O Átomo

 

Átomo: a menor unidade básica de matéria. Tudo o que existe e ocupa lugar no espaço é chamado matéria. E toda matéria é formada por átomos. O corpo humano, por exemplo, é uma complicada e organizada coleção de bilhões e bilhões de átomos. O átomo (indivisível, em grego) é a menor parte de um elemento químico que ainda apresenta as propriedades químicas exclusivas deste elemento. Os átomos de elementos combinam-se quimicamente para formar moléculas. Um composto é uma substância que consiste em moléculas formadas por átomos de dois ou mais elementos.

 

Partículas Fundamentais: Os componentes principais dos átomos são prótons, nêutrons e elétrons. Até bem pouco tempo, esses três tipos de partícula eram considerados unicamente "elementares": tijolos fundamentais e indivisíveis da construção da matéria. Quanto ao elétron, ainda se acredita ser uma partícula genuinamente fundamental, ou seja, um elétron não pode ser subdividido em subpartículas. Já os prótons e nêutrons são compostos de partículas menores e mais elementares chamadas quarks.

 

Os quarks existem em seis variedades, ou três pares de gerações: up (virados para cima), down (virados para baixo), strange (estranhos), charm (charmosos ou amáveis), bottom (do fundo) e top (do topo); embora só dois tipos, up e down, sejam necessários para fazer os prótons e nêutrons que constituem praticamente toda a matéria normal no Universo, visto que é no núcleo que repousa a esmagadora maioria da massa. Todos esses exóticos nomes foram dados apenas com o objetivo de diferenciá-los por níveis energéticos de geração - logo, não podem ser tomados como adjetivos ao pé da letra.

 

Há outras partículas importantes, como os neutrinos (tipo múon ou tau), partículas estranhas que têm uma carga elétrica nula e uma massa fundamental virtualmente zero (o que quer dizer que um neutrino parado nada pesaria), que viajam quase à velocidade da luz e se formam em abundância nas estrelas, nas usinas nucleares ou pela fragmentação dos raios cósmicos na alta atmosfera terrestre. Temos também fótons, que são pacotes de energia de luz.

 

Famílias de Partículas: As partículas compostas de quarks são conhecidas coletivamente como hádrons. Estes estão subdivididos em bárions, tais como prótons e nêutrons, compostos de trios dequarks; e mésons, compostos de pares de quarks e antiquarks. Os elétrons e os neutrinos são exemplos de outra classe de partículas chamada léptons.

 

Propriedades dos Átomos:

 

Tamanho: Os átomos são tão pequenos que 1 milhão de átomos de hidrogênio, o menor dos átomos, alinhados um ao lado do outro, mediriam menos que a espessura de uma folha de livro.

 

Número Atômico de um elemento é um número igual ao número dos prótons em cada um de seus átomos. O número atômico determina o lugar de um elemento químico na tabela periódica.

 

Peso Atômico é o peso de um átomo comparado com o peso de um átomo de carbono-12. O peso do carbono-12 é arbitrariamente considerado como o de 12 unidades de massa atômica. Nessa escala, o hidrogênio pesa 1,00797 unidade de massa atômica. O peso atômico do elemento é uma média dos pesos dos isótopos nas proporções em que ocorrem na natureza. Por exemplo, o peso atômico do cloro é 35,453 unidades de massa atômica. Esse valor é uma média dos dois isótopos Cl35 (peso atômico 34,96885) e Cl37 (peso atômico 36,96590), nas proporções em que ocorrem. Onúmero de massa de um átomo é igual ao número total de nêutrons e prótons de seu núcleo. Esse número aproxima-se do peso atômico do átomo. Assim, o número de isótopo leve do cloro é 35; seu peso atômico é 34,96885 unidades de massa atômica.

 

Radioatividade: Certos elementos, inclusive o rádio e o urânio, são naturalmente radioativos, isto é, emitem raios de energia e correntes de partículas atômicas a partir de seus núcleos. Os cientistas podem tornar radioativos outros elementos ao bombardeá-los com partículas nucleares.

 

Transmutação de Elementos: significa converter um elemento em outro. Quando o núcleo de um átomo emite uma partícula alfa, seu número de massa reduz-se em quatro unidades, porque as partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons. O número atômico diminui em duas unidades (perdem-se dois prótons). Quando o número atômico muda, o átomo converte-se em outro elemento. Por exemplo, quando um átomo de rádio com número de massa 226 e um número atômico 88 (escreve-se 88Ra226) perde uma partícula alfa, ele se transforma em um átomo de número de massa 222 e número atômico 86. No entanto, o elemento de número atômico 86 não é o rádio, mas o radônio. Dizemos que o rádio, quando perde uma partícula alfa, se transmuda (se converte) em radônio (86Rn222).

 

Ionização: Normalmente, um átomo é eletricamente neutro. A carga positiva do núcleo equilibra-se com a carga negativa dos elétrons em órbita. Mas, na parte externa, os elétrons podem ser lançados fora do átomo por uma colisão violenta, como na descarga elétrica. Um átomo que perde um elétron tem uma carga positiva, tornando-se um íon positivo. Quando um átomo perde ou ganha elétrons, dizemos que há ionização.

 

Estrutura Eletrônica: Os elétrons dispõem-se como camadas em torno do núcleo. Cada uma dessas camadas só pode conter um determinado número de elétrons. A camada interna pode conter dois, a seguinte oito e assim por diante. Quando as camadas mais internas estão saturadas (cheias com o máximo de elétrons que podem conter), começa outra camada. Cada órbita corresponde a um nível de energia específico. Aos níveis de energia podem ser atribuídos certos números inteiros, chamados números quânticos. O mais estável dos estados em que o elétron pode mover-se é chamadoestado fundamental. Quando o elétron absorve energia na forma de radiações, ele passa a um estado de excitação (de alto nível energético). Pode em seguida voltar ao estado fundamental ou a um nível intermediário de energia, inferior ao do estado de excitação, mas superior ao do estado fundamental. Ao passar dos níveis altos de energia para os mais baixos, o elétron libera energia. A quantidade de energia liberada como radiação é igual à diferença entre os dois níveis de energia do elétron. Essa teoria do nível de energia serve para explicar como os átomos podem fornecer energia radiante, tal como a luz. A energia liberada por um elétron, ao passar a um nível mais baixo, aparece como fóton do mesmo grau de energia. Essa energia corresponde a uma frequência ou comprimento de onda (cor) definida no espectro. Não há dois elementos que tenham exatamente o mesmo espectro.

 

Como se Estuda o Átomo: O  átomo é tão pequeno que só pode ser observado ao microscópio eletrônico. No entanto, a maior parte do que se sabe sobre os átomos provém do estudo realizado com outros instrumentos. O pesquisador pode dirigir um feixe de raios X para um pequeno cristal de sal comum extraído do solo. As fotografias dos raios X refletidos pelo cristal revelam o arranjo regular de seus átomos. A distância entre os átomos do cristal pode ser determinada com precisão. Usa-se um espectroscópio para estudar os espectros emitidos pelos diferentes elementos. Excita-se o elemento por meio de uma descarga elétrica ou aquecendo-o em uma chama até ficar incandescente. Utiliza-se então o aparelho para fazer a luz abrir-se num largo espectro. A disposição das linhas coloridas dá informações sobre os elétrons das camadas exteriores do átomo. Estuda-se o comportamento dos átomos e das partículas bombardeando-os, em aceleradores de partículas, com projéteis atômicos, tais como prótons ou núcleos de hélio. Registram-se as reações com instrumentos ou em chapas fotográficas.

 

Teoria Atômica: Em torno de 400 a.C., o filósofo grego Demócrito criou a teoria de que, caso se dividisse a matéria em fragmentos cada vez menores, seria atingido um ponto em que ela já não poderia ser dividida. Esse menor fragmento da matéria foi denominado um átomo, de uma palavra grega que significa indivisível.

 

Teoria de Dalton: Em 1803, um químico inglês, John Dalton, propôs uma teoria dos átomos. Acreditava que todos os elementos são feitos de átomos que não podem ser destruídos, divididos ou criados. Achava que os átomos de um mesmo elemento são iguais entre si, diferindo dos átomos de qualquer outro elemento. Dalton também acreditava que diferentes átomos se combinam em proporções definidas para formar moléculas. Atribuiu pesos atômicos aos elementos.

 

Descoberta dos Elétrons: Em fins da década de 1890, o físico inglês sir Joseph Thomson demonstrou que uma corrente elétrica que passa através de um gás consiste em um fluxo de leves partículas negativamente carregadas, os elétrons. Acreditava que o átomo consistia em elétrons de carga negativa dentro de uma substância de carga positiva.

 

Teoria do Átomo de Rutherford: Em 1911, o físico Ernest Rutherford publicou sua teoria da estrutura atômica. De acordo com essa teoria, a massa do átomo localiza-se em uma pequena região, onúcleo. O núcleo fica no centro do átomo, cercado por um certo número de elétrons que redemoinham no vácuo exterior do átomo.

 

Teoria do Átomo de Bohr: Em 1911, Niels Bohr sugeriu que os elétrons estão dispostos em torno do núcleo em camadas com uma disposição definida. Aplicou os princípios da teoria quântica à estrutura eletrônica do átomo, tendo também explicado como os átomos desprendem energia em forma de luz.

 

Descoberta do Próton: Em fins do séc. XIX, os cientistas descobriram que uma corrente elétrica, ao passar através de um gás num tubo catódico, produzia fluxos de partículas de carga positiva. Sua carga era igual em magnitude (grandeza) à carga negativa do elétron. Em 1920, os cientistas compreenderam a importância do núcleo do átomo de hidrogênio na estrutura atômica. Deram-lhe o nome de próton.

 

Descoberta dos Nêutrons: No princípio da década de 1930, vários cientistas bombardearam elementos leves com raios alfa. Em 1932, o físico inglês James Chadwick verificou que os raios incluíam partículas eletricamente neutras, cuja massa era aproximadamente a mesma dos prótons. Chadwick deu a essas partículas o nome de nêutrons.

 

Partição do Átomo: Em 1938, os químicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann estudaram o efeito do bombardeio de átomos de urânio com nêutrons. Entre os produtos da reação resultante, detectaram isótopos de elementos leves. Em janeiro de 1939, os físicos austríacos Lise Meitner e Otto R. Frisch explicaram essa reação como o resultado da partição de um átomo pesado em dois átomos de tamanho médio. Deram ao processo o nome de fissão. Experiências posteriores demonstraram que durante a fissão liberam-se nêutrons. Isso tornou possível a realização da reação nuclear em cadeia.

 

Teorias Modernas: Uma nova teoria, chamada mecânica ondulatória, explicou muitos aspectos da natureza ondulatória das partículas e de seu comportamento. Novas teorias explicaram a estrutura da parte exterior do átomo.

 

Depois da Segunda Guerra Mundial, a pesquisa trouxe à luz um complexo sortimento de mésons e partículas mais pesadas. Não era simples ajustar entre si as várias peças do jogo de armar do núcleo. Com o desenvolvimento de aceleradores de alto potencial energético, encontraram-se novas partículas fundamentais. 

                                                                                                                                 

Quark: Menor unidade de formação da matéria. Partícula instável, indivisível e de difícil observação que, com os léptons (a cuja família pertencem os elétrons) e os bósons (elementos que transportam energia entre outras partículas), formam o grupo de partículas elementares. Os cientistas já encontraram seis tipos de quark: o ascendente, o descendente, o atrativo, o estranho, o topo e o fundo. Cada um deles tem três variantes, além do que os cientistas chamam de antiquark - o seu correspondente.  Podem combinar-se em dupla (o quark e seu antiquark correspondente) ou em trio para formar outras unidades subatômicas, como os hádrons. Existem dois tipos de hádrons: os bárions e os mésons.

 

Bárions: são partículas pesadas formadas por três quarks. Exemplos: o próton, que tem dois quarks ascendentes e um descendente; e o nêutron, dotado de um quark ascendente e dois descendentes.

 

Mésons: são partículas de massa intermediária formadas por um quark e seu respectivo antiquark. Os mésons são emitidos pelo núcleo do átomo (quando este é bombardeado por partículas muito energéticas). Cada méson tem a sua antipartícula correspondente. A partir dos hádrons é formado o átomo.

              

Quark: nome tirado de uma frase de J. Joyce em seu romance Finnegans Wake (‘’Three quarks for Mr. Mark’’) para designar genericamente os quanta fundamentais, que se apresentam em “tripletos’’ de diversos tipos, sendo estes os constituintes de todos os hádrons.  Segundo  os trabalhos de Mann e Zweig (1966), a cada hádron corresponde um ‘’tripleto’’ desses quanta, como uma ‘’trindade’’ de objetos mais simples que formam um objeto ‘’superior’’ em complexidade, nitidamente distinto dos seus constituintes. Cada espécie de quark  compreende três tipos de membros que se diferenciam por uma grandeza convencionalmente chamada de ‘’cor’’ (de onde a denominação de cromodinâmica quântica para a teoria que descreve as interações entre os quarks). Por exemplo, os três quarks de uma família são chamados de ‘’azul’’, ‘’vermelho’’ e ‘’amarelo’’.  As famílias, por sua vez, diferenciam-se por uma grandeza chamada ‘’aroma’’ (flavor). São conhecidas atualmente cinco famílias: ‘’u’’ (up, para cima), ‘’d’’ (down, para baixo), ‘’s’’ (strange, estranho), ‘’c’’ (charmed, charmoso) e ‘’b’’ (beauty, beleza, ou bottom, inferior). Uma sexta família é conjecturada, ‘’t’’ (top, superior).

 

Os hádrons mais comuns são ‘’incolores’’, isto é, são um tripleto azul, vermelho e amarelo (a união destas três cores, em óptica, forma a cor branca, de onde se atribui o caráter “incolor’’). Os bários, especificamente, são compostos por três quarks, um de cada cor, mas de aromas eventualmente diferentes. Os mésons são compostos por um par quark-antiquark.

 

O aspecto mais embaraçoso dos quarks está na necessidade de lhes atribuir cargas fracionárias. Assim, suas cargas elétricas devem ter valores de + 2/3 qe e - 1/3 qe, onde qe é a carga considerada tradicionalmente como ‘’elementar’’ [(carga do elétron (-) ou do próton (+)]. Entretanto, ainda não foram observados isoladamente objetos portadores de tais cargas fracionárias. As forças que se exercem entre os quarks são ‘’transportadas’’ pelos bósons do campo cromodinâmico, chamados glúons. Tais forças são suficientemente fortes para impedir a separação dos quarks que constituem os hádrons. Por isso, diz-se que os quarks ficam ‘’confinados’’. A cromodinâmica quântica parece ser capaz de explicar esta propriedade.

 

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