Baixe O átomo e a tecnologia e outras Notas de estudo em PDF para Ciências Biologicas, somente na Docsity! 4 Mario Tolentino Romeu C. Rocha-Filho Ao cunhar o conceito de átomo,os filósofos da antiga Gréciatentavam explicar a natureza do mundo em que viviam, criando uma base lógica para a existência das coisas. Por portentoso que fosse já esse primeiro objetivo, acabou tornan- do-se acanhado frente às descobertas e invenções tecnológicas que esse conceito possibilitou nos últimos séculos. Nós e os elétrons O modelo atômico evoluiu, indo em um enorme salto de Rutherford para as idéias de Bohr, concepções com- plementadas mais tarde pelas de Sommerfeld. O elétron torna-se uma entidade que ora com- porta-se como partícula ora como onda, e os trabalhos de Pauli, Hei- senberg, Dirac, Schrö- dinger e muitos outros acabaram tornando quase indefinível a nu- vem eletrônica dos áto- mos. Mas não importa o que realmente sejam os elétrons e de que maneira eles se disponham no átomo. Em certo momento, os conhe- cimentos sobre o comportamento dos elétrons transferiram-se dos laborató- rios para as fábricas, e o que era an- tes uma curiosidade de laboratório transformou-se em instrumento da tecnologia. Os elétrons emitem radiações O fato fundamental do modelo de Bohr, a quantização, implica na absor- ção ou emissão de energia pelos elétrons, conforme eles saltem de uma órbita de energia mais baixa para outra mais elevada (absorção) ou vice- versa, retornando a órbitas de menor energia e emitindo radiação eletro- magnética — luz de determinada freqüência, isto é, monocromática. A cor (freqüência) da luz emitida depende dos átomos cujos elétrons são ex- citados. Essa é a es- sência do colorido dos fogos de artifício, já conhecidos pelos chi- neses há séculos. No século 19, a descober- ta das descargas elé- tricas em gases rare- feitos levou à observação de que os gases iluminavam-se com cores variadas. Imediatamente, a tecnologia desenvolveu as fontes de luz emitidas por lâmpadas contendo gases rarefei- tos, excitados pela eletricidade. Entre elas estão as lâmpadas de vapor de mercúrio ou de sódio e as lâmpadas de gases raros ou de halogênios. Estas últimas emitem luz intensa e são usadas, por exemplo, em faróis de automóveis e na iluminação de aero- portos, edifícios, monumentos etc. A excitação dos elétrons de certas substâncias produz emissão de luz por fluorescência ou por fosforescência. São as substâncias usadas no reves- timento interno dos tubos de vidro das lâmpadas chamadas fluorescentes, ou adicionadas a plásticos usados na confecção de interruptores e tomadas elétricas. A pesquisa de dispositivos espe- ciais para excitação elétrica em cristais ou gases levou à produção da luz la- ser (light amplification by stimulated emission of radiation, ou seja, amplifi- cação de luz por emissão estimulada de radiação). Uma tecnologia que até pouco tempo atrás era limitada a uni- versidades e centros de pesquisa, o laser hoje já é comum, usado em apa- relhos de compact discs (CDs). Esse sistema de ‘leitura’ de dados armaze- nados por meio de um feixe de luz la- ser já avançou para a informática (CD- ROM), a medicina, a indústria etc. Mas não é só luz que pode ser pro- duzida pelos ‘saltos’ dos elétrons. Se um feixe de elétrons acelerado por um intenso campo elétrico incidir sobre átomos de metais pesados (multiele- trônicos), a decorrente excitação pode dar origem aos raios X, descobertos por Röntgen, hoje com aplicações inestimáveis na indústria e, sobretudo, na medicina. Neste caso, a versão mais avançada desta técnica de diagnóstico é a chamada tomografia, que consiste na obtenção de várias imagens radio- gráficas, melhoradas posteriormente por técnicas de computação. O uso de raios X em laboratórios de pesquisa de materiais levou à A seção “Química e sociedade” apresenta artigos que focalizam aspectos importantes da interface ciência/sociedade, procurando sempre que possível analisar o potencial e as limitações da ciência na solução de problemas sociais. A tendência moderna no ensino da química é relacionar seu conteúdo com o que ocorre no dia-a-dia. Isso vem sendo chamado de “o cotidiano no ensino de química” e, por vezes, de “química aplicada ao setor produtivo”. Este artigo apresenta o ensino da estrutura do átomo como um rico manancial de fatos que resultaram em aplicações importantes ou explicaram fenômenos do dia-a-dia. átomo, elétrons, estrutura atômica, tecnologia A essência do colorido dos fogos de artifício, já conhecidos pelos chineses há séculos, é a excitação de diferentes átomos, que emitem luz de freqüências diferentes QUÍMICA NOVA NA ESCOLA O Átomo e a Tecnologia N° 3, MAIO 1996 QUÍMICA E SOCIEDADE 5 elétrons de certos metais (alcalinos, alumínio etc.) é o chamado efeito foto- elétrico, que consiste na expulsão de elétrons de certos metais quando sua superfície é atingida por fótons de fre- qüência muito elevada (geralmente luz ultravioleta). Esse efeito é usado na construção de células fotoelétricas, nas quais os elétrons são acelerados por campos elétricos, dando origem a correntes elétricas que podem acionar alarmes, motores, campainhas etc. Outros dispositivos podem gerar energia elétrica pela excitação de elétrons provocada pe- la incidência da luz. Es- ses geradores ou pilhas fotovoltaicas represen- tam uma maneira inte- ressante de se aprovei- tar a energia da luz so- lar para o acionamento de aparelhos elétricos ou eletrônicos. Seu uso já é comum em satéli- tes artificiais e sondas espaciais. A corrente elétrica e os elétrons O conhecimento da estrutura dos metais e da natureza dos elétrons livres no interior do retículo cristalino (arranjo ordenado dos átomos do metal) permi- tiu entender a corrente elétrica: um fluxo de elétrons dentro da rede cristalina QUÍMICA NOVA NA ESCOLA O Átomo e a Tecnologia N° 3, MAIO 1996 Feixes de elétrons gerados por efeito termoiônico podem ser refratados por campos eletromagnéticos e, ao incidir sobre materiais devidamente preparados, geram imagens ampliadas milhares de vezes. É o microscópio eletrônico construção das microssondas eletrô- nicas, cuja essência de funcionamento consiste na emissão de raios X típicos (freqüência específica) por átomos de materiais. A análise das freqüências dos raios X emitidos permite identificar os elementos existentes no material. Por outro lado, a difração de raios X provocada por substâncias cristalinas é um método rotineiro para a análise de minerais, ligas metálicas e materiais em geral. Por fim, os elétrons existentes nos metais, quando excitados por energia de alta freqüência, emitem radiação eletromagnética na faixa das onipre- sentes ondas de rádio, portadoras dos sinais de radiotelegrafia, radiotelefonia (telefones celulares e sem fio, por exemplo), rádio e televisão. Os elétrons são arrancados dos metais Sabe-se que os metais possuem uma estrutura singular formada por íons dispostos numa rede cristalina (ou retículo cristalino). Nos espaços vazios dessa rede agitam-se os elétrons periféricos que abandonaram os áto- mos e que passam a constituir um ver- dadeiro gás de elétrons. Alguns efeitos de importância tec- nológica resultam da existência desse ‘gás de elétrons’: se um fio metálico é aquecido, a intensa agitação dos elé- trons faz com que eles escapem da rede cristalina e formem uma nuvem de elétrons ao redor do fio. Esse efeito, chamado termoiônico, é tão mais intenso quanto mais alta for a tempera- tura do metal. Assim, só certos metais de alto ponto de fusão (platina, tungs- tênio etc.) são usados para esse tipo de filamento. Essa excitação múltipla dos elétrons determina a emissão de luz branca (isto é, policromática), como ocorre nas lâmpadas chamadas incan- descentes. Nas lâmpadas elétricas co- muns, o filamento é geralmente consti- tuído de tungstênio, sendo o sistema mantido dentro de uma ampola de vidro que contém um gás raro (geralmente argônio) sob pressão reduzida. O efeito termoiônico permitiu que um físico americano, Lee De Fo- rest, inventasse em 1906 um dispositivo chamado válvula ele- trônica, posteriormente muito aperfeiçoada. Es- sas válvulas permitiram o desenvolvimento da radiotelegrafia e da ra- diofonia, sendo ainda hoje usadas na retifica- ção de corrente elétrica (passagem de corrente alternada a contínua) em fornos de microondas, em emissoras de rádio e televisão etc. O efeito termoiônico deu origem ainda a outras aplicações tecnológicas, como os cinescópios. Neles, feixes de elétrons oriundos de um filamento aque- cido são modulados por campos elétri- cos e/ou magnéticos. Quando esses feixes atingem um anteparo de vidro re- vestido de material fluorescente, produ- zem o desenho de símbolos e imagens movimentadas. Descendentes dos antigos tubos de raios catódicos, esses dispositivos constituem o equipamento essencial de aparelhos de televisão, monitores de computador, osciloscó- pios etc. Feixes de elétrons também gerados por efeito termoiônico podem ser refra- tados por campos eletromagnéticos (enrolamentos ou bobinas, funcionando como verdadeiras lentes) e, ao incidir sobre materiais devidamente prepa- rados, geram imagens muito ampliadas — milhares de vezes mais do que as produzidas por um microscópio óptico. Esse dispositivo é o microscópio eletrônico, de que existem versões altamente sofisticadas. Outro fenômeno associado aos Figura 2: Diferentes fronteiras da tecnologia: o chip e a válvula eletrônica. Figura 1: Esquema do tubo de Coolidge.