Exercícios: Os modelos atómicos (de Dalton a Bohr)

Na aula de Ciências, a professora mostra uma bola de bilhar e diz que era assim que Dalton imaginava os átomos por volta do ano $1805$, como se mostra na figura.

Explique com suas palavras o que é um átomo segundo o modelo de Dalton e quais duas propriedades essa «bola» tinha.

A avó do Lucas prepara um pudim de passas, como o da figura.

Thomson imaginou o átomo como essa sobremesa: explique o que representa a massa do pudim no seu modelo e o que representam as passas.

A Ana assiste em um documentário ao experimento da folha de ouro de Rutherford: lançavam-se partículas $\alpha$, com carga positiva, contra uma folha de ouro finíssima, como se mostra na figura.

O que aconteceu com a grande maioria das partículas ao atingir a folha? Que conclusão Rutherford tirou sobre o interior do átomo?

Na roda-gigante de uma feira popular você só pode andar sentado numa cabine, nunca suspenso no ar entre duas cabines. Bohr propôs algo semelhante para os elétrons, como se mostra na figura.

Explique o que Bohr afirmou sobre as órbitas dos elétrons e em que medida o seu modelo diferia do de Rutherford.

Umas figurinhas de «cientistas do átomo» apresentam estas datas: Thomson, $1897$; Bohr, $1913$; Dalton, $1805$; Rutherford, $1911$. Ordene os quatro modelos atômicos do mais antigo para o mais recente.

O jogo preferido do Mário é atualizado com frequência para corrigir erros e introduzir melhorias. Com os modelos científicos acontece algo semelhante: explique por que os cientistas substituem um modelo por um novo.

Num museu de ciência, o Leo observa um tubo de raios catódicos como o que Thomson utilizou em seus experimentos, semelhante ao da figura.

Que partícula descobriu Thomson com esse aparelho e que carga elétrica possui?

Na exposição «Os detetives do átomo» há quatro painéis fora de ordem. Associe cada descrição ao respectivo cientista: Dalton, Thomson, Rutherford ou Bohr.

1. a) «O átomo é uma esfera maciça e indivisível.»
2. b) «Os elétrons estão incrustados numa esfera com carga positiva, como as passas num pudim.»
3. c) «Quase todo o átomo é espaço vazio e a carga positiva se concentra num núcleo muito pequeno.»
4. d) «Os elétrons só podem ocupar certas órbitas permitidas.»

Na experiência da folha de ouro observaram-se três fatos: a maioria das partículas $\alpha$ atravessava a folha sem se desviar, uma pequena parte se desviava e, muito raramente, alguma ricocheteava para trás, como se mostra na figura.

Escreva a conclusão que Rutherford tirou de cada uma das três observações.

Num debate na aula, a Nora defende que o experimento da folha de ouro derrubou o modelo de Thomson. Se o átomo fosse realmente uma esfera de carga positiva com elétrons incrustados, o que deveria ter acontecido com as partículas $\alpha$ ao atingir a folha? Que observação do experimento não é compatível com essa previsão? Justifique a resposta.

O modelo de Rutherford é chamado de «modelo planetário» porque lembra o sistema solar, como se mostra na figura.

Indique uma semelhança e uma diferença entre os planetas que giram em torno do Sol e os elétrons que giram em torno do núcleo (pense na força que mantém cada sistema unido).

Para explicar o modelo de Bohr, um professor compara uma escada a um escorregador, como na figura: na escada você só pode estar sobre um degrau, mas no escorregador você pode parar em qualquer altura.

Relacione cada imagem com um dos dois modelos, o de Rutherford e o de Bohr, e explique o que representa cada degrau da escada.

Estas quatro descrições de modelos atômicos estão desordenadas:

1. a) «Os elétrons giram em torno de um núcleo central, como os planetas ao redor do Sol.»
2. b) «O átomo é uma esfera maciça e indivisível.»
3. c) «Os elétrons só podem ser encontrados em certas órbitas permitidas.»
4. d) «O átomo é uma esfera positiva com elétrons incrustados.»

Ordene-as cronologicamente, do modelo mais antigo para o mais recente, e escreva o nome do cientista que propôs cada um.

Os televisores antigos de tubo funcionavam com raios catódicos, os mesmos com que Thomson descobriu o elétron em $1897$. O elétron é uma partícula que provém do interior do átomo: explique por que essa descoberta obrigou a alterar o modelo de Dalton.

Quando Rutherford propôs o seu modelo, não pôde ignorar o que já se sabia: por exemplo, que os átomos são eletricamente neutros. Explique de que modo a neutralidade do átomo se enquadra no modelo de Rutherford (núcleo positivo e elétrons) e por que razão um novo modelo deve explicar também os fatos que o anterior já explicava corretamente.

Imagine que, no experimento da folha de ouro, a maioria das partículas $\alpha$ tivesse ricocheteado para trás em vez de atravessar a folha. O que Rutherford teria concluído sobre o interior do átomo nesse caso? A qual dos modelos que você conhece essa conclusão mais se assemelharia? Justifique as respostas.

Na experiência da folha de ouro, em cada $8000$ partículas $\alpha$ lançadas, cerca de $7992$ atravessavam a folha sem sofrer desvio, cerca de $7$ se desviavam e apenas $1$ ricocheteava.

1. a) Calcule que porcentagem das partículas atravessava a folha em linha reta.
2. b) Que fração das partículas lançadas ricocheteava?
3. c) Explique, a partir desses valores, por que Rutherford afirmou que o átomo é quase todo espaço vazio e que o núcleo é minúsculo.

Para explicar os modelos, um grupo de alunos utiliza uma melancia com sementes como imagem do modelo de Thomson.

1. a) Explique o que representa cada parte da melancia nesse modelo.
2. b) Proponha um objeto ou uma situação do dia a dia que represente o modelo de Rutherford e explique o que é cada elemento.
3. c) Nenhuma comparação é perfeita: indique uma falha da imagem da melancia como modelo do átomo.

Em um trabalho, o Paulo escreve: «O modelo de Dalton estava errado, por isso não serviu para nada». Você não concorda. Explique dois aspectos que o modelo de Dalton explicava bem (por que existem elementos diferentes e como se combinam os seus átomos) e um aspecto que não conseguia explicar e que obrigou à sua substituição.

As partículas $\alpha$ têm carga positiva, assim como o núcleo do átomo, como mostra a figura.

1. a) Explique, com base nas forças entre cargas elétricas, por que uma partícula $\alpha$ que passa perto do núcleo se desvia da sua trajetória.
2. b) Por que as partículas que voltam para trás são justamente as que mais se aproximam do núcleo?
3. c) Se a folha fosse bombardeada com partículas sem carga elétrica, você esperaria observar os mesmos desvios? Justifique.

Escreva um pequeno artigo de enciclopédia intitulado «A história do átomo em quatro modelos». Para cada cientista (Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr), indique a contribuição do seu modelo e a observação ou o experimento em que ele se baseou.

Alguns cientistas repetem a experiência com uma folha de outro metal diferente do ouro e observam que agora ricocheteia o dobro das partículas $\alpha$, embora continuem sendo muito poucas.

1. a) A ideia de que o átomo é quase todo espaço vazio continua válida? Por quê?
2. b) Formule uma hipótese que explique por que ricocheteiam mais partículas com este metal (pense em como pode ser o núcleo dele em comparação com o do ouro).
3. c) Que nova experiência você faria para verificar a sua hipótese? Justifique as respostas.

O modelo de Rutherford apresentava um problema: segundo a física da época, um elétron girando em torno do núcleo deveria perder energia continuamente e acabar caindo sobre ele, como se mostra na figura, de modo que os átomos não seriam estáveis.

1. a) Explique o que Bohr propôs para evitar a queda do elétron.
2. b) Por que dizemos que Bohr introduziu uma «regra nova» em vez de se limitar a desenhar melhor as órbitas de Rutherford?

O seu primo de oito anos pergunta a você por que os desenhos do átomo mudam nos livros de ciências. Escreva uma explicação simples para ele (você pode compará-la com a atualização de um mapa quando se descobre um novo caminho), contando como se passou do modelo de Dalton para o de Bohr e que papel as experiências tiveram nessas mudanças.