Elétron

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
Ir para: navegação, pesquisa
Text document with red question mark.svg
Este artigo contém fontes no fim do texto, mas que não são citadas no corpo do artigo, o que compromete a confiabilidade das informações. (desde junho de 2009)
Por favor, melhore este artigo introduzindo notas de rodapé citando as fontes, inserindo-as no corpo do texto quando necessário.
Searchtool.svg
Esta página ou secção foi marcada para revisão, devido a inconsistências e/ou dados de confiabilidade duvidosa. Se tem algum conhecimento sobre o tema, por favor verifique e melhore a consistência e o rigor deste artigo. Pode encontrar ajuda no WikiProjeto Física.

Se existir um WikiProjeto mais adequado, por favor corrija esta predefinição.

Estimativas teóricas da densidade do elétron para orbitais do átomo do hidrogênio.

O elétron (português brasileiro) ou eletrão (português europeu) (do grego ήλεκτρον, élektron, "âmbar"), geralmente representado como e-, é uma partícula subatômica que circunda o núcleo atômico, identificada em 1897 pelo inglês John Joseph Thomson. Subatómica e de carga negativa, é o responsável pela criação de campos magnéticos e eléctricos.

No modelo padrão ele é um lépton, junto com o muon, o tau e os respectivos neutrinos. O elétron foi proposto como partícula subatómica por J. J. Thomson em 1897. A carga do elétron é de -1,60217733 ×10-19 C, e a sua massa é de 9,1093897 ×10-31 kg, ou 511,0 keV/c². Normalmente, em física nuclear, a carga do elétron é definida como sendo uma unidade. No ponto de vista da física Quântica, o elétron pode ser concebido como uma onda estacionária.

É o número de electrões de um átomo que define a sua carga, sendo que um número de electrões igual ao número de protões origina uma partícula electricamente neutra. Nas escalas de distâncias dos átomos o comportamento da partícula é regido pela mecânica quântica, segundo a qual os electrões ficam "espalhados" pela maior parte do átomo, numa área denominada "nuvem electrónica". Por outro lado, o núcleo que comporta a carga positiva do átomo está localizado no centro deste.

O elétron, além de interagir com outras partículas pela força electromagnética, também interage pela força nuclear fraca, onde normalmente vem acompanhado do seu neutrino associado. Sua antipartícula é o posítron, com a mesma massa, mas carga positiva.

Considerações gerais[editar | editar código-fonte]

Os elétrons apresentam uma carga elétrica muito pequena e seu movimento gera corrente elétrica. Visto que os elétrons das camadas mais externas de um átomo definem as atrações com outros átomos, estas partículas possuem um papel importante na química.

História e descobrimento do elétron[editar | editar código-fonte]

Os gregos antigos observaram que o âmbar atraia pequenos objetos quand friccionado com lãs. Junto com o Raio, este fenômeno é uma das primeiras experiências registradas com a eletricidade.[1] Em seu tratado De Magnete (1600), o cientista inglês William Gilbert cunhou o termo em neolatim electricus, para se referir a esta propriedade de atração de pequenos objetos após a fricção.[2] Ambas as palavras elétrico e eletricidade são derivadas da forma latina ēlectrum (que também é a raiz para a liga metálica de mesmo nome), que veio da palavra grega para o âmbar, ἤλεκτρον (ēlektron).

No início do século XVII, Francis Hauksbee e Charles François de Fay descobriram de modo independente o que eles acreditavam ser dois tipos de eletricidade friccional, uma gerada a partir da fricção do vidro, e a outra da fricção da resina de âmbar. A partir disto, Du Fay teorizou que a eletricidade consistia de dois fluidos elétricos, vítreos e resinosos, que são separados pela fricção e que se neutralizam quando combinados.[3] Uma década depois, Benjamin Franklin propôs que a eletricidade não era dois tipos de fluidos elétricos mas o mesmo fluido sob diferentes pressões. Ele deu a elas a nomenclatura de carga moderna de positivo e negativo, respectivamente.[4] Franklin pensou o carregador de carga como positivo, mas não identificou corretamente que situação era um excedente do carregador de carga, e que situação era um déficit.[5]

Entre 1838 e 1851, o filósofo britânico Richard Laming desenvolveu a ideia de que um átomo é composto de um núcleo de matéria cercado por partículas subatômicas que tinham carga elétrica unitária.[6] No início de 1846, o físico William Weber postulou que a eletricidade era composta de cargas fluidas positivas e negativas, e que sua interação era governada pela lei do inverso do quadrado. Após estudar o fenômeno da eletrólise em 1874, o físico George Johnstone Stoney sugeriu a existência de uma "quantidade de eletricidade singular definida", a carga de um íon monovalente. Ele foi capaz de estimar o valor desta carga elementar e por meio da lei de Faraday da eletrólise.[7] Entretanto, Stoney acreditou que estas cargas estavam permanentemente ligadas aos átomos e que não podiam ser removidas. Em 1881, o físico Hermann von Helmholtz argumentou que ambas as cargas negativas e positivas eram divididas em partes elementares as quais "comportam-se como átomos de eletricidade".[8]

Em 1881, Stoney criou o termo electrolion mas dez anos depois, mudou para elétron para descrever estas cargas elementares, escrevendo em 1894: "... uma estimativa foi feita para a quantidade atual desta memorável unidade fundamental, para o qual eu tenho desde então arriscado a sugestão do nome elétron.[nota 1] . Em 1906, uma proposta para mudar para elétrion falhou porque Hendrik Lorentz preferiu manter o elétron.[9] [10] A palavra inglesa eletron é uma combinação das palavras eletric e ion.[11] [12] O sufixo -on que agora é utilizado para designar outras partículas subatômicas, tais como o proton e o neutron, são derivadas do eletron.[13] [14]

Descoberta[editar | editar código-fonte]

Um tubo de vácuo de vidro redondo com um raio circular brilhando no interior
Um raio de elétrons defletidos em um círculo por um campo magnético.[15]

Em 1869, o físico Johann Wilhelm Hittorf estudava a condutividade elétrica em gases rarefeitos e descobriu um brilho emitido do cátodo que aumentava em tamanho com a redução da pressão do gás. Em 1876, o físico Eugen Goldstein demonstrou que os raios deste brilho formavam uma sombra, e os apelidou de raios catódicos.[16] Durante a década de 1970, o físico e químico Sir William Crookes desenvolveu o primeiro tudo de raios catódicos com um vácuo no interior.[17] Ele então demonstrou que os raios luminescentes aparecendo dentro do tubo carregavam energia e se moviam do cátodo para o ânodo. Além disso, ao aplicar um campo magnético, ele foi capaz de defletir os raios, assim demonstrando que os raios se comportavam como se fossem carregados negativamente.[18] [19] Em 1879, propôs que estas propriedades poderiam ser explicadas pelo que ele denominou 'matéria radiante'. Ele então sugerio que este seria o quarto estado da matéria, consistindo de moléculas carregadas negativamente que eram projetadas com alta velocidade a partir do cátodo.[20]

O físico Arthur Schuster realizou um experimento similar ao de Crookes, colocando placas de metal paralelas aos raios catódicos e aplicando um potencial elétrico entre as placas. O campo defletia os raios em direção a placa carregada positivamente, fornecendo maiores evidências que os raios carregavam cargas negativas. Através da medição da quantidade de deflecção para um dado nível de corrente elétrica, em 1890, Schuster foi capaz de estimar a relação massa-para-carga dos componentes dos raios. Todavia, isto resultou em um valor que era mais de mil vezes superior ao que era esperado, então foi dado pouco crédito aos seus cálculos na época.[18] [21]

Em 1892, Hendrik Lorentz sugeriu que a massa destas partículas (elétrons) poderia ser consequência de sua carga elétrica.[22]

Em 1896, o físico J. J. Thomson, com seus colegas John S. Townsend e Harold A. Wilson,[23] executaram experimentos indicando que os raios catódicos eram partículas únicas, aos invés de ondas, átomos ou moléculas como era acreditado anteriormente.[24] Thomson fez boas estimativas tanto da carga e e da massa m, descobrindo que as partículas dos raios catódicos, que ele chamou de "corpúsculos", teriam talvez um milésimo da massa do menor íon conhecido: o hidrogênio.[24] [25] Ele demonstrou que a relação carga para massa, e/m, era independente do material do cátodo. Também demonstrou que as partículas carregadas negativamente produzidas por materiais radioativos, pelo aquecimento de materiais e pelos materiais luminosos eram universais.[24] [26] O nome elétron foi novamente proposto para estas partículas pelo físico George Fitzgerald, e o nome então ganhou aceitação universal.[18]

Robert Millikan

Enquanto estudava a fluorescência natural de minerais em 1896, o físico Henri Becquerel descobriu que eles emitiam radiação sem nenhuma exposição a uma fonte externa de energia. Estes materiais radioativos se tornaram o interesse de muitos cientistas, incluindo o físico Ernest Rutherford que descobriu que eles emitiam partículas. Ele denominou estas partículas como alfa e beta, com base na sua capacidade de penetrar a matéria.[27] Em 1900, Becquerel demonstrou que os raios beta emitidos pelo Rádio podiam ser defletidos por um campo elétrico, e que a relação massa-para-carga era a mesma que para os raios catódicos.[28] Esta evidência fortaleceu a visão de que os elétrons existiam como componentes dos átomos.[29] [30]

A carga do elétron foi medida com mais cuidado pelos físicos Robert Millikan e Harvey Fletcher em sua experiência da gota de óleo de 1909. Este experimento usou um campo elétrico para prevenir uma gota de óleo carregada de cair pela ação da gravidade. Este dispositivo podia medir a carga elétrica de tão poucos íons quanto de 1 a 150, com uma margem de erro de menos de 0,3%. Experimentos comparáveis feitos anteriormente pela equipe de Thomson,[24] utilizando nuvens de gotas de água carregadas geradas pela eletrólise,[23] e em 1911 por Abram Ioffe, que obteve de modo independente o mesmo resultado que Millikan usando micropartículas de metal carregadas, que publicou seus resultados em 1913.[31] Todavia, gotas de óleo eram mais estáveis do que de água por causa de sua baixa taxa de evaporação, e assim eram mais adequadas para a experimentação por longos períodos de tempo.[32]

No início do século XX, foi descoberto que sob certas condições uma partícula carregada se movimentando rapidamente causava a condensação de vapor de água supersaturada ao longo do seu caminho. Em 1911, Charles Wilson empregou este princípio para criar a câmara de nuvens para que pudesse fotografar o caminhos destas partículas, tais como os elétrons em alta velocidade.[33]

Os elétrons e a prática[editar | editar código-fonte]

Classificação dos elétrons[editar | editar código-fonte]

O elétron é um tipo de partícula subatômica denominada lépton, acreditando-se que é uma das partículas fundamentais, isto é, que não pode ser dividida em constituintes menores.

A palavra "partícula" não é totalmente correta, porque a mecânica quântica nos indica que os elétrons, em determinadas condições, se comportam como uma onda, fato que ocorre na experiência de dupla fenda. Esta propriedade é denominada dualidade onda-corpúsculo.

Propriedades e comportamento dos elétrons[editar | editar código-fonte]

O elétron tem uma carga elétrica negativa de −1,6 × 10−19 coulomb e uma massa de 9,10 × 10−31 kg (0,51 MeV/c²), que é aproximadamente 1/1836 da massa do próton.

O elétron tem um spin 1/2, implicando que é um férmion, ou seja, que se pode aplicar-lhe a estatística Fermi-Dirac.

Ainda que a maioria dos elétrons faça parte da constituição dos átomos, existem aqueles que se deslocam independentemente pela matéria ou aqueles que se deslocam juntos, formando um feixe de elétrons no vácuo. Em alguns supercondutores os elétrons se movem em pares.

Quando os elétrons que não fazem parte da estrutura do átomo se locomovem e existe um fluxo deles numa determinada direcção, este fluxo é chamado de corrente eléctrica.

A eletricidade estática não é um fluxo de elétrons. É mais correto denominá-la de "carga estática". Esta carga é causada por um corpo cujos átomos apresentam mais ou menos elétrons que o necessário para equilibrar as cargas positivas dos núcleos dos seus átomos. Quando existe um excesso de elétrons, diz-se que o corpo está carregado negativamente. Quando existem menos elétrons que prótons, o corpo está carregado positivamente. Se o número total de prótons e elétrons é equivalente, o corpo está num estado eletricamente neutro.

Os elétrons e os pósitrons podem aniquilar-se mutuamente, produzindo fótons, assim como, de maneira inversa, fótons de alta energia podem transformar-se em elétrons e pósitrons.

O elétron é uma partícula elementar; isso significa que não apresenta uma subestrutura - pelo menos não foi comprovado até agora. Por isso, pode ser representado por um ponto, ou seja, sem extensão espacial. Entretanto, nas cercanias de um elétron, pode-se medir variações na sua massa e na sua carga elétrica. Este é um efeito comum a todas as partículas elementares: a partícula influi nas flutuações do vácuo que o cerca, de forma que as propriedades observadas de maior distância são a soma das propriedades da partícula mais as causadas pelo efeito do vácuo que a rodeia.

Existe uma constante física chamada raio clássico do elétron, com um valor de 2,8179 × 10−15 metros. É preciso considerar que este é o raio que se pode aferir a partir da carga do elétron descrito sob o ponto de vista da eletrodinâmica clássica, não da mecânica quântica. Esta constante baseia-se num conceito desfasado, porém útil para alguns cálculos.

Elétrons no universo[editar | editar código-fonte]

Acredita-se que o número total de elétrons que caberiam no universo conhecido é da ordem de 10130.

Elétrons na vida cotidiana[editar | editar código-fonte]

A corrente elétrica que abastece com energia as nossas casas é proveniente de elétrons em movimento. O tubo de raios catódicos de um televisor se baseia num feixe de elétrons no vácuo que é desviado por campos magnéticos para atingir uma tela fosforescente. Os semicondutores são utilizados em dispositivos tais como os transístores.

Elétrons na indústria[editar | editar código-fonte]

Feixes de elétrons são utilizados em solda.

Elétrons em laboratório[editar | editar código-fonte]

O microscópio eletrônico, que utiliza feixes de elétrons no lugar de fótons, permite ampliar até 500 000 vezes os objetos. Os efeitos quânticos do elétron são a base do microscópio de efeito túnel, que permite estudar a matéria em escala atómica.

Os elétrons e a teoria[editar | editar código-fonte]

Na mecânica quântica, o elétron é descrito pela equação de Fermi-Dirac. No modelo padrão da física das partículas, forma uma dupla com o neutrino, visto que ambos interagem de forma fraca. O elétron tem os padrões massivos adicionais múon e tau.

O equivalente do elétron na antimatéria, sua antipartícula, é o pósitron, que tem a mesma quantidade de carga elétrica que o elétron, mas positiva. O spin e a massa são iguais no elétron e no pósitron. Quando um elétron e um pósitron colidem, acontece a aniquilação mútua, originando-se dois fótons de raios gama com uma energia de 0,500 MeV cada um.

Os elétrons são um elemento chave no eletromagnetismo, uma teoria adequada desde um ponto de vista clássico, aplicável a sistemas macroscópicos.

Ver também[editar | editar código-fonte]

Ligações externas[editar | editar código-fonte]

Wikcionário
O Wikcionário possui o verbete Elétron.

Notas

  1. Tradução livre de ...an estimate was made of the actual amount of this most remarkable fundamental unit of electricity, for which I have since ventured to suggest the name electron"

Referências

  1. Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas DictOrigins
  2. Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas Baigrie1
  3. Keithley, J.F. (1999). The Story of Electrical and Magnetic Measurements: From 500 B.C. to the 1940s IEEE Press [S.l.] pp. 15, 20. ISBN 0-7803-1193-0. 
  4. «Benjamin Franklin (1706–1790)». Eric Weisstein's World of Biography. Wolfram Research. Consultado em 2010-12-16. 
  5. Myers, R.L. (2006). The Basics of Physics Greenwood Publishing Group [S.l.] p. 242. ISBN 0-313-32857-9. 
  6. Farrar, W.V. (1969). «Richard Laming and the Coal-Gas Industry, with His Views on the Structure of Matter». Annals of Science [S.l.: s.n.] 25 (3): 243–254. doi:10.1080/00033796900200141. 
  7. Barrow, J.D. (1983). «Natural Units Before Planck». Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society [S.l.: s.n.] 24: 24–26. Bibcode:1983QJRAS..24...24B. 
  8. Arabatzis, T. (2006). Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities University of Chicago Press [S.l.] pp. 70–74. ISBN 0-226-02421-0. 
  9. Sōgo Okamura (1994). History of Electron Tubes IOS Press [S.l.] p. 11. ISBN 978-90-5199-145-1. Consultado em 29 May 2015. «In 1881, Stoney named this electromagnetic 'electrolion'. It came to be called 'electron' from 1891. [...] In 1906, the suggestion to call cathode ray particles 'electrions' was brought up but through the opinion of Lorentz of Holland 'electrons' came to be widely used.»  line feed character character in |quote= at position 117 (Ajuda)
  10. Stoney, G.J. (1894). «Of the "Electron," or Atom of Electricity». Philosophical Magazine [S.l.: s.n.] 38 (5): 418–420. doi:10.1080/14786449408620653. 
  11. "electron, n.2". OED Online. March 2013. Oxford University Press. Accessed 12 April 2013 [1]
  12. http://www.dictionary.com/browse/electron
  13. Soukhanov, A.H. ed. (1986). Word Mysteries & Histories Houghton Mifflin Company [S.l.] p. 73. ISBN 0-395-40265-4. 
  14. Guralnik, D.B. ed. (1970). Webster's New World Dictionary Prentice Hall [S.l.] p. 450. 
  15. Born, M.; Blin-Stoyle, R.J.; Radcliffe, J.M. (1989). Atomic Physics Courier Dover [S.l.] p. 26. ISBN 0-486-65984-4. 
  16. Dahl (1997:55–58).
  17. DeKosky, R.K. (1983). «William Crookes and the quest for absolute vacuum in the 1870s». Annals of Science [S.l.: s.n.] 40 (1): 1–18. doi:10.1080/00033798300200101. 
  18. a b c Leicester, H.M. (1971). The Historical Background of Chemistry Courier Dover [S.l.] pp. 221–222. ISBN 0-486-61053-5. 
  19. Dahl (1997:64–78).
  20. Zeeman, P.; Zeeman, P. (1907). «Sir William Crookes, F.R.S». Nature [S.l.: s.n.] 77 (1984): 1–3. Bibcode:1907Natur..77....1C. doi:10.1038/077001a0. 
  21. Dahl (1997:99).
  22. Frank Wilczek: "Happy Birthday, Electron" Scientific American, June 2012.
  23. a b Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas dahl
  24. a b c d Erro de citação: Tag <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas thomson
  25. Wilson, R. (1997). Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe CRC Press [S.l.] p. 138. ISBN 0-7484-0748-0. 
  26. Thomson, J.J. (1906). «Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity» (PDF). The Nobel Foundation. Consultado em 2008-08-25. 
  27. Trenn, T.J. (1976). «Rutherford on the Alpha-Beta-Gamma Classification of Radioactive Rays». Isis [S.l.: s.n.] 67 (1): 61–75. doi:10.1086/351545. JSTOR 231134. 
  28. Becquerel, H. (1900). «Déviation du Rayonnement du Radium dans un Champ Électrique». Comptes rendus de l'Académie des sciences (em francês) [S.l.: s.n.] 130: 809–815. 
  29. Buchwald and Warwick (2001:90–91).
  30. Myers, W.G. (1976). «Becquerel's Discovery of Radioactivity in 1896». Journal of Nuclear Medicine [S.l.: s.n.] 17 (7): 579–582. PMID 775027. 
  31. Kikoin, I.K.; Sominskiĭ, I.S. (1961). «Abram Fedorovich Ioffe (on his eightieth birthday)». Soviet Physics Uspekhi [S.l.: s.n.] 3 (5): 798–809. Bibcode:1961SvPhU...3..798K. doi:10.1070/PU1961v003n05ABEH005812.  Original publication in Russian: Кикоин, И.К.; Соминский, М.С. (1960). «Академик А.Ф. Иоффе» (PDF). Успехи Физических Наук [S.l.: s.n.] 72 (10): 303–321. 
  32. Millikan, R.A. (1911). «The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes' Law». Physical Review [S.l.: s.n.] 32 (2): 349–397. Bibcode:1911PhRvI..32..349M. doi:10.1103/PhysRevSeriesI.32.349. 
  33. Das Gupta, N.N.; Ghosh, S.K. (1999). «A Report on the Wilson Cloud Chamber and Its Applications in Physics». Reviews of Modern Physics [S.l.: s.n.] 18 (2): 225–290. Bibcode:1946RvMP...18..225G. doi:10.1103/RevModPhys.18.225.