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Como sabemos que o átomo existe

Concordância de rotas independentes, não observação direta.

Quadro do vídeo “Como sabemos que o átomo existe” Vídeo pronto — em breve no canal
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A dúvida

Em 1900, o átomo era uma hipótese controversa. A química inteira já funcionava com ele — proporções fixas, fórmulas, a tabela periódica —, mas funcionar não é existir. Químicos de primeira linha, como Wilhelm Ostwald, sustentavam que o átomo era só um jeito conveniente de organizar as contas, como o meridiano de Greenwich é conveniente sem que exista uma linha pintada no chão. Ninguém tinha visto um. Ninguém sabia quantos havia.

A pergunta é honesta, e ela é sobre método: como provar que existe uma coisa bilhões de vezes menor do que qualquer microscópio da época conseguia enxergar? A resposta que resolveu isso em oito anos não veio de um microscópio melhor. Veio de olhar um grão de poeira tremer na água.

O tremor

Em 1827, o botânico Robert Brown pôs grãos de pólen na água e viu, no microscópio, partículas que tremiam sem parar, em ziguezague. Achou que fosse vida. Repetiu com poeira de rocha — e com um pedaço de esfinge egípcia moída, coisas mortas há milênios. Tremiam igual. Ninguém soube explicar aquilo por quase oitenta anos.

Em 1905, no mesmo ano da relatividade, Einstein publicou a explicação. O grão treme porque está sendo bombardeado por moléculas de água — bilhões de batidas por segundo, vindas de todos os lados. Na média elas se cancelam, mas só na média: a cada instante sobra um desequilíbrio, e é esse resto de quase nada que empurra o grão. O tremor é o átomo, visível através de um grão grande o bastante para você enxergar.

Um grão no meio de moléculas rápidas. A seta vermelha é a soma das batidas do último instante: quase zero, mas não zero — e é ela que move o grão.

A raiz do tempo

Einstein fez mais do que explicar: deu um número para conferir. Uma coisa empurrada numa direção fixa se afasta proporcionalmente ao tempo. Mas o grão sorteia a direção a cada instante, e quem sorteia direção se afasta proporcionalmente à raiz do tempo.

O motivo cabe em uma linha. Depois de passos independentes , cada um com média zero e variância , o deslocamento é a soma deles, e o quadrado médio da soma é a soma dos quadrados médios — os termos cruzados se anulam em média, porque os passos são independentes:

O quadrado médio cresce como o número de passos — isto é, como o tempo. O deslocamento típico cresce como a raiz. Na forma de Einstein, para cada direção,

Quatro vezes mais tempo, só o dobro do afastamento. Essa é a assinatura, e ela é medível com um microscópio e um cronômetro.

Trezentos grãos soltos no mesmo ponto. O raio da nuvem cresce com a raiz do tempo; o quadrado médio, em linha reta.

O número escondido na fórmula

A segunda metade da fórmula de Einstein diz quanto vale o coeficiente de difusão . Um grão de raio num líquido de viscosidade sente um atrito de por unidade de velocidade (a lei de Stokes), e o equilíbrio entre esse atrito e as batidas térmicas dá

Tudo na fórmula se mede numa bancada — a temperatura , a viscosidade , o raio do grão, a constante dos gases —, menos , o número de moléculas num mol. Para um grão de meio micrômetro em água a 20 °C, 0,43 µm²/s, e em 30 segundos ele se afasta uns 5,1 µm em cada direção: pouco, mas visível num bom microscópio.

A medida de Perrin

Jean Perrin pegou essa previsão e passou anos medindo. Preparou grãos de resina todos do mesmo tamanho — o que já era um trabalho enorme, separando-os por centrifugação —, e marcou a posição de um grão a cada 30 segundos, milhares de vezes, desenhando o ziguezague no papel quadriculado. O afastamento cresceu com a raiz do tempo, como a fórmula mandava.

E então ele inverteu a conta. Medindo no intervalo , o único desconhecido sai:

O resultado foi cerca de seiscentos sextilhões de moléculas por mol — seis seguido de 23 zeros. O valor de referência hoje, fixado por definição desde 2019, é 6,02214076 × 10²³. Pela primeira vez alguém contou átomos sem nunca ter visto um.

Um grão marcado a cada 30 segundos. O número de Avogadro sai da fórmula de Einstein invertida, com a barra de erro que o número de marcações permite.

A atmosfera num tubo de ensaio

Perrin tinha uma segunda rota com os mesmos grãos. Numa suspensão em repouso, os grãos ficam mais concentrados embaixo e rareiam para cima — exatamente como o ar da atmosfera, que rareia com a altitude. O equilíbrio entre o peso e a agitação térmica dá uma concentração que cai exponencialmente:

em que é a massa do grão menos o empuxo da água. Para a atmosfera, é de quilômetros; para grãos de resina de 0,2 µm, de uns 53 micrômetros. Contando grãos em alturas diferentes ao microscópio, Perrin media — e saía de novo, da mesma fórmula com outra física.

O argumento que fechou

Uma medida só não convence, e Perrin sabia disso: sempre dá para dizer que a fórmula foi ajustada para dar aquilo. Então ele foi atrás de outros caminhos para o mesmo número — caminhos que não têm nada a ver um com o outro:

  • a viscosidade dos gases, pela teoria cinética;
  • o movimento browniano: deslocamentos, rotações e difusão;
  • a distribuição dos grãos com a altura;
  • o azul do céu, que depende do tamanho e do número das moléculas do ar que espalham a luz;
  • a radiação do corpo negro, pela constante de Planck;
  • a carga do elétron, medida nas gotículas de óleo;
  • a radioatividade, contando partículas alfa uma a uma e pesando o hélio que elas viram.

No livro Les Atomes, de 1913, Perrin reuniu treze métodos assim, com físicas completamente diferentes. Todos caíram entre 6 e 7,5 vezes — o mesmo número dentro do erro experimental da época.

O fim da dúvida

Em 1909, Ostwald — que tinha passado a carreira negando o átomo — escreveu que os experimentos de movimento browniano davam ao cientista mais cauteloso o direito de falar em prova experimental da constituição atômica da matéria. Perrin ganhou o Nobel de Física de 1926 por esse trabalho.

O que fica não é a história: é o método, que continua sendo como a física decide qualquer coisa que não dá para ver. Buracos negros, neutrinos, o bóson de Higgs, a estrutura do interior da Terra — nada disso é observado do jeito que se observa uma cadeira. Em todos, o argumento tem a mesma forma: várias rotas independentes, com hipóteses diferentes, caindo no mesmo número.

Os números do episódio

O que o vídeo diz Valor De onde sai
Brown vê o tremor 1827 pólen, poeira de rocha, esfinge moída
Einstein explica e prevê 1905 ⟨x²⟩ = 2Dt, D = RT/(NA·6πηa)
Perrin mede 1908 marcações a cada 30 s
número de Avogadro 6,022 × 10²³ “seiscentos sextilhões”
constante de Boltzmann 1,380649 × 10⁻²³ J/K R / NA
constante dos gases 8,314 J/(mol·K) medida em bancada
métodos independentes reunidos por Perrin 13 Les Atomes, 1913
Ostwald muda de ideia 1909 prefácio da 4ª edição do Grundriss
Nobel de Perrin 1926 Física

Desafios

Desafio 1 · aquecimento

Se um grão se afasta em média 5 µm em 30 segundos, quanto ele se afasta, em média, em 2 minutos? E em 8 minutos?

Ver a solução

O afastamento cresce com a raiz do tempo. 2 minutos são 4 vezes 30 s: o afastamento dobra, 10 µm. 8 minutos são 16 vezes: quadruplica, 20 µm. Para ir dez vezes mais longe, o grão precisa de cem vezes mais tempo.

Desafio 2 · pede uma ideia

Dois grãos na mesma água, um com raio de 0,5 µm e outro com 2 µm. Qual treme mais, e quantas vezes mais em ?

Ver a solução

é inversamente proporcional ao raio: o grão menor tem quatro vezes maior, e portanto quatro vezes maior em qualquer intervalo — o afastamento típico é o dobro. Por isso Brown viu o tremor nas partículas pequenas dentro do pólen, e não nos grãos inteiros.

Desafio 3 · pede várias

Perrin estimou com uns 3% de erro estatístico. Se cada marcação dá um independente, quantas marcações ele precisou, no mínimo?

Ver a solução

Para um passo gaussiano, tem média e desvio padrão ; a média de deles tem erro relativo . Usando os dois eixos, o erro cai para (é o que a figura mostra). Para 3%, marcações — de fato, Perrin e seus alunos fizeram milhares.

Para ir além

  • O livro de Perrin, Les Atomes (1913), continua sendo uma leitura deliciosa e foi traduzido para várias línguas.
  • O argumento de várias rotas para o mesmo número tem nome em filosofia da ciência: consiliência.
  • A mesma agitação térmica que empurra o grão é o assunto de o que é temperatura e o que é entropia.

No laboratório

As figuras deste episódio, em tamanho grande e com todos os controles.

Shorts deste episódio

Cortes verticais com a mesma narração — e as provas sem palavras que acompanham o tema.

1:21

O pó que treme na água

Em breve no canal

1:36

Treze caminhos, o mesmo número

Em breve no canal

Para assistir depois

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