25/03/2022 Física

Elétrons: como eles funcionam?

Escrito por Hexag Educação @hexagmedicina
Elétrons: como eles funcionam?

Partícula presente na estrutura do átomo, o elétron possui carga elétrica negativa. Os elétrons estão localizados na região da eletrosfera do átomo. Essa é uma região periférica ao redor do núcleo atômico. A massa aproximada do elétron é de 9 x 10-31 kg. Esse valor é cerca de 1836 vezes menor do que a massa do próton. A carga é de -1,60 x 10-19.

O elétron foi descoberto em 1897, pelo físico britânico Joseph John Thomson,através de experimentos com raios catódicos em uma ampola de Crookes. Continue lendo para saber mais sobre os elétrons. 

O que é elétron?

O físico britânico Joseph John Thomson publicou em 1897 um artigo científico a respeito de diversas medidas sobre os raios catódicos. Esses raios foram descobertos pelo físico e matemático Julius Plücker e percebidos por William Crookes. Basicamente, tais raios surgiram quando uma corrente elétrica passava em uma gás rarefeito dentro de um recipiente. 

Quando realizou os experimentos, Thomson já sabia que os raios catódicos eram constituídos de partículas negativas. Contudo, os seus estudos ajudaram a entender diferentes características formadoras desses raios como a razão entre a carga e a massa.

Ainda que mudasse o gás e outras substâncias do experimento, Thomson sempre chegava à mesma relação entre carga e massa. Logo, ele percebeu que estava diante de uma partícula universal, ou seja, que se encontra em todos os elementos químicos. 

Tal partícula tinha carga gigantesca e massa ínfima, inicialmente ele a nomeou como corpúsculo. Depois, passou a ser chamada de elétron. Thomson realizou o experimento em questão em uma ampola de Crookes.

Assim que os raios catódicos passavam em um campo elétrico, eram desviados na direção ao lado positivo. Porém, quando era aplicado um campo magnético perpendicularmente, esse desvio já não era percebido. 

Partícula fundamental

Hoje em dia, sabemos que o elétron é uma partícula presente na estrutura do átomo, na eletrosfera, e que tem carga elétrica negativa. O elétron é entendido como uma partícula fundamental (ou elementar) na física quântica.

Isso significa que se trata de uma partícula sem nenhuma subestrutura. Thomson foi o responsável pela descoberta da primeira partícula fundamental da história. Por este feito, recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1906.

Onda-Partícula

O elétron é estudado em boa parte dos livros de Física como partícula, no entanto, ele possui também características de onda. Louis de Broglie, em 1924, relacionou as ideias de Max Planck e Albert Einstein para explicar as partículas da matéria, como os elétrons, que tem propriedades ondulatórias.

Clinton Davisson e Lester Germer realizaram um experimento em 1927, em que detectaram comportamento ondulatório nessas partículas. O experimento consistiu em lançar elétrons contra um alvo de níquel cristalino.

O resultado apresentou um padrão de difração, fenômeno que acontece quando uma onda encontra um obstáculo. Em 1929, de Broglie recebeu o Prêmio Nobel de Física. Thomson e Davisson também receberam esse prêmio em 1937. 

Elétrons: conheça as características principais

Confira a seguir as principais características dos elétrons. 

Massa: 9 x 10-31 kg aproximadamente. 

Massa em unidades de massa atômica: 5,49 x 10-4 u.m.a.

Carga elétrica: -1,60 x 10-19 C.

Os elétrons ficam localizados na eletrosfera, a região periférica do núcleo atômico. A mecânica quântica afirma que não é possível determinar a posição e a velocidade do elétron com precisão simultaneamente. Logo, torna-se impossível descrever uma trajetória para os elétrons na eletrosfera. 

A carga elétrica do elétron possui a mesma intensidade da carga elétrica dos prótons (partículas positivas presentes no núcleo do átomo). Porém, a massa do próton é em torno de 1836 vezes maior do que a massa do elétron. 

Salto quântico

De acordo com a mecânica quântica, quando um elétron recebe energia, realiza o que se chama de salto quântico. Esse salto se caracteriza pela passagem do elétron para uma camada eletrônica de maior energia da eletrosfera.

Se essa camada eletrônica for a mais externa (a de valência), então o elétron ultrapassa a barreira potencial do átomo saindo da estrutura, tornando-se um elétron livre. 

Mar de elétrons: condução elétrica

O físico alemão Paul Drude, em 1900, desenvolveu uma teoria em que afirmava que os átomos dos elementos metálicos, quando unidos para formar o metal, tinham seus elétrons da camada de valência ligados fracamente à estrutura atômica, de maneira que podiam circular livremente através do metal. Os íons, por sua vez, se mantinham fixos formando uma rede cristalina. Isso é o que muitos livros chamam de mar de elétrons. 

Segundo essa teoria, os elétrons se movimentam de forma aleatória no metal em temperatura ambiente e com velocidade média igual a zero, da mesma forma que as moléculas de um gás ideal. Quando se estabelecem em um campo elétrico dentro do metal, os elétrons passam a ter uma pequena velocidade na mesma direção, mas em sentido contrário ao campo elétrico. 

De acordo com a física, corrente elétrica, nada mais é do que cargas em movimento. Então, se tem uma corrente elétrica dentro do metal, permitindo a condução elétrica. Hendrik Lorentz refinou a teoria proposta por Drude, contudo, o modelo do elétron livre apresentou falhas em alguns pontos. 

Atualmente, está obsoleto, especialmente por usar apenas a mecânica estatística clássica e não a mecânica quântica. Porém, ressaltamos que o modelo criado por Drude foi de grande relevância para começar os estudos com elétrons livres.

Função dos elétrons

Os elétrons são os responsáveis pelo estabelecimento de ligações entre átomos de elementos diferentes, permitindo a formação de compostos iônicos, metálicos e moléculas. As ligações químicas acontecem por meio da transferência ou compartilhamento de elétrons de acordo com as leis da mecânica quântica. 

Além disso, são relevantes para explicar a condutividade elétrica e térmica dos materiais. Atualmente, a mecânica quântica usa a teoria de bandas para corrigir as falhas deixadas por Drude, de maneira a fazer uma interpretação melhor de como se dá a condução elétrica e térmica em metais e demais substâncias. 

Agora você já sabe como funcionam os elétrons e sua importância!

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