Bohr elaborou os seguintes postulados:

I- Os elétrons descrevem ao redor do núcleo órbitas circulares, chamadas de camadas eletrônicas, com energia constante e determinada. Cada órbita permitida para os elétrons possui energia diferente.

II- Os elétrons ao se movimentarem numa camada não absorvem nem emitem energia espontaneamente.

III- Ao receber energia, o elétron pode saltar para outra órbita, mais energética. Dessa forma, o átomo fica instável, pois o elétron tende a voltar à sua orbita original. Quando o átomo volta à sua órbita original, ele devolve a energia que foi recebida em forma de luz ou calor.

Modelo de Bohr (Foto: Wikicommons)

O modelo Rutherford-Bohr apresenta alguns problemas, como por exemplo, ele não explica por que o elétron apresenta energia constante, não explica as reações químicas, descreve órbitas circulares ou elípticas ,quando na verdade os elétrons não descrevem essa trajetória, dentre outras restrições. Ao longo dos anos, foram realizados muitos estudos em relação à estrutura do átomo levando a criação de outros modelos, porém o modelo Rutherford-Bohr ainda é o mais difundido no ensino médio.

Exercícios

(UERJ) Em 1911, o cientista Ernest Rutherford realizou um experimento que consistiu em bombardear uma finíssima lâmina de ouro com partículas ‘, emitidas por um elemento radioativo, e observou que:

- a grande maioria das partículas α atravessava a lâmina de ouro sem sofrer desvios ou sofrendo desvios muito pequenos;

- uma em cada dez mil partículas α era desviada para um ângulo maior do que 90°.

Com base nas observações acima, Rutherford pôde chegar à seguinte conclusão quanto à estrutura do átomo:

a) o átomo é maciço e eletricamente neutro

b) a carga elétrica do elétron é negativa e puntiforme

c) o ouro é radioativo e um bom condutor de corrente elétrica

d) o núcleo do átomo é pequeno e contém a maior parte da massa

Gabarito

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(UFMG) Com relação ao modelo atômico de Bohr, a afirmativa FALSA é:

a) Cada órbita eletrônica corresponde a um estado estacionário de energia.

b) O elétron emite energia ao passar de uma órbita mais interna para uma mais externa.

c) O elétron gira em órbitas circulares em torno do núcleo.

d) O elétron, no átomo, apresenta determinados valores de energia.

e) O número quântico principal está associado à energia do elétron.

Gabarito