1. Apresentação e antecedentes históricos

• Introdução

O desenvolvimento da teoria atômica¹ é, com certeza, uma das maiores realizações do intelecto humano em todos os tempos. Esta trajetória, que se estende por mais de 25 séculos, foi desempenhada por muitos dos maiores cientistas e pensadores da humanidade. A importância fundamental da teoria atômica da matéria para a civilização humana levou o famoso físico Richard Feynman a afirmar: 

“Se todo o conhecimento científico se perdesse num cataclisma, qual afirmativa simples preservaria a maior quantidade de informação para a próxima geração de criaturas? Como poderíamos transmitir melhor nosso conhecimento do mundo? – Todas as coisas são compostas de átomos, pequenas partículas que se deslocam em movimento constante, atraindo umas às outras quando estão a uma pequena distância, mas se repelindo quando são apertadas de encontro às outras. Nesta única sentença, pode-se ver, há uma enorme quantidade de informação sobre o mundo, quando apenas um pouco de imaginação e pensamento for aplicado”.

Pode-se assegurar que sem o conhecimento da estrutura atômica não teria sido possível desenvolver grande parte da ciência do século XX e também a que veio depois dela. Reconhecendo esta importância, todos nós estudamos em algum momento, na escola ou na universidade, a estrutura do átomo e o desenvolvimento da teoria atômica ao longo da história. Acredito que o texto a seguir seja uma síntese razoável do que em geral aprendemos:

O atomismo surgiu no século V a.C. como uma corrente filosófica na Grécia Antiga, a partir das ideias de filósofos como Leucipo e Demócrito, que propuseram que a matéria era composta por partículas fundamentais, indivisíveis e indestrutíveis. Essas concepções foram transmitidas ao longo dos séculos e, após o Renascimento, influenciaram cientistas europeus, que as adaptaram e desenvolveram. 

O primeiro modelo atômico científico, proposto por Dalton no início do século XIX, descrevia os átomos como esferas rígidas e maciças, sem estrutura interna, diferenciando-se apenas pela massa. No final do mesmo século, J. J. Thomson, ao estudar raios catódicos, descobriu partículas carregadas negativamente e muito menores que o átomo — os elétrons. Isso o levou a propor o modelo do pudim de passas, no qual o átomo era representado como uma esfera de carga positiva com elétrons incrustados. 

Em 1911, experimentos de espalhamento de partículas alfa em finas lâminas de ouro revelaram que a carga positiva do átomo estava concentrada em uma região extremamente pequena. Com base nisso, Rutherford propôs um novo modelo, no qual o átomo possuía um núcleo positivo e massivo, em torno do qual os elétrons orbitavam, de modo semelhante aos planetas ao redor do Sol. No entanto, esse modelo apresentava uma inconsistência: de acordo com o eletromagnetismo, cargas em movimento acelerado deveriam irradiar energia, fazendo com que os elétrons perdessem energia e colidissem com o núcleo — o que não ocorre na realidade. 

A solução para esse problema veio com o modelo atômico de Bohr, que incorporou princípios da física quântica. Bohr postulou que os elétrons ocupavam órbitas estáveis com valores quantizados de momento angular, o que explica a estabilidade atômica e permite prever com precisão fenômenos como as raias de emissão do hidrogênio. 

Embora possa variar um pouco, esse texto corresponde em linhas gerais ao conteúdo encontrado na quase totalidade dos livros didáticos que abordam esse assunto. Portanto, acredito que os leitores ficarão muito surpresos ao descobrirem que:

• Os indianos formularam uma teoria atômica que apresenta diversas semelhanças e é tão antiga quanto o atomismo dos antigos gregos. 
• Cerca de 50 anos antes de Dalton, um seguidor das ideias de Newton, R. Boscovich propôs um modelo atômico que teve grande repercussão durante o século XIX. 
• Após a publicação de sua teoria, Dalton foi acusado de plágio durante anos por um químico irlandês.
• O modelo atômico conhecido como pudim de passas (ou ameixas) não foi proposto originalmente pelo descobridor do elétron, J. J. Thomson, mas sim por W. Thomson (Lord Kelvin).
• Trinta anos antes do modelo do pudim de passas, Kelvin foi autor de um outro modelo atômico que centralizou as atenções por mais de 2 décadas, mas é pouco mencionado na literatura. 
• J. J. Thomson, em seu famoso modelo, sugeriu que os elétrons estavam ordenados em posições equidistantes em órbitas na forma de anéis concêntricos, o que não se assemelha nem um pouco à ideia de passas em um pudim.
• O descobridor do núcleo atômico, E. Rutherford, não propôs que os elétrons giram em torno do núcleo, como os planetas fazem em torno do sol. 
• Embora Bohr tenha o grande mérito de ter elaborado o primeiro modelo atômico bem-sucedido da história, não foi o primeiro a incorporar ideias de quantização à estrutura atômica.
• A real compreensão da estrutura atômica (veja figura 1) somente foi possível após o estabelecimento da teoria quântica, especificamente, da equação de Schroedinger em 1926.

Os fatos listados acima, assim como outros aqui não mencionados, mostram que uma boa parte do que aprendemos sobre o desenvolvimento da teoria atômica pode não refletir exatamente a realidade histórica ou até mesmo ser completamente falso. 

Este distanciamento da realidade se deve em grande parte ao modo como os textos didáticos abordam o assunto. A literatura didática costuma relatar o avanço da ciência de forma simplificada, em geral como resultado do trabalho de uns poucos cientistas geniais, autores de ideias revolucionárias ou de descobertas “ao acaso”, que surgem repentinamente e levam a grandes e decisivos avanços. Se, por um lado, a simplificação eventualmente tem a intenção de facilitar o aprendizado, por outro, este tipo de relato também transmite uma visão distorcida da ciência, de como ela é feita e de como ela funciona.

A processo da descoberta científica é muito mais complexo. Poderíamos compará-lo a uma grande viagem na qual os viajantes não conhecem o caminho e, com frequência, também desconhecem qual é o destino! É claro que, neste trajeto, grandes descobertas eventualmente podem ocorrer, mas são raras. Na maioria das vezes, o avanço científico é feito aos pequenos passos, na base da tentativa e erro. E caso avaliados a posteriori, verifica-se que, a cada momento, uma parte substancial dos cientistas está equivocada. 

Nesta série de 15 capítulos vamos fazer um breve relato do desenvolvimento da teoria atômica ao longo do tempo, desde a Antiguidade até o início da década de 1930, quando a estrutura atômica foi finalmente compreendida. Vamos apresentar as contribuições de dezenas de cientistas que se dedicaram a investigar os diversos aspectos relacionados à estrutura do átomo. Conforme veremos, são muitas as ideias que contribuíram para chegar a este objetivo, algumas de grande relevância, outras de menor repercussão, e outras ainda que não passaram de meras especulações, sem evidências que as suportassem. Entretanto, todas elas fizeram parte e colaboraram para a grande epopeia que terminou por decifrar a estrutura da matéria. 

Nosso objetivo não é substituir o conteúdo dos textos didáticos, que são de importância fundamental. Pelo contrário, espera-se que o leitor já tenha algum conhecimento prévio sobre o tema e, mais do que isso, que seja estimulado a se aprofundar ainda mais. Pretendemos contribuir para adicionar alguma luz sobre o assunto, mostrando alguns aspectos pouco divulgados, relatando contribuições menos conhecidas, derrubando alguns mitos e acrescentando informações interessantes e curiosas.

Então, vamos iniciar nossa viagem. Nosso ponto de partida será a Antiguidade, quando a ideia do atomismo surgiu, e seguiremos, tanto quanto possível, de acordo com a ordem cronológica. A cada parada, vamos procurar apresentar as ideias, modelos e conceitos mais relevantes formulados pelos cientistas para entendimento da estrutura atômica. 

Aproveitem a jornada! 

(Os interessados em se aprofundar nesse tema são convidados a pesquisar mais e consultar algumas das referências especializadas listadas ao final dessa postagem). 

• O atomismo antigo

As origens do chamado atomismo se perdem na história. Alguns cientistas e pensadores clássicos, como Posidonius, Strabo, Boyle e Newton atribuíam sua origem ao fenício Mochus, que viveu em Sídon à época da Guerra de Tróia (século XIII a.C.). Acredita-se que Sanchuniathon, que também viveu em Sídon por volta de 1.200 a.C., contribuiu para seu desenvolvimento inicial. Consta também que R. Boyle se referia ao atomismo como “a doutrina fenícia”. Entretanto, esta origem precoce carece de comprovação científica.

Na antiga Índia, o filósofo Kanada foi um dos primeiros a formular o conceito de átomo. Segundo alguns autores, Kanada, cujo nome significa literalmente “comedor de átomos”, teria vivido durante o século VI a.C., embora não haja comprovação quanto a isto. Segundo ele, os átomos seriam esféricos, indivisíveis, eternos, indestrutíveis e inumeráveis, e relacionados aos quatro elementos: terra, água, fogo e ar. De acordo com Kanada, os átomos interagiam por meio de forças invisíveis para formar as substâncias, que seriam combinações de pares de átomos primordiais, que por sua vez formariam trincas com um total de seis átomos, e assim por diante, formando átomos binários, ternários, quaternários etc. De forma a caracterizar os átomos, os hindus admitiam que estes teriam 24 qualidades diferentes, como cor, odor, sabor, etc., cada uma podendo apresentar diversas variedades. Assim, por exemplo, existiriam sete cores possíveis, seis sabores, e assim por diante. Teorias detalhadas sobre como os átomos podiam se combinar, reagir, vibrar, mover e realizar outras ações também foram formuladas. 

Na antiga Índia, uma diversidade de escolas e variações de diferentes filosofias atômicas se desenvolveram em grande número e complexidade, em grau semelhante ao que ocorreu na Grécia. Embora as semelhanças entre essas teorias atômicas sejam óbvias, as diferenças também são muitas. Na Grécia, o atomismo era mais simples, unificado, materialista e mecanicista, enquanto na Índia era mais complexo, espiritual e abstrato. Embora a comunicação entre essas culturas tenha sido possível, uma vez que rotas comerciais entre o Mediterrâneo e a Ásia existiam desde a Idade do Bronze, não há evidências concretas de que tenha ocorrido uma influência mútua entre essas escolas ou mesmo uma origem comum. Portanto, até o momento vigora o consenso de que tais filosofias tiveram origens e desenvolvimento independentes. 

No Ocidente, os principais atomistas foram Leucipo de Mileto, que formulou os princípios fundamentais da filosofia, e seu discípulo Demócrito de Abdera, que viveram por volta do século V a.C., e Epicuro de Samos, que viveu no século IV a.C., todos os três na Grécia; e o poeta e filósofo Lucrécio, que viveu muito mais tarde (século I a.C.) em Roma. 

Demócrito propôs que a matéria seria formada por partículas indivisíveis e imutáveis, que se reorganizariam para criar a ilusão de mudança. Embora o senso comum associe a filosofia atômica a apenas um conceito fundamental (o átomo), essa doutrina na realidade se estabelece sobre dois conceitos básicos indissociáveis: o corpúsculo ou átomo, e o vazio ou vácuo, de forma que um não pode existir sem o outro. É importante observar que o papel primordial desempenhado pelo vácuo na teoria atômica se constituiu, durante muitos séculos, em uma das principais objeções à sua validade. 

A palavra átomo é derivada do adjetivo átomos que, no grego antigo, significa “algo que não pode ser cortado ou dividido”. Os átomos concebidos pelos antigos filósofos gregos, como o nome implica, seriam indivisíveis, indestrutíveis, eternos, homogêneos, compactos, incompressíveis, indeformáveis e não possuiriam partes. No entanto, podem diferir uns dos outros por suas características, como tamanho, forma, ordem, arranjo e posição. Além disto, os átomos estariam em constante e eterno movimento, podendo colidir uns com os outros. É a partir da colisão e da associação de diferentes átomos em agregados que tudo se constituiria, produzindo um número infinito de substâncias e objetos. Nesse processo de formação de agregados, entretanto, os átomos não perdem sua individualidade, permanecendo em contato, embora separados por um vazio absoluto (o vácuo). 

Com a contribuição de Epicuro, a filosofia atômica atingiu o mais alto grau de elaboração, a tal ponto de se manter praticamente inalterada pelos cerca de dois mil anos seguintes. Suas ideias foram reunidas cerca de dois séculos mais tarde no famoso poema do romano Lucrécio, “De Rerum Natura” (“Sobre a natureza das coisas”), escrito por volta de 90 a.C. Em sua obra, Epicuro baseou-se totalmente nos conceitos de Leucipo e Demócrito, embora tenha, ao mesmo tempo, proposto algumas importantes inovações. As principais contribuições de Epicuro foram atribuir peso aos átomos e afirmar que no vácuo os átomos se movem com a mesma velocidade, independentemente de seu tamanho ou peso. Para Epicuro, todas as nossas sensações podem ser relacionadas às características dos átomos. Até mesmo a alma seria constituída por átomos. Esses conceitos levaram a teoria atômica a ser mais tarde frontalmente combatida pela Igreja, contribuindo para relegá-la a um virtual esquecimento até o final da Idade Média na Europa.

Os atomistas gregos se baseavam em sua teoria para tentar explicar a Natureza. Teofrastro, por exemplo, explicou que o ferro apresenta uma estrutura com mais espaços vazios, enquanto o chumbo teria uma composição mais uniforme e, sendo assim, o chumbo é mais macio e o ferro tem menor densidade, mas maior dureza. Demócrito, por sua vez, acreditava que o bronze é um armazenador eficiente de calor porque possui poros muito pequenos em sua estrutura, que liberam calor lentamente. Lucrécio entendia que um líquido era fluido por ser constituído por partículas esféricas e lisas, enquanto gases, como fumaça, nuvens e chama, não poderiam ser formados por partículas deste tipo, pois agridem nossos órgãos. 

A descrição de Lucrécio para o movimento de partículas de poeira no ar, no livro II de “Sobre a natureza das coisas”, é especialmente significativa:

“Observe o que acontece quando os raios de sol entram em um edifício e iluminam seus locais sombrios. Você verá uma infinidade de pequenas partículas se misturando de várias maneiras no espaço vazio da luz; e, como se estivessem em conflito eterno, elas se unem em tropas e travam batalhas, sem se separar nem parar, mas levadas a mudar seu curso e seu movimento repetidamente. A partir disso, você pode imaginar qual é a agitação constante das partículas primárias da matéria (átomos) no grande vazio”.

Lucrécio parecia intuir que o movimento visível das partículas de poeira no ar está relacionado ao movimento constante de partículas invisíveis muito pequenas – as moléculas do ar. É curioso observar que foi a teoria elaborada por Einstein para este fenômeno, o chamado movimento browniano, o fator decisivo para a confirmação da teoria atômica no início do século XX.

Aristóteles, um dos filósofos mais importantes da Grécia antiga, combatia o atomismo, pois não podia conceber corpos distintos caindo com mesma velocidade através do vazio e rejeitava a própria ideia do vácuo. Entretanto, é por meio de sua obra que hoje conhecemos grande parte do trabalho dos atomistas. Em sua concepção da natureza, Aristóteles introduziu um novo elemento, o éter, uma substância divina que constituiria os céus e as estrelas.

Com a queda do Império Romano do Ocidente, muitos textos gregos e latinos foram perdidos ou negligenciados na Europa. Contudo, alguns manuscritos foram copiados e conservados em mosteiros ou preservados no mundo bizantino e islâmico, onde o interesse por filosofia e ciência permaneceu. Muito mais tarde, nos séculos XII e XIII, textos gregos e árabes foram traduzidos para o latim e, a partir daí, começam a surgir na Europa “simpatizantes” do atomismo, como Guilherme de Ockham e Nicolau de Autrecourt no século XIV, ambos combatidos pela igreja católica. No século XV, a obra de Lucrécio foi traduzida e impressa na Europa, formalmente reintroduzindo o atomismo de Epicuro no Ocidente.

Entretanto, é somente no século XVII que o atomismo realmente se difunde. Embora Galileu Galilei tenha sido partidário dos “átomos de Epicuro” e reconhecido a existência do vácuo, o ressurgimento da filosofia atômica na Europa se deve principalmente ao trabalho do padre francês Pierre Gassendi, seu contemporâneo e de R. Descartes. Gassendi contribuiu para divulgar as ideias do atomismo grego, mas agora essas ideias tinham o suporte dos primeiros experimentos sobre o comportamento do ar atmosférico, realizados por R. Boyle, E. Mariotte, E. Torricelli e B. Pascal. Do ponto de vista filosófico, a mais importante contribuição de Gassendi foi ter realizado a aproximação entre conceitos da filosofia atômica e a religião católica, abrindo caminho para sua aceitação pelo mundo ocidental.

R. Descartes não aceitava as ideias de um limite para a divisão das partículas e da existência do vácuo e, portanto, considerava a matéria como sendo uma massa infinita, contínua e homogênea. Assim, sua teoria envolvia a existência de elementos que, ao contrário dos átomos, eram divisíveis e deformáveis, com características como forma, tamanho e movimento.

A teoria corpuscular de R. Boyle, considerado o pai da química moderna, foi influenciada pelos trabalhos de Gassendi e Descartes. Boyle tinha uma visão mecanicista da natureza que explicava os fenômenos com base na matéria e no movimento e, embora não tenha sido um atomista no sentido estrito, defendia a teoria corpuscular e aceitava a ideia do vácuo. Entretanto, em contraste com seus predecessores, Boyle deu uma contribuição fundamental por utilizar métodos experimentais para investigar os fenômenos. 

Os resultados da visão corpuscular mecanicista do século XVII eram puramente qualitativos, como por exemplo, no caso da reação ácido-base: os ácidos teriam corpúsculos pontiagudos, responsáveis por seu gosto azedo e sua capacidade de corroer as substâncias, enquanto as bases teriam poros. A neutralização e formação do sal consistiria nas pontas dos ácidos encaixarem mecanicamente nos poros dos álcalis, neutralizando as propriedades de ambos (ver figura 2).

Isaac Newton não só foi um defensor da teoria atômica, como também autor de importantes contribuições para o seu desenvolvimento. Como seus antecessores, Newton defendia a ideia de que todas as substâncias são formadas por átomos de diferentes formas, tamanhos e movimento, assim como também aceitava a ideia do vácuo. Segundo escreveu em sua obra “Optics”, de 1704:

“Parece-me provável que Deus, no início, tenha formado a matéria em partículas sólidas, massivas, duras, impenetráveis e móveis, de tamanhos e proporções espaciais tais que a maioria se comportasse de acordo com o fim para o qual ele as formou”.

Entretanto, em contraste com os demais atomistas, Newton não concordava com a transferência direta das características dos corpos macroscópicos para as partículas fundamentais que os constituem. De forma similar à abordagem predominante na física contemporânea, ele sugeriu que os átomos interagiam entre si por meio de forças atrativas e repulsivas, que seriam análogas às forças elétricas e magnéticas, no lugar do antigo acoplamento mecânico dos gregos (veja o modelo de Boscovich, item 2.1). Embora Newton tenha formulado a lei da gravitação universal, ele não atribuiu à gravidade um papel relevante dentre as propriedades da matéria na escala atômica. 

No início do século XVIII, Newton demonstrou que um fluido composto por partículas que interagem entre si por meio de forças repulsivas inversamente proporcionais à distância obedece à lei de Boyle, que afirma que para um gás a uma temperatura constante, a pressão e o volume são inversamente proporcionais. Este resultado consolidou a ideia de que as partículas de um gás se repelem entre si.

À medida que o conceito de forças interatômicas de Newton foi ganhando aceitação durante o século XVIII, a forma do átomo começou a perder a relevância e os cientistas passaram a considerá-lo como sendo esférico. Esse processo atingiu seu ápice no modelo de Boscovich que supôs o átomo como uma partícula pontual sem dimensão.

Em 1717, na tentativa de explicar a ação das forças à distância, Newton especulou sobre a existência de uma substância invisível, imponderável (sem massa) e absolutamente elástica. Esta substância seria o éter. Com o passar dos anos, entretanto, este argumento passou a ser utilizado para justificar uma variedade de fenômenos. Por exemplo, um corpo seria quente na medida em que continha o fluido de calor, o chamado calórico. Assim, ao final do século XVIII havia fluidos imponderáveis dos mais diversos tipos, como luz, calor, eletricidade, magnetismo, etc, constituídos por partículas que exerceriam forças atrativas e repulsivas entre si. Dessa forma, o antigo conceito de uma única partícula fundamental, que constituiria toda a matéria, se perdia em diversas substâncias distintas e as propriedades da matéria eram materializadas em diversos fluidos imponderáveis. 

Na química, desde o início do século XVIII, as abordagens mecanicistas e corpusculares começaram a ser abandonadas por não serem capazes de fornecer informações que pudessem ser verificadas no laboratório, e em seu lugar passou-se a dar prioridade a classificar as substâncias por suas propriedades. Assim, as substâncias passaram a ser classificadas de acordo com suas “afinidades químicas”, que os químicos da época entendiam como relacionada a uma tendência de combinação entre elas, ou de forma mais básica, com forças fundamentais que causavam as reações. A ideia subjacente era que as diferentes substâncias apresentavam “forças de atração” umas pelas outras, um conceito muito remotamente inspirado na atração gravitacional.

Dentro desta linha de pensamento, em 1718, Etienne François Geoffroy criou sua famosa tabela de afinidades que mostrava as substâncias conhecidas e listava todas as outras com quais elas podiam se ligar (veja figura 3). Ao longo do século XVIII, diversos químicos de destaque sugeriram outras tabelas deste tipo para incorporar novas descobertas.

A tendência classificatória na química atingiu seu auge com A. Lavoisier, que não aceitava o atomismo, mas adotava uma abordagem fundamentalmente analítica. Ele era extremamente habilidoso e meticuloso em seus métodos e nas técnicas sofisticadas de que dispunha em seu laboratório. Seu trabalho consolidou o papel central da análise experimental e quantitativa. Isso resultou em uma revolução na química e acabou por criar as bases para o desenvolvimento da teoria atômica. 

Além de algumas grandes descobertas, a contribuição fundamental de Lavoisier foi reorganizar a química². Ele diferenciou os conceitos de composto (constituído por substâncias simples, mas com propriedades distintas das de seus componentes), mistura (simples agregação de substâncias diferentes) e substância simples (aquela que não podia ser decomposta pela análise química). 

Além disso, Lavoisier estabeleceu a famosa lei de conservação das massas nas reações químicas e contribuiu para modernizar a nomenclatura química, associando-a às substâncias envolvidas na composição e as proporções em que ocorrem. Lavoisier, entretanto, considerava a questão acerca dos elementos fundamentais como uma mera hipótese filosófica muito antiga, anterior à existência da química e, portanto, fora de seu campo de atuação. Conforme escreveu em “Elements of Chemistry”, de 1789:

“Será uma surpresa que, em um tratado sobre os elementos da química, não haja nenhum capítulo sobre as partes constituintes e elementares da matéria; mas aproveitarei a ocasião, neste lugar, para observar que o gosto por reduzir todos os corpos da natureza a três ou quatro elementos provém de um preconceito que nos foi transmitido pelos filósofos gregos. A noção dos quatro elementos… é uma mera hipótese, assumida muito antes de os primeiros princípios da filosofia experimental ou da química terem qualquer existência”.

“Tudo o que se pode dizer sobre o número e a natureza dos elementos está, na minha opinião, confinado a discussões inteiramente de natureza metafísica… Portanto, acrescentarei apenas sobre este assunto que, se pelo termo elementos queremos expressar aqueles átomos simples e indivisíveis dos quais a matéria é composta, é extremamente provável que não saibamos nada sobre eles; mas se aplicarmos o termo elementos, ou princípios dos corpos, para expressar nossa ideia do último ponto que a análise é capaz de alcançar, devemos admitir como elementos todas as substâncias nas quais somos capazes, por qualquer meio, de reduzir os corpos por decomposição”.

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A partir do próximo capítulo, vamos iniciar a trajetória que nos levou até atingir a compreensão da estrutura atômica por volta de 1930. Vamos apresentar os principais conceitos e modelos atômicos elaborados ao longo da história, organizados de acordo com seus autores e em ordem cronológica³.

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1. Tive a ideia de escrever sobre esse assunto ao ler “The gallery of failed atomic models, 1903-1913” no blog skullsinthestars. ↩︎
2. As contribuições de Lavoisier serão abordadas novamente mais adiante. ↩︎
3. Em alguns casos as datas citadas são aproximadas, pois nem sempre é possível definir o momento em que um modelo atômico ou conceito foi elaborado. ↩︎

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Bibliografia básica 

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