A ciência física, assim como a química, procede por meio de imagens, isto é, descrevem a realidade, buscando assemelhá-la a um conjunto de imagens. O que tentarei descrever aqui é a mudança do tipo de imagens no que diz respeito à constituição da matéria. Esta mudança que se processou no início do século, passou das imagens "de objeto" para imagens "de ação" (1), como discutiremos mais adiante. Disto resulta um incrível aumento da adaptação à realidade, mas também, um aumento na dificuldade de representação tanto mental quanto imagética, pois, de certa forma, estas mudanças nas formas de representação iconográfica da matéria, ao abandonar as imagens "de objeto" nos distancia do campo das dimensões que nos são familiares.

A imagem "de ação" possui a vantagem de poder ser transportada para outras dimensões menos familiares a nós sem perder sua eficácia. As imagens dos objetos, entretanto, são menos facilmente exportáveis, e quando isto ocorre, expõe os ‘equívocos’ das teorias e modelos que a geraram, como é o caso da idéia do elétron como uma bolinha. Estes "objetos" estariam circulando em órbita ao redor do átomo, porém, com o advento de uma nova teoria da luz, constatou-se que estes "objetos" (elétrons) não permaneceriam em órbita e sim, se precipitariam sobre o núcleo, destruindo o átomo. O acúmulo desses ‘equívocos’ no estudo do mundo atômico, foi responsável pelas grandes revoluções científicas do século XX, que culminou no surgimento da mecânica quântica.

As imagens "de objeto" têm portanto o mérito de levantar questões que ilustram o "beco sem saída" que às vezes acometem as pesquisas científicas e aqui especificamente, o estudo da matéria. É fundamental nas pesquisas científicas colocar os aspectos titubeantes das incursões do pensamento humano na tentativa de se compreender a realidade. Nesse sentido, atentamos para a história do atomismo assim como para a analise das noções de matéria da ciência contemporânea. Sem retomar-lhe a gênese, procuramos mostrar quando e como o conceito de átomo se impôs de maneira irrefutável e com que conseqüências inéditas sobre o pensamento físico. Não nos importamos aqui em revelar a totalidade das concepções dos atomistas antigos; consideramos apenas um certo número de noções atomistas na medida em que ainda persistem no pensamento contemporâneo, e não as teorias antigas consideradas em suas diversidades ou em suas oposições. Tomamos como essência o estabelecimento de paralelismos entre as hipóteses atomísticas do pensamento científico em diversas épocas.

A especulação sobre a existência e constituição dos átomos vem de muitos séculos. Notamos que a busca por um ‘algo’ não visível, transparente, teve sempre como motivação, a compreensão da realidade. As questões levantadas sobre sua constituição tornaram-se tão enigmáticas, quanto é enigmática a realidade que, sempre com certa distorção e ambiguidade, elas tentam representar.

A hipótese, ou ainda melhor, a intuição atomista se baseia na idéia de que todos os corpos materiais são constituídos de elementos, de partículas elementares, de unidades fundamentais que se combinam diversamente entre si. Enunciada primeiramente pelos antigos filósofos gregos (2), é interessante notar que, das hipóteses atomísticas pré-científica dos materialistas gregos àquela do átomo físico, e mesmo dos quarks da Contemporaneidade, existe uma mesma intuição, ligada a um princípio explicativo unitário que se fundamenta em paradigmas imagéticos. Para a Antiguidade este paradigma está na idéia da dualidade "cheio"/"vazio", enquanto que para a idade contemporânea o paradigma inicial é representado pela dualidade onda/partícula (para o comportamento dos objetos sub-atômicos). Embora a idéia de dualidade seja, em si mesma, abstrata, a construção de tais modelos tem como ponto de partida uma representação imagética.

As hipóteses atômicas surgem para tentar explicar o visível através da complexidade do invisível. Para esse processo é necessária uma inteligência intuitiva, muito mais que uma indutiva, o que ressalta a importância da abstração. Os átomos, desde suas primeiras formulações, para serem compreendidos, necessitam de uma mediação e tradução. O cérebro é quem providencia a tradução das impressões perceptivas do mundo fenomênico em padrões aos quais são conferidos significados, construindo-se um mundo de imagens reconhecíveis.(3) Assim, os modelos visualizados mentalmente, fora do mundo aparente ou sensível, passam a ser representados graficamente (4). As qualidades atribuídas aos átomos são muitas vezes inferidas por analogia, o que no passado, se mostrava suficiente enquanto método descritivo, estando ausentes procedimentos como o "indutivo", procedimentos estes que atualmente são acompanhados por estruturas matemáticas (5).

Não podemos dizer que temos um entendimento objetivo do mundo atômico, se partirmos do princípio de que este adveio de um modelo abstrato. As leis, axiomas e proposições que demonstram nossos conceitos do mundo microscópico, ao serem válidas somente em relação ao experimento do qual foram gerados, atestam o caráter relativo desse entendimento. Temos então uma situação onde os métodos adotados para a experimentação ‘criam’ as formas perceptíveis da aparência do real, libertando-se sistematicamente das impressões ou das representações sensíveis.

A partir da mecânica quântica vimos que as explicações científicas do universo físico separaram-se definitivamente de todas as imagens familiares às nossas percepções, como W. Heisenberg, autor do Princípio da Incerteza, afirma:

De acordo com nossa intuição, nós atribuímos aos elétrons a mesma espécie de realidade dos objetos de nosso mundo cotidiano... Com o passar do tempo esta representação tem provado ser falsa porque o elétron e o átomo não possuem nenhum grau de realidade física direta como os objetos de nossa experiência diária.(6)

Enquanto os antigos ‘filósofos-cientistas’(7) tinham apenas a intuição e a lógica como ferramentas de modelagem do mundo, os modernos experimentalistas criaram um outro estado de realidade, onde só se conhece aquilo que sua própria mente criou, isto é, muitos pensadores ainda procuram em sua própria cabeça o "sistema de mundo", como se a realidade pudesse hoje ser inteiramente pensada, como se, para citarmos Hegel, o "real fosse racional".

 

2.1- Dos Gregos à Atualidade

 

A tese sobre a existência de átomos vem do conceito de matéria dos filósofos da Antiguidade Clássica.

O atomismo dos antigos gregos se apóia num raciocínio lógico de acordo com o que se observa da natureza: os gregos não se preocupavam em ver os átomos - no sentido de testar-lhes os efeitos - ao menos não faziam disso uma condição fundamental para certificarem-se de sua existência. O que realmente lhes importava "era que aquilo que imaginavam, bastante engenhosamente, resultasse em efeitos sensíveis, observáveis: a imaginação pode corresponder à realidade, contanto que se imponha a si mesma regras lógicas"(8).

A proposição de que o mundo material é constituído por átomos estabelece , das origens ao início do século XX, uma tomada de posição sobre o real e também sobre sua perenidade. A concepção de matéria na Antiguidade surge a partir da análise do movimento, que é a questão central que irá orientar a filosofia grega; isto é, o movimento levanta o problema de que algo possa ser, e no momento seguinte, não ser, pois já é outro. Como conceber deste modo, que haja uma identidade entre o momento anterior e o posterior, visto que o objeto se transforma?(9)

Era necessário, portanto, um substrato que permanecesse imutável no processo de transformação. Esse substrato foi originalmente concebido através da redução da multiplicidade a uma unidade fundamental, dada apartir de um elemento da natureza, do qual deveriam surgir todos os demais, e no qual todos se reduziriam. Esse elemento fundamental, ou "princípio" (arqué), assumiria a forma de uma substância concreta, sendo concebido como primeiramente a água (Thales 640-546 A.C.), depois o ar (Anaximenes 560-500 A.C.), o fogo (Herakleitos 536-470 A.C.) e a terra (Xenophanes).(10)

Mais tarde, Empedokles (490-430 A.C.) sintetizou as quatro substâncias acima citadas - água, ar, terra e fogo - como as raízes básicas a partir das quais todas as coisas se constituiriam.

Ao conciliar a concepção da permanência e da unidade, contrariamente às evidências de mudança e de diversidade observadas, fundamenta-se então as idéias de unidade da matéria e sua conservação, que por sua vez acompanham a de sua autonomia, idéias estas que tornaremos a encontrar ao longo da história do atomismo. No século XVII, quando do nascimento da ciência moderna, Newton ainda buscava na fonte dos gregos, os argumentos para suas idéias atomistas. Segundo sua concepção sobre os átomos:

Deus, no começo das coisas, formou a matéria em partículas sólidas, maciças, duras, impenetráveis, móveis...sendo sólidas essas partículas primitivas, são incomparavelmente mais duras que quaisquer corpos sólidos compostos por elas; elas são, até, de tal modo duras que não se desgastam ou não se quebram nunca.

Emprestava assim de Demócrito e de Lucrécio a explicação de que a permanência das leis dos corpos observáveis é uma prova de que estes são constituídos de átomos elementares:

...E é por isso que, a fim de que a natureza seja duradoura, as mudanças das coisas corporais devem consistir unicamente em diversas separações e novas associações e nos movimentos dessas partículas permanentes (11)

Até aqui a dualidade originária foi concebida principalmente como o móvel e o imóvel. A partir de Demócrito essa dualidade é compreendida como "cheio"/"vazio" de onde se origina sua concepção da unidade fundamental: os átomos (12). Estes seriam indivisíveis e em si mesmos imutáveis, embora a mudança de sua posição relativa produzisse uma grande diversidade de fenômenos. Estes átomos difeririam em tamanho e em forma, e apresentariam uma constituição interna sólida e homogênea.

A moderna teoria atômica reteve das teorias da Antiguidade, o pensamento fundamental de que as qualidades perceptíveis das substâncias são dadas pela dinâmica dos átomos.

Tomando-se como exemplo a água, a substância água não é destruída por aquecimento. Ela simplesmente rearranja a ordem e estado de movimento dos átomos, apresentando-se não mais como líquido, mas assumindo uma nova imagem, o vapor.

Um ponto de profunda discordância do moderno entendimento científico para o entendimento da Antiguidade refere-se ao conceito de forma. Para os antigos filósofos-cientistas a forma definiria o caráter da substância. Atualmente a forma é apenas uma representação simbólica de como e não do que é composto o mundo. Os átomos atualmente não são mais tidos como partículas materiais e sim como entidades simbólicas.

As partículas elementares foram sendo gradativamente destituídas de qualidades sensíveis no decorrer do desenvolvimento científico, assumindo apenas qualidades de movimento (que é mais precisamente um estado que uma qualidade). Atualmente assumimos que tempo e espaço devem ser tomados conjuntamente, em uma construção matemática ilustrativa de que apenas podemos predizer um modelo temporário de existência, modelo este, claramente diferenciado da concepção materialista da Antiguidade, que assumia as partículas elementares como entidades absolutas.

Um outro princípio fundamental que a ciência moderna tomou da Antiguidade é a utilização de formulações matemáticas que incluem e expressam formas imaginárias de fenômenos naturais.

O que há de fundamental diferença em relação aos modelos matemáticos, atuais e antigos, é que hoje não acreditamos na existência de um modelo matemático ou geométrico (como se acreditava), capaz de realizar a descrição do que entendemos por matéria, mas sim, que a matéria existe como forma matemática pura, como uma função de onda.(13)

Se tomarmos como exemplo o gás carbônico, na fórmula CO2 (que designa tanto a molécula quanto a sua composição atômica) vemos que o número 2 expressa que se combinarmos oxigênio e carbono em outra proporção que não seja de 2:1, não teremos gás carbônico. Os atuais físicos e químicos também formulam que todos os átomos têm a mesma ‘natureza’, porém, diferem em relação ao número de elétrons, prótons e nêutrons. Percebe-se, então, que o número de partículas sub-atômicas é um fator determinante da natureza do elemento, o que nos mostra, como observou Ruth Reyna, que os elementos atômicos básicos podem ser observados através de sua forma numérica.

A moderna física atomística questionou duas importantes crenças dos antigos gregos: a indivisibilidade dos átomos e a admissão de que estes possuiam formas geométricas.

O advento da mecânica quântica fez com que as antigas noções materialistas fossem totalmente afastadas, e nessa mudança revolucionária houve uma "progressiva desmaterialização da matéria" como nos afirma Ruth Reyna. Essa desmaterialização pode ser mais claramente explicitada quando nos voltamos para a representação imagética das partículas elementares: tanto a teoria que precede a imagem desta partícula, quanto a forma de apresentação destas imagens, que passou do plano bidimensional para um espaço virtual, reafirmam tal perda de materialidade.

A visualização das partículas fundamentais para os filósofos da Antiguidade Clássica assumia a forma de configurações geométricas. Foi Platão quem forneceu o primeiro relato sistemático de uma teoria geométrica dos átomos. Estes apareciam como figuras planas, bidimensionais, que possuiam espaços vazios em seu interior.

Essas partículas se movimentavam no espaço e por falta de outro recurso representacional que desse conta desta movimentação, sobrepunham-se as figuras geométricas no papel, umas sobre as outras, produzindo-se figuras sólidas bem características.

Platão via no sistema atômico apenas quatro espécies de átomos (teoria dos quatro elementos), sendo estes água, terra, fogo e ar, que foram submetidos a uma compreensão geométrico-analítica, e passaram a possuir diferentes estruturas geométricas respectivamente as formas icosaédrica, cúbica, tetraédrica e octaédrica. Assim, as pequenas partículas de cada elemento tinham uma forma especial. A combinação entre elas resultava na imensa variedade das formas naturais. Como cada uma dessas estruturas geométricas possuia um raio, a análise de Platão revelava que o mundo era formado de estruturas matemáticas (14).

A diferença de tamanho das figuras geométricas ilustrava diferentes espécies de uma mesma "classe", por exemplo, dentro da classe dos líquidos, o vinho, o mel, e o óleo seriam diferentes pois apresentariam diferentes tamanhos nos seus corpúsculos elementares, embora todos eles fossem icosaédricos. Cada elemento se distinguia ainda por sua qualidade predominante: o calor para o fogo, o frio para a água, a umidade para o ar e a secura para a terra. Mas os elementos se relacionavam, também, através das qualidades, pois cada um deles possuía outra qualidade, além da predominante. Assim, as qualidades do fogo são o calor e a secura, as da água são o frio e a umidade e as do ar são a umidade e o calor. Os elementos podem se transformar uns nos outros de acordo com as qualidades que apresentem em comum. Assim, por exemplo, ‘retirando’ o frio, a água se transforma em ar, o que se relaciona às observações feitas sobre a evaporação dos líquidos.

A noção de que todas as substâncias seriam constituídas por diferentes proporções dos quatro elementos serviu, em um período posterior, de base para a idéia alquímica da transmutação. Se a matéria é um único substrato amorfo e se o que diferencia, por exemplo, o chumbo do ouro é a proporção em elementos, modificando-se adequadamente essa proporção, seria possível aperfeiçoar o chumbo, transformando-o em ouro.

A teoria atômica de Platão, assim como as de Leucippo, Epicuro, Lucrécio e Demócrito, pode nos levar, à primeira vista, a sérias críticas quanto ao seu rigor científico. Porém, o esforço aqui apresentado é vencer o emaranhado histórico e vislumbrar o universo que tornou viável estas teorias. Dessa forma, pode-se perceber a adequação e inteligência destas teorias quando aplicadas a um sistema de mundo totalmente diferente do nosso.

Demócrito afirmava que as formas das partículas constituintes de todas as coisas apresentavam-se em grande número e com formas bastante irregulares, respeitando apenas os aspectos qualitativos dos materiais.

Uma das premissas que é válida até hoje e que se encontra nos princípios atomísticos de Platão é que o experimentalismo não é condição essencial para provar a existência de um fenômeno. Hoje, consideramos o átomo como uma entidade totalmente abstrata que não mais pode ser simbolizado por formas bi ou tri-dimensionais, como afirma Heisenberg: "O átomo da física moderna somente pode ser simbolizado por uma equação diferencial em um espaço abstrato, multidimensional"(15).

Um outro passo dado pela ciência moderna no sentido de desmaterializar o átomo foi a destituição da crença deste ser indivisível e imutável. Experimentos em física nuclear do nosso século mostraram que a radiação gerada a partir de materiais radioativos pode não só alterar a parte eletrônica externa do átomo, como o próprio núcleo atômico. As partículas sub-atômicas podem então colidir entre si, desintegrar-se, fundir-se, dividir-se ou transformar-se em outros átomos, tornando real a possibilidade de "transmutação"(16) de elementos químicos.

A Mecânica Quântica, surgida há 50 anos, fez com que a idéia da simplicidade das partículas microscópicas se tornasse algo insustentável. Não se tinha acesso a átomos e moléculas senão por intermédio de instrumentos, todos macroscópicos, levando a que as teorias relativas a estes estivessem intrinsecamente determinadas por essa mediação.(17) Com o advento da moderna teoria atômico-molecular (nossa teoria atual dos comportamentos microscópicos) proporcionada pela Mecânica Quântica, as novas representações moleculares perdem gradativamente proposições empíricas, recebendo o rigor da lógica-matemática. Logo, as imagens geradas segundo este modelo, podem ser entendidas como a representação concreta e não mais subjetiva do "objeto" em estudo.

As representações imagéticas para o conceito moderno de átomo, inicia-se com a teoria atômica de Dalton (início do séc. XIX) que o propunha como uma esfera maciça sem cargas elétricas. Este modelo serviu para explicar as leis de Lavoisier e Proust, nas quais os átomos se comportam como unidades indivisíveis e também para introduzir a utilização de símbolos enquanto nomenclatura. A importância da teoria atômica da matéria é que através dela podemos explicar as propriedades das substâncias, as mudanças de estado, as reações químicas, as separações de misturas, as leis ponderais, a composição definida das substâncias, a transformação das substâncias e a conservação dos elementos numa reação química.

A partir do trabalho de Berzelius, inicia-se uma nova era para a representação simbólica. Nesta nova simbologia, a representação adquire um patamar mais elevado, pois, a ela, estão relacionadas não somente a nomenclatura, mas também um resumo das propriedades moleculares.

O modelo de Dalton não se sustentou com o advento das experiências de descargas elétricas feitas pelo físico J.J. Thomson, que mostrou que os átomos contêm partículas de carga negativa - os elétrons, que fluiriam de todas as substâncias.

Thomson formou sua imagem dos átomos em 1897. Nela, o átomo aparecia como uma esfera de matéria de carga positiva contendo elétrons, negativo e muito pequenos, espalhados em seu interior, tal como passas em um pudim (modelo "pudim com passas"). O total de cargas positivas seria igual ao das negativas, garantindo a neutralidade do átomo. Mesmo diferindo pela introdução de cargas, a idéia de átomo associado à forma esférica se manteve a mesma do modelo de Dalton. Porém, esse modelo superou o modelo de Dalton ao permitir justificar as propriedades elétricas da matéria, além de identificar a primeira partícula subatômica.

Essa imagem correspondia a muitos experimentos realizados, como por exemplo, ao perder elétrons, os átomos tornariam-se mais positivamente carregados, e em caso de elétrons sobressalentes serem incluídos nos átomos, estes tornariam-se mais negativamente carregados. De qualquer maneira, qualquer que seja a carga do elétron, o processo de carregar e descarregar pode ser visto como uma prova da movimentação dos elétrons entre átomos. Essa parte do modelo de Thomson é válida ainda hoje, porém a posição espacial dos elétrons nesse modelo não se sustentaria por muito tempo(18). O modelo de Thomson era uma deliniação inicial da imagem do átomo.

No início do séc. XX, o físico Philipp Lénard sugeriu um modelo atômico formado por pares de cargas positivas e negativas que foram denominadas "dinamidas". Esses pares de cargas se encontrariam em blocos dispersos no espaço.

Hantaro Nagaoka, ainda no início do século, fez uma descrição de um átomo surpreendentemente avançada para a época em que viveu. Em seu modelo, o átomo era constituído de um centro muito denso rodeado por um anel de elétrons. Ainda o comparou com o planeta Saturno e seus anéis, que permaneceriam estáveis pois o planeta é bastante denso para mantê-los em suas órbitas.

Em 1911, alguns cientistas resolveram experimentar bombardear partículas alfas(19) em átomos de uma chapa metálica de ouro, para sondar o seu interior. A metáfora criada por Chester (20) ilustra claramente o experimento realizado:

Este bombardeio representava uma forma de "olhar" na intimidade dos átomos. O átomo é tão pequeno que somente uma coisa de tamanho atômico ou mesmo menor pode ser usada para descobrir de que é feito. Se você fechar os olhos, só poderá explorar o interior de uma casca de noz com um dedo, não podendo fazê-lo com o seu punho ou a cabeça. O bombardeio atômico baseia-se na mesma idéia. Somente algo extremamente pequeno pode ser usado para sondar o átomo.

No experimento realizado, Rutherford observou que algumas partículas alfa (21) (carregadas positivamente) atravessavam a chapa de ouro, e outras mudavam completamente de direção, especialmente na parte central do átomo. O resultado que se esperava era que o desvio das partículas possibilitaria saber o que se passava no "pudim com passas" de Thomson, porém não se imaginava desvios tão discrepantes.

A conclusão lógica desse experimento foi de que as partículas positivas bombardeadas que sofreram desvios, teriam encontrado uma zona de partículas também positivas.(22) As partículas alfa que atravessaram diretamente a chapa, deveriam ter encontrado espaços vazios no interior do átomo. Nas próprias palavras de Rutherford (23):

Para explicar os resultados experimentais é necessário supor que intensas forças elétricas estão localizadas no átomo e estas forças são responsáveis pela deflexão, pela mudança de direção, da partícula alfa quando esta se encontra com um átomo. Isso indica que o átomo deve conter um núcleo no qual se concentram cargas elétricas...

A imagem a que Rutherford naturalmente se remeteu foi a do sistema solar: o Sol no centro e os planetas orbitando ao seu redor. Assim, o centro de carga positiva seria o núcleo do átomo e os elétrons, carregados negativamente, estariam circulando elipticamente ao seu redor.

A física descobre nesse período que ela contém e incorpora contradições fundamentais. A questão problemática do modelo de Rutherford, no entanto, veio à luz quando este era analisado segundo as leis da eletricidade e do magnetismo. De acordo com essas leis, os elétrons de carga negativa que circulassem ao redor do núcleo seriam inevitavelmente atraídos pelo núcleo de carga positiva. Mergulhariam então no interior do átomo, causando o seu colapso. Essas leis nos revelam que segundo este modelo, a matéria seria altamente instável e em constante colapso. A teoria da luz, desenvolvida por Maxwell em meados do século XIX, também levantou as contradições deste modelo, onde os elétrons circulam em órbita ao redor do núcleo. De acordo com esta teoria, as partículas eletrizadas deveriam emitir ondas eletromagnéticas, isto é, luz. Essa emissão de luz implica em perda de energia pelo fato dos elétrons estarem em movimento. Isto implica que os elétrons, ao invés de ficarem em órbitas estáveis, como a Lua ao redor da Terra, aproximam-se do núcleo em um movimento em espiral e precipitam-se sobre ele. O tempo deste processo seria inferior a um segundo. Isso explica o drama vivido pela teoria da matéria no início do século XIX: tal teoria previa a rápida destruição de todos os átomos, enquanto a nossa vida diária nos assegura o contrário, nos assegura a estabilidade da matéria.

Uma importante idéia tomada por Rutherford que demonstra sua compreensão sobre a natureza, foi a existência do vácuo na estrutura do átomo: o átomo como partícula essencialmente vazia quanto ao volume. A idéia de vácuo acompanhou o atomismo, tendo sido formulda também por Lucrécio, como relatamos a seguir (24):

Toda a natureza, tal como existe, compõe-se portanto essencialmente de duas coisas, os corpos, e o vazio no qual os corpos se localizam e se movem em todas as direções. Fora dos átomos e do vazio não há terceiro termo.

A passagem conceitual da matéria plena ao átomo quase vazio foi sustentada por experimentos feitos por Torricelli, no século XVII, que revelaram a existência do vácuo. Se mantivermos a mesma linha de pensamento dos antigos, podemos dizer que o aparecimento de vácuo no átomo retira-o do império em que reinava, deixando de ser a partícula última. Mas a noção do vazio físico é hoje muito complexa para que se recorra a esse tipo de concepção figurada. Para a física moderna, a concepção de vazio não é o espaço puro da geometria, mas sim, um lugar de influências e fenômenos físicos; assim o vazio se aproxima da definição de corpúsculo, quer se entenda um ponto único ou uma região extensa e limitada do espaço.

Até aqui a idéia da trajetoriedade dos elétrons num átomo aparecia num contexto de determinismo absoluto. Como nos explica H. Reeves (25):

A própria idéia de uma trajetória implica que, se conhecemos as leis do seu movimento, então podemos prever de maneira unívoca o resto da trajetória. Não existe para esse objeto nenhuma possibilidade de tomar outra trajetória a não ser aquela que esta prevista pela lei. É isso que chamamos a causalidade absoluta.

Essa noção de trajetória, que foi herdada da filosofia grega, associa a toda causa um efeito único e determinado, foi sendo desgastada e desacreditada, até estar totalmente diluída na passagem para a física do século XX.

Em 1913, Bohr determinou algumas leis para explicar o modo como os elétrons estariam girando ao redor do núcleo atômico. Admitiu que os elétrons poderiam girar em órbita circular somente a determinadas distâncias permitidas do núcleo e assumiu que os elétrons ganhariam ou emitiriam energia conforme mudassem de órbita (uma órbita difere de outra por seu raio), existindo níveis energéticos quantizados (fixados) para um elétron num átomo. Dessa forma, Bohr antecipou o Princípio da Incerteza de Heisenberg que surgiria 14 anos mais tarde. Este princípio despojaria o átomo de qualquer qualidade sensível, inclusive reduzindo a importância dada à geometria dos átomos.

Em 1927 Heisenberg formulou o Princípio da Incerteza. Segundo este Princípio não se pode determinar simultaneamente a posição e a velocidade de um elétron. Assim, as órbitas sugeridas por Bohr perderiam sua força explicativa, visto que estas seriam caminhos definidos por onde um elétron se movimentaria. Passou-se então a trabalhar com o conceito de orbital, que seria a região no espaço ao redor do núcleo mais provável de encontrar o elétron, introduzindo-se com este conceito, a natureza probabilística da teoria.

Na atual teoria mecânica-quântica o tratamento de elétrons em átomos nos dá uma clara imagem dos níveis de energia associados com cada orbital atômico, que pode ser definido por quatro números quânticos. A questão de onde no espaço o elétron pode estar é uma questão ambigua e recebe mais do que uma resposta, como citamos acima. Em 1924, Louis De Broglie propôs que o elétron deveria ser entendido como um duplo modelo: onda e partícula. Portanto, soluções da equação de Chröedinger (equação-mãe da Mecânica Quântica) correspondem à ondas tanto como para partículas.

Sabemos que ao menos em princípio, todas as ondas eletromagnéticas extendem-se através do espaço. Porém, este interessante resultado não nos ajuda na localização do elétron físico em um dado átomo. A localização de um elétron pode ser descrita de dois modos equivalentes utilizando-se os resultados da mecânica-quântica. Se o elétron é visualizado como um minúsculo objeto movendo-se muito rapidamente, então o espaço que ele ocupa pode ser descrito em termos de probabilidade de achar o elétron em um dado ponto ou dentro de um dado espaço a qualquer instante. Se, por outro lado, o elétron é visualizado com uma onda eletromagnética, então a amplitude da onda, ou da função de onda, será maior em alguns lugares do que em outros. Novamente, um espaço tri-dimensional que "contenha" um elétron pode ser definido.

O elétron pode ser descrito igualmente bem de qualquer maneira e os espaços tri-dimensionais definidos como "contendo" o elétron como uma onda ou como uma partícula são os mesmos. A representação conveniente para descrever a localização dos elétrons em átomos e moléculas é tida por formas no espaço, chamados orbitais. As representações das formas orbitais contêm 99% ou 95% da densidade eletrônica do orbital.

Durante muito tempo acreditou-se que a forma dos orbitais era esférica e que os raios atômicos e iônicos podiam ser calculados com base nessa configuração. No tratamento mecânico-quântico de átomos, íons e moléculas, muitos dos orbitais não são achados na forma esférica. Além disso, os diferentes orbitais de um mesmo átomo interpenetram-se e a estrutura eletrônica externa do átomo acaba sendo um composto de vários orbitais. Por estas razões, o raio atômico e o raio iônico são agora vistos como úteis medidas empíricas do tamanho de átomos e íons, melhor do que como propriedades com um significado fundamental. Contudo, ainda se ensina estrutura de compostos usando modelos moleculares compostos de diferentes escalas de modelos de átomos esféricos.

Os valores dos quatro números quânticos influenciam a localização de um elétron, ou em terminologia agora introduzida, a distribuição da densidade eletrônica no espaço ou a forma de um orbital, mas os efeitos dos quatro diferentes números não são os mesmos. O número quântico principal n afeta principalmente o tamanho do orbital e tem uma menor influência em sua forma. O número quântico secundário l afeta principalmente a forma do orbital. O número quântico magnético m afeta principalmente a orientação do orbital no espaço tri-dimensional. O número quântico spin s tem menos efeito sobre a localização dos orbitais em um átomo isolado, mas tem uma influência nas interações orbitais quando os orbitais de diferentes átomos encontram-se.

Na moderna teoria atômica, podemos representar o átomo como uma mancha não delineada que apresenta diferentes densidades (o orbital seria fisicamente como uma nuvem) sendo que a região de maior concentração de pontos é o núcleo.

Os spins dos elétrons, assim como os orbitais e os átomos, deixaram de ser representados como ‘objetos’ quando passaram da visão científica clássica para a visão moderna. Experiências realizadas no início do século levaram físicos a suporem que o elétron girava sobre si mesmo, de onde vem a imagem de uma esfera em rotação. Mas pelo fato do elétron ter um volume bastante reduzido, a velocidade de rotação envolvida o levaria a explodir devido à ação da força centrífuga. Isto levou com que a imagem do elétron como uma esfera em rotação tivesse que ser substituída por outra, proposta pela mecânica quântica. Segundo esta teoria, os spins dos elétrons nunca "giram" ou "deixam de girar"(26). Desta forma, passou-se das imagens de objetos (que se percebe com os sentidos) para as imagens de ações, que têm a propriedade de serem mais gerais, mais eficazes (ao menos atualmente) porém, menos representáveis imageticamente.

Entretanto, mesmo depois dessas novas teorias, os atuais livros científicos e educativos e softwares específicos de representação visual da estrutura atômica, parecem não ter abandonado a geometrização dos átomos facilmente: estes insistem em mostrá-los individualmente e em posições geométricas determinadas.

Sabemos que não voltaremos a representar o átomo simplesmente pela transposição do que formula a imaginação a partir da percepção do mundo sensível. Embora as mutações tecnológicas em curso determinem uma mudança significativa das formas de representação iconográfica na ciência contemporânea, devemos ter claro que o que se busca não é alcançar verdades científicas específicas através deste simbolismo ou resumir a natureza a um pequeno número de leis simples e imutáveis (27), mas sim, vislumbrar o mundo natural com seus processos complexos e múltiplos.

 

Notas

 

1- Hubert Reeves, "Imagens de ação na Física", A Ciência e o Imaginário, Ed. UnB, 1994, pp.13-26  voltar

2- Existem relatos que atestam a existência de hipóteses atomistas em outras culturas simultaneamente àquelas elaboradas pelos gregos, como é o caso das concepções jinistas da Índia, que remontam ao século V a.C. - M. Paty, A Matéria Roubada, 1995, pp. 74  voltar

3- Embora os estudos em ciência cognitiva não expliquem em profundidade qual a relação entre imagens mentais e pictóricas, estes sugerem que as imagens mentais representam aproximadamente do mesmo modo que as figuras gráficas representam.  voltar

4- Segundo W.T. Mitchell, as imagens se diferenciam umas das outras com base nas fronteiras entre discursos insitucionais diferentes, assim, a imagem poderia ser dividida em: gráfica (figuras, design), mental (idéias, sonhos), perceptiva (dados dos sentidos, aparências), verbal (metáforas, descrição) e ótica (projeções, espelhos). Tanto as representações gráficas e óticas, quanto as mentais e verbais devem ser consideradas igualmente imagens, pois estão num mesmo patamar, isto é, todas envolvem uma distorção ideológica em relação ao real. (L. Santaella, Palavra, imagem & enigmas, Revista USP, pp. 38)  voltar

5- Alguns filósofos gregos, como Lucrécio, invocavam a matemática para descrever o universo de uma forma muito superficial; não utilizavam um pensamento matemático para a abstração.  voltar

6- "According to our customary intuition [we attributed to the electrons the] same sort of reality as the objects of our daily world... In the course of time this representation has proved to be false [because the] electron and the atom possess not any degree of direct physical reality as the objects of daily experience." W. Heisenberg ; Quantenmechanik, "Die Naturwissenschaften", 1926, citado por A. Miller em Imagery in Scientific Thought, 1987, pp. 02  voltar

7- Esse termo foi utilizado pois sabemos que a ciência nasceu da filosofia, e que resulta de um questionamento comum. M. Paty nos coloca o ponto de intersecção entre filosofia e ciência: "Embora surja das perguntas do conhecimento científico, nem por isso a filosofia sai assim diretamente de números medidos ou de dados experimentais, mas de um terreno que é o substrato de uma problematização e de uma atividade, estreitamente mescladas e tributárias e, na verdade, indistintas na origem." M. Paty, ibid, pp. 24  voltar

8- M. Paty, ibid, pp.78  voltar

9- "Algo possa ser, e no momento seguinte, não ser" Tal enunciado foi retomado pelo Princípio da Incerteza de Heinsenberg, de acordo com a teoria Quântica, que enuncia não ser possível determinar posição e momento de uma partícula no espaço.  voltar

10- M.H.R. Beltan, A arte química da gravura   voltar

11- Newton, Isaac, Opticks, or a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections and Colours of Light, 1721, pp. 375, citado por Paty, Michel, A Matéria Roubada, 1995, pp.75  voltar

12- do grego a (não) e tomo (divisível)  voltar

13- Reyna, R.; The Philosophy of Matter in the Atomic Era, London, 1962  voltar

14- Reyna, R., ibid  voltar

15- Heisenberg, W., Philosophic Problems of Nuclear Science, London, 1952, pp. 38, cit. por Reyna, R., The Philosophy of Matter in the Atomic Era, pp. 91  voltar

16- A transmutação é um antigo ideário , onde se procurava produzir a transformação de metais em ouro. Existiam diferentes grupos sociais que utilizavam tal prática, cada um com objetivos específicos, como explica Goldfarb: "Os sábios buscavam a perfeição através da sabedoria, evitando qualquer esoterismo. Os alquimistas procuravam a transmutação dos metais, sabendo que isso se faria simultaneamente com a obtenção da própria perfeição e longevidade. Os artesãos procuravam a simples fabricação de ouro vulgar..." Goldfarb, Ana M. A., Da Alquimia a Química, pp. 17, São Paulo  voltar

17- I. Prigogine, A nova aliança - a metamorfose da ciência, pp.07  voltar

18- Chester, M. Partículas, Artenova/Universidade de Brasília, 1979; cit. por Beltran, N.O. em Química, Ed. Cortez, São Paulo, 1991  voltar

19- Descoberta na virada do século, as partículas alfa são emitidas por substâncias radioativas  voltar

20- Chester, M., ibid, cit. por Beltran, ibid, pp. 106  voltar

21- Ernest Rutherford idealizou um experimento para separar e determinar a natureza das radiações emitidas: colocou um material radioativo num cilindro de chumbo e uma chapa fotográfica perpendicular ao feixe de radiações. Encontrou na chapa fotográfica, três marcas devido a três tipos de radiações, radiações a , b e g . As partículas a possuem as seguintes características: têm carga positiva (+2); têm massa 4; são emitidas com grande velocidade; possuem grande energia, sendo porém barradas por uma folha de papel ou por uma lâmina de alumínio de 0,1 mm de espessura e têm grande capacidade de ionizar gases.  voltar

22- Segundo a teoria da eletricidade e do magnetismo, partículas que possuem mesma carga se repelem e as que possuem cargas opostas se atraem  voltar

23- Harvey, B.G., Química Nuclear, EDUSP, 1969, São Paulo, cit. por Beltran, ibid, pp.117   voltar

24- Citado por Paty, Michel, A Matéria Roubada, 1995, pp.75  voltar

25- H. Reeves, Imagens de ação na física, pp.16  voltar

26- Segundo a mecânica quântica "basta exigir que a função descritora do elétron seja invariável, em relação a uma rotação no espaço de Lorentz, para que se obtenha da teoria as propriedades requeridas, sem verdadeiramente nunca "girar" ou "deixar de girar". H. Reeves, ibid, pp. 22  voltar

27-I. Progogine, A nova aliança - a metamorfose da ciência, pp. 07  voltar