As 3 partes de um átomo (e suas características) - Médico - 2023

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Toda a matéria do Universo é composta de átomos, que constituem um dos níveis mais baixos de organização da matéria. Na verdade, tudo o que é menor deixa de obedecer às leis da física tradicional, à medida que entramos no mundo das partículas subatômicas e até na famosa Teoria das Cordas, hipótese que defende que a natureza fundamental da matéria são fios unidimensionais em vibração.

Seja como for, por muito tempo acreditou-se que os átomos eram a unidade indivisível da matéria. E isso, apesar de ter sido demonstrado que, de fato, os átomos são feitos de estruturas menores, ajudou-nos a entender a natureza do Cosmos em sua menor escala.

Mas quão pequeno? Muitíssimo. Tanto que um único grão de areia caberia em mais de 2 milhões de átomos. Essas unidades compostas por um núcleo em torno do qual giram os elétrons possibilitam a existência não só da matéria, mas de todas as leis que regem o comportamento e o funcionamento do Universo.

Portanto, e para entender exatamente o que é um átomo, no artigo de hoje vamos analisar sua estrutura, detalhando todas as partes que o compõem. Prótons, nêutrons, elétrons, partículas subatômicas… Hoje vamos aprender sobre tudo isso.

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O que é um átomo?

Esta questão aparentemente simples é mais complicada do que parece. E é que definir um átomo não é tão fácil. A definição mais clara é que um átomo é o menor unidade em que matéria estável pode ser obtida, isto é, mantendo as propriedades de um elemento químico em questão.

Em essência, um átomo é um dos níveis mais baixos de organização da matéria e, como podemos ver, é o nível mais baixo em que a matéria é estável, uma vez que as partículas subatômicas, exceto em casos específicos, não podem existir por si mesmas, ou seja, , eles têm que se juntar.

Nesse sentido, vamos imaginar nosso corpo. Se puxarmos cada vez para o menor, veremos que nosso corpo é feito de órgãos, os quais, por sua vez, são feitos de tecidos. Esses tecidos, por células. Essas células, por macromoléculas (DNA, proteínas, carboidratos, gorduras ...). Essas macromoléculas, por moléculas. E essas moléculas, por átomos.

Portanto, poderíamos definir o átomo de uma forma menos científica, mas útil para entendê-lo como cada uma das peças que compõem o quebra-cabeça de moléculas, que são o esqueleto de toda a matéria do Universo.

Todos nós visualizamos o átomo como um grande núcleo em torno do qual giram pequenas partículas que são elétrons, como se fosse um sistema solar em miniatura. Ou seja, existe um centro (o núcleo) em torno do qual os diferentes planetas (os elétrons) giram seguindo órbitas bem definidas. No entanto, este modelo está desatualizado. Hoje sabemos que a realidade não é assim e que quando chegamos a níveis tão baixos, as coisas não acontecem como no mundo que percebemos. Veremos mais tarde como um átomo realmente se parece.

Para saber mais: “Os 19 níveis de organização da matéria”

Os prótons e nêutrons do núcleo são constituídos por quarks, partículas subatômicas elementares que lhes dão massa.

Átomo e elemento químico: quem é quem?

Já comentamos anteriormente que o átomo é a menor unidade de matéria que mantém estáveis as propriedades de um elemento químico, mas o que exatamente isso significa? Vamos passo a passo, porque é essencial entender bem a relação átomo - elemento antes de continuar.

Todos nós já vimos a famosa tabela periódica dos elementos em um momento ou outro. Nele, aparece o, por enquanto, 118 elementos químicos descobertos. Nele aparecem todos os elementos químicos ordenados (agora veremos com base no quê), encontrando absolutamente todos os ingredientes da matéria conhecida no Universo.

Absolutamente tudo o que existe, de nosso corpo a uma estrela, é uma combinação de diferentes elementos. Hidrogênio, oxigênio, carbono, lítio, ferro, ouro, mercúrio, chumbo ... Cada um desses elementos químicos tem propriedades únicas e interage com os outros de maneiras diferentes.

Mas o que os átomos têm a ver com tudo isso? Bem, basicamente tudo. E é que um elemento químico é, em essência, um átomo com um número específico de prótons. E é isso que depende do elemento e da forma como são ordenados.

Dependendo do número de prótons no núcleo, estaremos diante de um ou outro elemento. Um elemento X é qualquer átomo do Universo que possui um certo número de prótons em seu núcleo. Cada elemento possui um número atômico único (número de prótons no núcleo).

Assim, o hidrogênio, o elemento mais leve e abundante do Universo, tem um único próton em seu núcleo (além de um nêutron e um elétron se estiver em forma estável). Se adicionarmos outro (as reações de fusão nuclear que ocorrem dentro das estrelas permitem que núcleos de átomos se unam para dar origem a elementos cada vez mais pesados), teríamos o hélio, que tem o número atômico 2.

E assim por diante até o oganeson, que, com seus 118 prótons no núcleo, é o elemento (e átomo) mais pesado. Na verdade, apenas os primeiros 94 existem naturalmente. De 94 a 118 foram sintetizados apenas em laboratórios e têm “vidas” muito curtas.

Para dar alguns exemplos, o elemento oxigênio é qualquer átomo com 8 prótons no núcleo. Carbono, com 6. Ferro, com 26. Prata, com 47.
Em suma, é o número de prótons no núcleo (o número de nêutrons e elétrons geralmente é igual ao número de prótons, para equalizar as cargas elétricas, mas isso será discutido mais tarde) que determina as propriedades do átomo. Um átomo que, como veremos, independentemente do elemento em questão, sempre tem um estrutura que varia muito pouco.

Qual é o modelo atômico atual?

Como mencionamos anteriormente, a visão tradicional do átomo corresponde a um modelo antigo que está obsoleto. E embora sirva para entender sua estrutura, devemos, pelo menos, apresentar o modelo atual, que é baseado nas leis da mecânica quântica.

Obviamente, isso complica as coisas, porque no mundo subatômico, uma partícula (como um elétron) pode estar em vários lugares ao mesmo tempo. E será em um ou outro dependendo de nós, que somos o observador. Isso não faz sentido para nós, mas estamos no mundo subatômico. E aí as coisas não têm as mesmas propriedades que em nosso mundo. O grande desafio da Física atual é precisamente unificar todas as leis em uma e, finalmente, conectar o mundo quântico com o da relatividade geral.

Além disso, o importante do modelo atual é que ele diz que o átomo está praticamente vazio, ou seja, que a imagem típica de um grande núcleo com elétrons próximos não é assim. O núcleo tem apenas um milésimo do tamanho do átomo, mas abriga 99,99% de sua massa.

Vamos imaginar que um átomo seja algo do tamanho de um campo de futebol. Bem, enquanto os elétrons seriam aproximadamente do tamanho de uma cabeça de alfinete nos cantos, o núcleo seria como uma bola de tênis no centro do campo. Eles são incrivelmente distantes, mas mesmo assim, eles se atraem. Mas de que partes é feito um átomo? Vamos ver.

O modelo atual não considera a presença de órbitas de elétrons, como fazia o modelo tradicional de Bohr.

1. Prótons

O próton é uma partícula subatômica composta de outras partículas subatômicas elementares (quarks) que, junto com os nêutrons, compõem o núcleo do átomo. De hecho, los protones y los neutrones están increíblemente unidos por unas fuerzas muy intensas, tanto que, para separarlos, hay que bombardear el núcleo con otros neutrones, consiguiendo que el núcleo se rompa (se separen protones y neutrones), liberando así enormes cantidades de energia. A energia nuclear se baseia exatamente nisso.

Seja como for, o próton é uma partícula subatômica com carga positiva e uma massa 2.000 vezes maior que a de um elétron. Em condições normais, o número de prótons é igual ao número de nêutrons e elétrons. Como comentamos, é o número de prótons que determina o elemento químico. Se você ganha ou perde (ambos os processos requerem muita energia) prótons no núcleo, você muda o elemento.

Os prótons, portanto, são partículas com carga positiva que abrigam grande parte da massa, formando, junto com os nêutrons, o núcleo do átomo, ou seja, o centro. Eles são mantidos juntos pela forte força nuclear, que é cem vezes mais forte do que a eletromagnética.

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2. Nêutrons

O nêutron é uma partícula subatômica composta de outras partículas subatômicas elementares (quarks) que, junto com os prótons, formam o núcleo do átomo. Eles são muito semelhantes aos prótons no sentido de que eles têm uma massa praticamente igual à sua massa, embora difiram no sentido de que os nêutrons eles não têm carga elétrica.

Embora isso deva ser apontado. E é que todas as partículas subatômicas têm carga elétrica, pois é uma propriedade intrínseca. O que acontece é que as três partículas de quark que compõem o nêutron possuem cargas elétricas que se compensam, ou seja, elas são iguais a 0. Portanto, o nêutron não é que não tenha carga, mas que suas três cargas estão equalizadas, então , como seu nome sugere, eles permanecem neutros.

O número de nêutrons no núcleo não determina o elemento, mas geralmente é igual ao número de prótons. Quando nêutrons são ganhos ou perdidos no núcleo do átomo, estamos lidando com o que é conhecido como isótopo, que são variantes mais ou menos estáveis do elemento em questão.

Nêutrons, então, são partículas sem carga elétrica e um massa igual à dos prótons, junto com aqueles que compõem o núcleo do átomo.

3. Elétrons

Com elétrons, as coisas ficam complicadas. E é que eles não são mais partículas subatômicas compostas. Os elétrons são partículas subatômicas elementares (não são formados pela união de outras partículas subatômicas, como era o caso dos prótons e nêutrons), então já estamos totalmente na física quântica e as coisas acontecem de forma estranha.

Um elétron é uma partícula subatômica elementar 2.000 vezes menor que um próton. Na verdade, ele tem o tamanho de aproximadamente um atômetro, que é 10 elevado a -18 metros. Como bem sabemos, é uma partícula com carga elétrica negativa.

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E é justamente essa carga negativa que o faz orbitar em torno do núcleo do átomo, que, lembre-se, tem carga positiva (prótons são positivos e nêutrons neutros, então o núcleo permanece positivo).

Como já discutimos, ele está incrivelmente longe do núcleo, de modo que praticamente todo o átomo é literalmente um espaço vazio, sem nenhuma partícula. De qualquer forma, ele é "preso" ao núcleo pela força eletromagnética, que é cem vezes menos intensa que a força nuclear, que é o que, como vimos, mantém os prótons e nêutrons juntos.

Os elétrons orbitam em torno do núcleo seguindo caminhos que, segundo o modelo atual, nada têm a ver com planetas orbitando uma estrela. Eles não seguem órbitas definidas e, de fato, vemos que se comportam tanto como uma onda quanto como uma partícula. Isso, a priori, não faz sentido, está sendo estudado pela física quântica.