As partes dos átomos

 Química

 

Pensava-se que o átomo seria a menor unidade da matéria. Esse nome, inclusive, deriva do grego e significa indivisível.

 

Apesar disso, o antes indivisível é sim divisível. É como a célula: dentro delas existem organelas, formadas com substâncias químicas, à base de átomos, que são formados pelas partículas subatômicas...

 

Vamos entender mais isso?

 

[Representação simplificada de átomos e moléculas. Imagem: Google DeepMind / Pexels | Reprodução]

 

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AS PRIMEIRAS PARTES CONHECIDAS DO ÁTOMO

 

Até o final do século XIX, o átomo era entendido como a menor parte. Isso já vinha da filosofia grega.

 

Mais tarde, viriam as descobertas dos elétrons, prótons e nêutrons. O elétron seria descoberto em 1897 pelo físico inglês Joseph John Thomson, quase em paralelo à descoberta da radiatividade por Henri Becquerel, físico francês, no ano de 1896.

 

Thomson foi um dos principais nomes relacionados à compreensão da estrutura atômica. Sabendo dos experimentos de Michael Faraday, onde uma corrente elétrica passou por uma solução eletrolítica e ocorreram reações químicas, houve o início dos estudos de eletrólise. Era um dos primeiros indícios da natureza elétrica da matéria.

 

Em 1904, Thomson publicou seus estudos na Philosophical Magazine. Nesse periódico, afirmou que o átomo era composto de corpúsculos negativos coplanares (diversos) acoplados numa esfera positiva. Não havia uma menção direta a essa carga, mas isso ajudava a comprovar a eletroneutralidade do átomo. Esse seria o famoso modelo-do-pudim-de-passas.

 

Observou-se que átomos de substâncias como o urânio eram capazes de emitir diferentes tipos de radiação e se transformavam em substâncias completamente diferentes. Identificou-se três tipos de radiação: alfa, beta e gama. Os raios alfa eram partículas carregadas positivamente, constituídas por dois prótons e dois nêutrons, como os núcleos dos átomos de hélio. Os raios beta são elétrons de alta energia, e os raios gama, radiação eletromagnética de comprimento de onda bem menor do que a luz.

 

Aqui chega outro grande nome: Ernest Rutherford, físico inglês. Ele começou como professor no Canadá, Universidade McGill, e depois iria para a de Manchester, Inglaterra. Isso o aproximou dos centros de pesquisa europeus.

 

Os físicos imaginaram que essas partículas de dimensões subatômicas emitidas pelas substâncias radiativas para descobrirem a constituição interna do próprio átomo. Ideias nessa linha fizeram Ernest Rutherford a concluir em 1911 que a maior parte do átomo é ocupada por vazios.

 

A descoberta não veio apenas de Rutherford. Os assistentes Ernest Mardsen e Hans Geiger fizeram ensaios com partículas alfa e beta espalhadas ao serem jogadas contra folhas metálicas. Houve partículas passantes e com ângulos de desvio, o que fez pensar no espaço vazio e na ocupação espacial dos elétrons.

 

Há um núcleo mais concentrado, com quase toda a massa atômica, e elétrons circundantes. Como o núcleo teria cargas positivas e os elétrons negativas, o átomo se manteria unido por essa atração elétrica, como acontece com a gravidade entre planetas e satélites, Sol e planetas.

 

O modelo planetário de Rutherford não durou muito tempo. Para emitirem radiação eletromagnética, os elétrons perderiam força e se aproximariam cada vez mais do núcleo, mas isso não ocorre. Esses desafios foram ensejando novas pesquisas.

 

Niels Bohr, em 1913, montou um modelo para explicar o átomo de hidrogênio, o mais simples de todos. Nele, apenas um próton e um elétron em órbita. Em átomos mais complexos, existem diferentes níveis de energia, em zonas que não podem ser transitadas pelos elétrons. Enquanto um elétron estivesse em sua zona, manteria a energia sem quaisquer problemas. O modelo de Bohr, inclusive, tinha essa limitação ao único elétron de um átomo.

 

A Teoria Quântica começou seus estudos no comportamento dos elétrons dentro do átomo, entendendo, justamente, esses níveis de energia. Como o núcleo atômico ainda era desconhecido, não foi de começo que se trouxe a ideia de uma partícula com massa próxima ao próton, mas sem carga elétrica. A confirmação de que o nêutron existia veio em 1932, por James Chadwick.

 

Não apenas o nêutron, mas outros aspectos de força nuclear e distanciamento entre partículas fazem o núcleo se manter coeso, mesmo com a repulsão entre prótons, sendo cargas de mesmo sinal. Se todo o corpo humano fosse denso como o núcleo atômico, não ocuparia mais do que a cabeça de um alfinete. Nessa condição de compacidade, os prótons atingem 64.000 km/s, enquanto os elétrons, mais livres, vão a 960 km/s.

 

Tanto prótons, como nêutrons, seriam formados de partículas ainda menores. Saber e chegar a essas partículas que sim seriam fundamentais é tarefa muito difícil. Avançou-se com o passar dos anos, e ainda há detalhes a descobrir.

 

Partiu-se à ideia de acelerar partículas subatômicas por campos eletromagnéticos poderosíssimos. Ao se colidirem, esperava-se que as partículas estilhaçassem e gerassem partes menores, mas isso não acontecia. A energia cinética se transformava em massa no choque, conforme a Teoria da Relatividade de Einstein.

 

Mais descobertas viriam, como a da dualidade onda-partícula, por Louis de Broglie, em 1925, e a formulação do princípio da incerteza, por Werner Heisenberg, em 1927. Elas marcaram a inserção de princípios da mecânica quântica para entender a estrutura da matéria. 

 

A acepção atual é de que orbitais atômicos são regiões de probabilidade de existência de elétrons, cuja determinação pode ser feita matematicamente pela equação proposta por Erwin Schrödinger. Esse arranjo da eletrosfera explica muito do que sabemos hoje sobre ligações químicas.

 

Os prótons

 

Os prótons estão localizados no núcleo e possuem carga elétrica positiva de 1,6 • 10^-¹⁹ C. A dimensão de um próton é 0,8768 x 10^‐¹⁵ m e a massa de cerca de 1,672 • 10^-²⁷ kg ou 1,007 u (unidade de massa atômica).

 

No hidrogênio, um próton forma sozinho todo o núcleo atômico. Nos demais elementos químicos, nêutrons também formam os núcleos atômicos.

 

O número de prótons é o chamado número atômico (Z) do elemento, enquanto que o número de massa (A) é a soma do número atômico com o número de nêutrons (N) [A = Z + N], visto que a massa do elétron é desprezível, de cerca de 1/1836 da massa do próton.

 

Os nêutrons

 

Nêutrons recebem tal nome pela neutralidade elétrica. A massa de cada um é próxima à do próton, de 1,675 x 10⁻²⁷ kg, ou 1,009 u.

 

Os elétrons

 

Ficam orbitando na eletrosfera. Possuem carga elétrica negativa de 1,6 • 10^-¹⁹ C. Como é uma carga igual, porém oposta à dos prótons, e o átomo é eletricamente neutro no todo, chegou-se à conclusão de que o mesmo número de prótons é o número de elétrons.

 

OUTRAS PARTÍCULAS DESCOBERTAS MAIS TARDE

 

Além de próton, elétron e nêutron, novas partículas como quarks, léptons e bósons passaram a serem estudadas.

 

O romancista irlandês James Joyce (1882 - 1941) escreveu em "Finnegans wake", "Três quarks para Muster Mark", cujo sentido até hoje é obscuro. O sentido real era, até então, como nome de um queijo. 

 

O físico estadunidense Murray Gell-Mann tinha muito bom humor e trouxe o quark para o vocabulário da Ciência. Ele notou que mesmo a divisão do átomo em prótons e nêutrons no núcleo, isso lá em 1964, ainda não explicava tudo: o comportamento dos átomos seria explicado melhor se eles fossem constituídos de partículas menores.

 

Para cada próton ou nêutron, seriam três quarks, chamados de up, down e strange. Mais tarde, viriam o charm, bottom e top. Até os anos 1980, imaginava-se os prótons e nêutrons com estrutura interna, mas sem saber realmente quais e quantos quarks existiriam neles.

 

Atualmente, já se menciona um modelo com dezessete partículas fundamentais. Veja o esquema abaixo:

 

[Partículas fundamentais hoje conhecidas. Imagem: O Blog do Mestre]

 

 

Os férmions são divididos em quarks e léptons. Os quarks são as partículas que promovem a força forte que forma os hádrons como os prótons e nêutrons. 

 

Já nos léptons, existem elétrons, múons, os léptons tau (sendo esses três com carga elétrica) e seus respectivos neutrinos (sem carga). Os férmions, sejam eles os léptons ou os quarks, possuem massa.

 

Também existem os bósons, que são partículas desprovidas de massa e que fazem interação entre férmions. A repulsão elétrica dos dois elétrons ocorre pelo bóson do tipo fóton. Os fótons mediam a força eletromagnética, responsável pela atração ou repulsão elétrica.

 

Já os glúons mediam a força forte. Ela forma as partículas como prótons e nêutrons. Os bósons Z e W, por sua vez, mediam a força fraca, presente nos decaimentos radioativos.

 

O Bóson de Higgs foi a última partícula fundamental a ser descoberta. O nome veio de quem a propôs, Petter Higgs, lá em 1960. Ele é responsável pela atribuição de massa a todas as demais partículas. A comprovação viria apenas em 2012, em experimento do grande colisor de hádrons (LHC), o maior acelerador de partículas do mundo, operado pelo Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (Cern) localizado na fronteira entre França e Suíça.

 

 

INDO PARA UMA ESCALA MAIOR DA QUÍMICA

 

Na Química e na Física podemos tratar dos átomos numa escala das partículas fundamentais, ou irmos além e pensarmos em moléculas e substâncias. Na sugestão de post da linha azul 👇🏻, você relembra quando falamos sobre os gases que compõem o ar:

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👉 Os principais gases que compõem o ar e suas aplicações

 

 

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