O Átomo e as Estrelas

Então um átomo é feito de um núcleo, feito de prótons e nêutrons, e um monte de elétrons a sua volta que ficam em órbitas estáveis e bla-bla-bla. Tá bom, essa ladainha sempre aparece nas primeiras aulas de química do colégio pra gente engolir. Mas o que tudo isso significa? Hoje vou falar sobre as órbitas dos elétrons e o que isso tem a ver com a mecânica quântica e deixar o núcleo para outro dia.

Para entender como é a estrutura do átomo vamos utilizar o método mais celebrado da física. Tacar alguma coisa nele e ver o que acontece. Pode parecer pouco sofisticado mas é assim que nos acostumamos a entender as coisas. Quer saber sobre um determinado objeto (um átomo, partícula, qualquer coisa mesmo)? Pega alguma coisa que você entende bem e joga nele. É essa a idéia por trás de um acelerador de partículas. Você colide coisas que você conhece e do que sobrar você tenta reconstruir o que aconteceu na hora da colisão.

Para o átomo em particular eu vou usar a única coisa bem entendida no século XIX, a luz. Se você pegar um feixe de luz branca e passar por um prisma verá o feixe se decompondo em inúmeras cores diferentes, como na capa de um certo álbum de rock. Como comentei anteriormente, cada cor de luz corresponde uma energia diferente, em particular quanto mais vermelha a luz menor sua energia e quanto mais azul maior a energia. Em especial isso significa que infravermelho é a luz com menos energia que a vermelha e correspondentemente para o ultravioleta.

Ok, vamos aos átomos então. Como eu não sou muito esperto vou usar o átomo mais simples, o de Hidrogênio que tem apenas um elétron. Normalmente você encontra ele na natureza na forma de molécula, formada de dois átomos. Pra corrigir isso vamos colocar o gás hidrogênio em um recipiente e esquentar até romper as ligações químicas e ficar com um monte de átomos. Agora pegamos o nosso recipiente, jogamos luz branca nele, e vemos a luz que sai. Curiosamente na luz que sai do recipiente estão faltando algumas cores, isto é algumas energias.

Acima a luz espalha por átomos de hidrogênio. Abaixo a luz emitida por átomos de hidrogênio em um recipiente quente.

Sabemos que o núcleo é muito mais pesado que os elétrons e é mais difícil que eles adquiram energia considerável, então para testar que são os elétrons os responsáveis pelas cores faltantes fazemos o seguinte. Vamos aumentar a temperatura do recipiente e ver o que acontece. Nesse caso, sem nenhuma luz incidente o observado é que os átomos de hidrogênio emitem luz exatamente nas energias que estavam faltando antes.

O que está acontecendo? Bom, os elétrons que são negativamente carregados orbitam o núcleo carregado positivamente por causa da atração elétrica, da mesma forma que os planetas orbitam o Sol. A princípio os elétrons podem ter qualquer órbita, a única diferença é que quanto mais perto do núcleo menos energia eles tem porque a atração é mais forte. Quando a luz incide nos elétrons ele absorve a energia e se distancia do núcleo. Se todas as órbitas fossem possíveis os elétrons deveriam absorver todas as diferentes cores e atenuar a luz como um todo. Mas só vemos algumas cores sumirem do espectro o que significa que apenas algumas energias são absorvidas. Então só devem existir algumas órbitas possíveis e as cores faltantes são as que correspondem a diferença de energia entre as órbitas que o elétron pode ocupar.

Ilustração das diferentes órbitas do átomo de hidrogênio e da luz absorvida/emitida quando os elétrons mudam de órbita.

É assim então que sabemos que os elétrons ocupam apenas algumas órbitas específicas dos átomos. Essas órbitas não tem nenhum motivo do ponto de vista clássico, isto é, até o começo do século XX ninguém sabia dizer porque outras órbitas não existiam. A mecânica quântica é a teoria que surgiu no começo do século passado oferecendo uma explicação para essa discrepância. Em geral ela afirma que sempre que existir uma força de atração forte o suficiente para limitar a posição de um objeto esse só poderá assumir um número discreto de energias distintas, o que em particular acontece no caso do átomo, a força elétrica força o elétron a ficar localizado em uma órbita e a mecânica quântica diz que apenas algumas energias são possíveis.

E os outros átomos? Cada átomo diferente tem uma estrutura distinta e assim vai absorver/emitir apenas algumas cores, sendo que o espectro de cores varia conforme o elemento. Conhecendo o espectro de todos os elementos podemos fazer o caminho reverso. Por exemplo, mire um telescópio na direção de uma estrela e observe todas as cores diferentes emitidas por ela. Comparando com os espectros conhecidos podemos determinar quais elementos estão presentes na estrela e a diferença de intensidade em cada cor dá a proporção desses elementos. Desse modo podemos saber do que a estrela é feita mesmo a milhões de anos-luz de distância.

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