Ver os Átomos: Uma Exploração da Estrutura Atômica

Descrição da imagem: Representação da estrutura atômica do átomo de hélio-4. Por razões de legibilidade, a imagem acima não está em escala. O núcleo atômico aparece em rosa no centro e, em degradê de cinza ao redor, a nuvem eletrônica ou orbital atômica. O núcleo de hélio-4 está esquematicamente ampliado, mostrando os dois prótons e os dois nêutrons em vermelho e roxo, seu tamanho é de 1 femtômetro ou 10^-15 metros. Na realidade, o núcleo (e a função de onda de cada um dos núcleons) também é esférico, como os elétrons do átomo. Fonte da imagem: domínio público.

Estrutura do átomo

Tudo o que vemos é composto de átomos, de muitos átomos da palavra grega "atomos" (indivisível). Há muito tempo, no século IV a.C., os filósofos gregos Leucipo e Demócrito emitiram a hipótese de que toda a matéria é composta de partículas minúsculas em movimento perpétuo, muito sólidas e eternas. Hoje temos uma ideia um pouco mais precisa do átomo porque ele não é indivisível.

Conhecemos seu tamanho aproximado desde 1811, Amedeo Avogadro estimou o tamanho dos átomos em 10^-10 metros. Em 1911, Ernest Rutherford especificou a estrutura do átomo e deu um tamanho ao núcleo atômico da ordem de 10^-14 metros.

Quanto ao tamanho dos átomos, falamos de orbitais atômicas, ou seja, da nuvem eletrônica que cerca o núcleo. Esta nuvem tem um diâmetro teórico compreendido entre 62 pm (picômetros) para o átomo de hélio e 596 pm para o átomo de césio. Nada é simples na natureza da matéria e essa minúscula distância varia em função da natureza química dos átomos circundantes.

Embora o núcleo concentre a maior parte da massa do átomo (99,99%), também conhecemos sua massa, para os átomos estáveis, está compreendida entre 1,674×10^-24 g para o hidrogênio e 3,953×10^-22 g para o urânio.

Também conhecemos sua composição, em seu interior vemos um núcleo e uma nuvem eletrônica que ocupa toda a extensão espacial do átomo, pois é mais de 10.000 vezes maior que seu núcleo. Ainda mais surpreendente, até conhecemos o número de átomos no universo, este número é extraordinariamente grande, se tivéssemos que escrevê-lo, teríamos que escrever um 1 seguido de 72 zeros.

Estabilidade dos átomos

A estabilidade do átomo não se explica pela física clássica porque na física clássica, o elétron corpuscular carregado negativamente e o próton carregado positivamente levantam um paradoxo.

Na física clássica, a matéria deveria desaparecer, aniquilar-se porque um elétron que irradia ao redor de um núcleo perde energia (teoria de Maxwell) e, portanto, deveria cair sobre o núcleo. Isso significa que a estabilidade de um átomo é incompreensível dentro do quadro da teoria clássica.

Os gênios científicos do século XX resolveram esse paradoxo em 1924, graças à mecânica ondulatória de Louis de Broglie (1892-1987) generalizada em 1926 por Erwin Schrödinger (1887-1961), Prêmio Nobel de Física em 1933 com Paul Dirac (1902-1984) pela equação de onda chamada equação de Schrödinger.

Na mecânica quântica, não é possível conhecer exatamente o valor de um parâmetro sem medi-lo. A teoria matemática descreve um estado, não por um par velocidade e posição precisamente, mas por uma função de onda (vetor de estado), que permite calcular a probabilidade de encontrar a partícula em um ponto. Daí o caráter probabilístico da mecânica quântica, que prevê que as partículas também são ondas e não apenas pontos materiais.

Os elétrons ocupam orbitais atômicas em interação com o núcleo através da força eletromagnética, enquanto os núcleons são mantidos juntos dentro do núcleo pela ligação nuclear.

A nuvem eletrônica é estratificada em níveis de energia quantificados ao redor do núcleo, definindo camadas e subcamadas eletrônicas. Os núcleons também se distribuem em camadas nucleares, embora um modelo bastante conveniente popularize a estrutura nuclear de acordo com o modelo da gota líquida.

Vários átomos podem estabelecer ligações químicas entre si através de seus elétrons e, de modo geral, as propriedades químicas dos átomos são determinadas por sua configuração eletrônica, que por sua vez depende do número de prótons em seu núcleo. Este número, chamado número atômico, define um elemento químico.

Átomos de ouro visíveis

Mais perto da matéria, a superfície de uma folha de ouro puro (Au 100) é detalhada aqui por um microscópio de efeito túnel. Os átomos de ouro visíveis nesta imagem estão regularmente espaçados na estrutura cristalina do ouro. Esta imagem atômica foi feita com um STM Omicron de baixa temperatura por Erwin Rossen, Universidade Tecnológica de Eindhoven, em 2006.

Tamanho dos átomos

Raio atômico teórico (calculado) de certos átomos (o tamanho está em picômetros (10^-12 metros). O raio atômico é a metade da distância que separa os núcleos de dois átomos contíguos. Os valores indicados nesta tabela são apenas indicativos.