Átomo

O átomo é a unidade básica da matéria. É a menor coisa que pode ter uma propriedade química. Há muitos tipos diferentes de átomos, cada um com seu próprio nome, massa atômica e tamanho. Estes diferentes átomos são chamados de elementos químicos. Os elementos químicos estão organizados na tabela periódica. Exemplos de elementos são o hidrogênio e o ouro.

Os átomos são muito pequenos, mas o tamanho exato depende do elemento. Os átomos variam de 0,1 a 0,5 nanômetros de largura. Um nanômetro é cerca de 100.000 vezes menor do que a largura de um cabelo humano. Isto torna os átomos impossíveis de serem vistos sem ferramentas especiais. Os cientistas usam experimentos para aprender como eles funcionam e interagem com outros átomos.

Os átomos se unem para fazer moléculas: por exemplo, dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio se combinam para fazer uma molécula de água. Quando os átomos se juntam, é chamada de reação química.

Os átomos são compostos por três tipos de partículas menores, chamadas prótons (que são carregados positivamente), nêutrons (que não têm carga) e elétrons (que são carregados negativamente). Os prótons e nêutrons são mais pesados, e permanecem no meio do átomo. Eles são chamados de núcleo. Eles são cercados por uma nuvem de elétrons que são muito leves. Eles são atraídos pela carga positiva do núcleo pela força eletromagnética.

O número de prótons e elétrons que um átomo tem nos diz que elemento é. O hidrogênio, por exemplo, tem um próton e um elétron; o elemento enxofre tem 16 prótons e 16 elétrons. O número de prótons é o número atômico. Exceto para o hidrogênio, o núcleo também tem nêutrons. O número de prótons e nêutrons juntos é o peso atômico.

Os átomos se movem mais rapidamente quando estão em sua forma gasosa (porque estão livres para se mover) do que quando estão na forma líquida e sólida. Em materiais sólidos, os átomos são apertados uns ao lado dos outros para que vibrem, mas não são capazes de se mover (não há espaço) como fazem os átomos em líquidos.

História

A palavra "átomo" vem do grego (ἀτόμος) "atomos", indivisível, de (ἀ)-, não, e τόμος, um corte. A primeira menção histórica da palavra átomo veio de obras do filósofo grego Demócrito, por volta de 400 AC. A teoria atômica permaneceu como um assunto principalmente filosófico, com pouca investigação ou estudo científico real, até o desenvolvimento da química na década de 1650.

Em 1777, o químico francês Antoine Lavoisier definiu pela primeira vez o termo elemento. Ele disse que um elemento era qualquer substância básica que não podia ser decomposta em outras substâncias pelos métodos da química. Qualquer substância que pudesse ser decomposta era um composto.

Em 1803, o filósofo inglês John Dalton sugeriu que os elementos eram bolas minúsculas e sólidas feitas de átomos. Dalton acreditava que todos os átomos de um mesmo elemento tinham a mesma massa. Ele disse que os compostos se formam quando átomos de mais de um elemento se combinam. Segundo Dalton, em um determinado composto, os átomos dos elementos do composto sempre se combinam da mesma forma.

Em 1827, o cientista britânico Robert Brown olhou os grãos de pólen na água sob seu microscópio. Os grãos de pólen pareciam estar se sacudindo. Brown usou a teoria atômica de Dalton para descrever padrões na forma como eles se moviam. Isto foi chamado de movimento browniano. Em 1905 Albert Einstein usou a matemática para provar que os movimentos aparentemente aleatórios eram causados pelas reações dos átomos, e ao fazer isso ele provou conclusivamente a existência do átomo. Em 1869, o cientista russo Dmitri Mendeleev publicou a primeira versão da tabela periódica. A tabela periódica agrupa os elementos por seu número atômico (quantos prótons eles têm). Isto é normalmente o mesmo que o número de elétrons). Os elementos da mesma coluna, ou período, geralmente têm propriedades similares. Por exemplo, hélio, neônio, argônio, crípton e xenônio estão todos na mesma coluna e têm propriedades muito semelhantes. Todos estes elementos são gases que não têm cor e nem cheiro. Além disso, eles não são capazes de se combinar com outros átomos para formar compostos. Juntos eles são conhecidos como os gases nobres.

O físico J.J. Thomson foi a primeira pessoa a descobrir os elétrons. Isto aconteceu enquanto ele trabalhava com raios catódicos, em 1897. Ele percebeu que eles tinham uma carga negativa, ao contrário dos prótons (positivos) e dos nêutrons (sem carga). Thomson criou o modelo de pudim de ameixa, que dizia que um átomo era como um pudim de ameixa: os frutos secos (elétrons) estavam presos em uma massa de pudim (prótons). Em 1909, um cientista chamado Ernest Rutherford usou a experiência Geiger-Marsden para provar que a maior parte de um átomo está em um espaço muito pequeno chamado núcleo atômico. Rutherford tirou uma placa fotográfica e a cobriu com folha de ouro, e depois disparou partículas alfa (feitas de dois prótons e dois nêutrons colados um ao outro) sobre ele. Muitas das partículas atravessaram a folha de ouro, o que provou que os átomos são em sua maioria espaço vazio. Os elétrons são tão pequenos que constituem apenas 1% da massa de um átomo.

Em 1913, Niels Bohr introduziu o modelo Bohr. Este modelo mostrou que os elétrons viajam ao redor do núcleo em órbitas circulares fixas. Isto era mais preciso do que o modelo de Rutherford. No entanto, ainda não estava completamente correto. Melhorias no modelo Bohr foram feitas desde que ele foi introduzido pela primeira vez.

Em 1925, o químico Frederick Soddy descobriu que alguns elementos da tabela periódica tinham mais de um tipo de átomo. Por exemplo, qualquer átomo com 2 prótons deveria ser um átomo de hélio. Normalmente, um núcleo de hélio também contém dois nêutrons. No entanto, alguns átomos de hélio têm apenas um nêutron. Isto significa que eles são verdadeiramente hélio, porque um elemento é definido pelo número de prótons, mas eles também não são hélio normal. O Soddy chamou um átomo como este, com um número diferente de nêutrons, um isótopo. Para obter o nome do isótopo, olhamos quantos prótons e nêutrons ele tem em seu núcleo e acrescentamos isto ao nome do elemento. Assim, um átomo de hélio com dois prótons e um nêutron é chamado de hélio-3, e um átomo de carbono com seis prótons e seis nêutrons é chamado de carbono-12. Entretanto, quando ele desenvolveu sua teoria, Soddy não podia ter certeza de que os nêutrons realmente existiam. Para provar que eles eram reais, o físico James Chadwick e uma equipe de outros criaram o espectrômetro de massa. O espectrômetro de massa realmente mede a massa e o peso de átomos individuais. Ao fazer isso, Chadwick provou que, para que todo o peso do átomo seja responsável, os nêutrons devem existir.

Em 1937, o químico alemão Otto Hahn tornou-se a primeira pessoa a criar a fissão nuclear em um laboratório. Ele descobriu isso por acaso quando estava atirando nêutrons em um átomo de urânio, na esperança de criar um novo isótopo. Entretanto, ele notou que ao invés de um novo isótopo, o urânio simplesmente se transformou em um átomo de bário, um átomo menor do que o urânio. Aparentemente, Hahn tinha "quebrado" o átomo de urânio. Esta foi a primeira reação de fissão nuclear registrada no mundo. Esta descoberta acabou levando à criação da bomba atômica.

Mais adiante no século XX, os físicos se aprofundaram nos mistérios do átomo. Usando aceleradores de partículas, descobriram que os prótons e os nêutrons eram na verdade feitos de outras partículas, chamadas quarks.

O modelo mais preciso até agora vem da equação de Schrödinger. Schrödinger percebeu que os elétrons existem em uma nuvem ao redor do núcleo, chamada de nuvem de elétrons. Na nuvem de elétrons, é impossível saber exatamente onde os elétrons estão. A equação de Schrödinger é usada para descobrir onde um elétron é provável que esteja. Esta área é chamada de orbital do elétron.

Ernest Rutherford
Ernest Rutherford

Estrutura e peças

Peças

O átomo complexo é composto por três partículas principais; o próton, o nêutron e o elétron. O isótopo Hidrogênio Hidrogênio-1 não possui nêutrons, apenas um próton e um elétron. Um íon de hidrogênio positivo não tem elétrons, apenas um próton e um nêutron. Estes dois exemplos são as únicas exceções conhecidas à regra de que todos os outros átomos têm pelo menos um próton, um nêutron e um nêutron cada um.

Os elétrons são de longe as menores das três partículas atômicas, sua massa e tamanho são muito pequenos para serem medidos usando a tecnologia atual. Eles têm uma carga negativa. Prótons e nêutrons têm tamanho e peso semelhantes um ao outro, os prótons têm carga positiva e os nêutrons não têm carga. A maioria dos átomos tem uma carga neutra; como o número de prótons (positivos) e elétrons (negativos) é o mesmo, as cargas se equilibram a zero. Entretanto, em íons (número diferente de elétrons) nem sempre é o caso, e eles podem ter uma carga positiva ou negativa. Os prótons e os nêutrons são feitos de quarks, de dois tipos; quarks para cima e quarks para baixo. Um próton é composto de dois quarks para cima e um para baixo e um nêutron é composto de dois quarks para baixo e um para cima.

Núcleo

O núcleo está no meio de um átomo. É formado por prótons e nêutrons. Normalmente na natureza, duas coisas com a mesma carga repelem ou atiram uma contra a outra. Assim, durante muito tempo, foi um mistério para os cientistas como os prótons com carga positiva no núcleo permaneceram juntos. Eles resolveram isso encontrando uma partícula chamada gluon. Seu nome vem da palavra cola, pois os gluons agem como cola atômica, colando os prótons usando a forte força nuclear. É esta força que também mantém unidos os quarks que compõem os prótons e os nêutrons.

O número de nêutrons em relação aos prótons define se o núcleo é estável ou passa por decadência radioativa. Quando há muitos nêutrons ou prótons, o átomo tenta fazer os números iguais, livrando-se das partículas extras. Ele faz isso emitindo radiação na forma de decaimento alfa, beta ou gama. Os núcleos também podem mudar por outros meios. A fissão nuclear é quando o núcleo se divide em dois núcleos menores, liberando muita energia armazenada. Esta liberação de energia é o que torna a fissão nuclear útil para fabricar bombas e eletricidade, na forma de energia nuclear. A outra forma de alterar os núcleos é através da fusão nuclear, quando dois núcleos se unem, ou se fundem, para fazer um núcleo mais pesado. Este processo requer quantidades extremas de energia a fim de superar a repulsão eletrostática entre os prótons, pois eles têm a mesma carga. Essas altas energias são mais comuns em estrelas como nosso Sol, que funde hidrogênio para combustível.

Elétrons

Os elétrons orbitam, ou percorrem, o núcleo. Eles são chamados de nuvem de elétrons do átomo. Eles são atraídos em direção ao núcleo por causa da forçaeletromagnética. Os elétrons têm uma carga negativa e o núcleo tem sempre uma carga positiva, de modo que eles se atraem mutuamente. Ao redor do núcleo, alguns elétrons estão mais distantes que outros, em diferentes camadas. Estes são chamados de conchas de elétrons. Na maioria dos átomos, a primeira concha tem dois elétrons, e todos depois disso têm oito. As exceções são raras, mas elas acontecem e são difíceis de prever. Quanto mais distante o elétron está do núcleo, mais fraca é a tração do núcleo sobre ele. É por isso que átomos maiores, com mais elétrons, reagem mais facilmente com outros átomos. O eletromagnetismo do núcleo não é forte o suficiente para segurar seus elétrons e os átomos perdem elétrons devido à forte atração de átomos menores.

Um diagrama mostrando a principal dificuldade na fusão nuclear, o fato de que os prótons, que têm cargas positivas, se repelem uns aos outros quando forçados juntos.
Um diagrama mostrando a principal dificuldade na fusão nuclear, o fato de que os prótons, que têm cargas positivas, se repelem uns aos outros quando forçados juntos.

Decadência radioativa

Alguns elementos, e muitos isótopos, têm o que se chama um núcleo instável. Isto significa que o núcleo ou é grande demais para se manter unido ou tem muitos prótons ou nêutrons. Quando isto acontece, o núcleo tem que se livrar do excesso de massa ou partículas. Ele faz isto através da radiação. Um átomo que faz isto pode ser chamado de radioativo. Os átomos instáveis continuam radioativos até perderem massa/partículas suficientes para se tornarem estáveis. Todos os átomos acima do número atômico 82 (82 prótons, chumbo) são radioativos.

Há três tipos principais de decaimento radioativo; alfa, beta e gama.

  • A decomposição alfa é quando o átomo dispara uma partícula com dois prótons e dois nêutrons. Este é essencialmente um núcleo de hélio. O resultado é um elemento com número atômico dois a menos do que antes. Assim, por exemplo, se um átomo de berílio (número atômico 4) passasse pela decomposição alfa, ele se tornaria hélio (número atômico 2). A decadência alfa acontece quando um átomo é muito grande e precisa se livrar de alguma massa.
  • A decadência beta é quando um nêutron se transforma em próton ou um próton se transforma em um nêutron. No primeiro caso, o átomo atira um elétron. No segundo caso, é um positron (como um elétron, mas com carga positiva). O resultado final é um elemento com um número atômico maior ou menor do que antes. A decomposição beta acontece quando um átomo tem prótons demais, ou nêutrons demais.
  • A decadência gama é quando um átomo atira um raio gama, ou onda. Acontece quando há uma mudança na energia do núcleo. Isto geralmente acontece depois que um núcleo já passou por uma decadência alfa ou beta. Não há mudança na massa, ou no número atômico ou no átomo, apenas na energia armazenada dentro do núcleo.

Cada elemento radioativo ou isótopo tem o que é chamado de meia-vida. Isto é quanto tempo leva a metade de qualquer amostra de átomos desse tipo para se decompor até que se tornem um isótopo ou elemento estável diferente. Grandes átomos, ou isótopos com uma grande diferença entre o número de prótons e nêutrons terão, portanto, uma longa meia-vida, pois devem perder mais nêutrons para se tornarem estáveis.

Marie Curie descobriu a primeira forma de radiação. Ela encontrou o elemento e lhe deu o nome de rádio. Ela também foi a primeira mulher a receber o Prêmio Nobel.

Frederick Soddy conduziu uma experiência para observar o que acontece à medida que o rádio se decompõe. Ele colocou uma amostra em uma lâmpada e esperou que ela se decompusesse. De repente, o hélio (contendo 2 prótons e 2 nêutrons) apareceu na lâmpada, e a partir deste experimento ele descobriu que este tipo de radiação tem uma carga positiva.

James Chadwick descobriu o nêutron, observando produtos em decomposição de diferentes tipos de isótopos radioativos. Chadwick notou que o número atômico dos elementos era menor do que a massa atômica total do átomo. Ele concluiu que os elétrons não poderiam ser a causa da massa extra porque eles quase não têm massa.

Enrico Fermi, usou os nêutrons para dispará-los contra o urânio. Ele descobriu que o urânio se decompunha muito mais rápido que o normal e produzia muitas partículas alfa e beta. Ele também acreditava que o urânio foi transformado em um novo elemento que ele chamou de hesperium.

Otto Hanh e Fritz Strassmann repetiram a experiência de Fermi para ver se o novo elemento hesperium foi realmente criado. Eles descobriram duas coisas novas que Fermi não observou. Ao usar muitos nêutrons, o núcleo do átomo se dividiria, produzindo muita energia térmica. Também os produtos de fissão do urânio já foram descobertos: tório, paládio, rádio, rádon e chumbo.

Fermi notou então que a fissão de um átomo de urânio disparou mais nêutrons, que depois dividiu outros átomos, criando reações em cadeia. Ele percebeu que este processo é chamado de fissão nuclear e poderia criar enormes quantidades de energia térmica.

Essa mesma descoberta de Fermi's levou ao desenvolvimento da primeira bomba nuclear com o nome de código 'Trinity'.


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