Átomo

Estruturade do átomo

Tudo o que vemos é feito de átomos, muitos de átomos. A palavra "átomo" vem da palavra grega "Atomos" (indivisível). Há muito tempo já, ao século 4 aC, os gregos Leucipo e Demócrito filósofos teorizam que toda matéria é composta de minúsculas partículas em constante movimento, muito sólidas e eternas.
Hoje temos uma idéia pouco mais precisa do átomo, porque não é indivisível. Nós conhecemos seu tamanho aproximado desde 1811, Amedeo Avogadro estima o tamanho de átomos, a 10^-10 metros. Em 1911, Ernest Rutherford especifica a estrutura do átomo e dá o tamanho do núcleo atómico de cerca de 10^-14 metros. Concernente o tamanho de átomos, falamos de orbitais atômicos, isto é da nuvem de elétrons ao redor do núcleo (ver imagem abaixo), esta nuvem tem um diâmetro teórico entre 62 pm (picometros) para o átomo de hélio a 596 pm para o átomo de césio. Mas nada é simples na natureza da matéria e este minúscula distância varia de acordo com a natureza química dos átomos vizinhos. Embora o núcleo concentra a maior parte da massa do átomo (99,99%), nós conhecemos também sua massa, para os átomos estáveis é entre 1,674 × 10^-24 g para oe hidrogénio e 3,953 × 10^-22 g para o urânio. Sabemos, também sua composição, no interior, vemos um núcleo e uma nuvem eletrônica, que ocupa a extensão espacial do átomo, porque é mais do que 10000 vezes maior do que o seu núcleo. Ainda mais surpreendente, nós conhecemos o número de átomos no universo, este número é muito grande, por isso tivemos de escrever deve escrever um 1 seguido por 72 zeros.
Mas o que mantém a estabilidade de átomos?
A estabilidade do átomo não podem ser explicada pela física clássica, porque na física clássica, o elétron corpuscular carregado negativamente e o protão carregado positivamente levantam um paradoxo.

Na física clássica, a matéria deveria desaparecer, aniquilar-se porque um elétron que irradia em torno de um núcleo perde energia (teoria de Maxwell) e, portanto, deveria cair sobre o núcleo. Isto significa que a estabilidade de um átomo é incompreensível no contexto da teoria clássica. Os gênios científicos do século 20 vão resolver este paradoxo graças a mecânica ondulatória de Louis de Broglie em 1924 e generalizada em 1926 por Erwin Schrödinger (Prêmio Nobel de Física em 1933 com Paul Dirac, para a equação de onda chamada a equação de Schrödinger.
Na mecânica quântica, não é possível saber o valor exato de um parâmetro sem medir. A teoria matemática descreve um estado, não por um par velocidade e posição precisamente, mas por uma função de onda permitindo de calcular a probabilidade de encontrar uma partícula em um ponto. Daí a natureza probabilística da mecânica quântica prevê que as partículas também são ondas e eles não são apenas pontos materiais. Os elétrons ocupam orbitais atómicas em interação com o núcleo através a força eletromagnética, enquanto os núcleos são mantidos juntos no núcleo pela ligação nuclear, que é uma manifestação da interação nuclear forte. A nuvem eletrônica é estratificada em níveis de energia quantizados ao redor do núcleo definindo camadas e sub-camadas eletrônicas. Os núcleons também são divididos em camadas nucleares, embora o modelo bastante conveniente, popularizado pela estrutura nuclear do modelo da gota de líquido. Vários átomos podem estabelecer ligações químicas entre eles através de seus elétrons e, em geral, as propriedades químicas dos átomos são determinadas pela sua configuração eletrônica, o que decorre do número de prótons em seu núcleo. Este número, denominado o número atómico, define um elemento químico.

Imagem: Representação da estrutura atômica do átomo de hélio-4. Por razões de clareza, a imagem acima não é a escala. O núcleo parece rosa no centro, e todos os tons de cinza ao redor da nuvem, a nuvem eletrônica ou orbital atômico. O núcleo de hélio-4 é esquematicamente alargado, mostrando os dois prótons e dois nêutrons em vermelho e roxo, seu tamanho é 1 ou femtometer 10^-15 metros. Na realidade, o núcleo (e a função de onda de cada um dos núcleos) é também esférico, como os electrões do átomo. Crédito da imagem: domínio público.

Imagem de um átomo

Em 1911, Ernest Rutherford especifica a estrutura do átomo, bombardeando folha de ouro com partículas da desintegração radioativa do urânio. Ele dá mesmo um tamanho, o núcleo atómico, da ordem de 10^-14 metros.
Concernente o tamanho de átomos, falamos de orbitais atômicos, isto é da nuvem de elétrons ao redor do núcleo (ver imagem), esta nuvem tem um diâmetro teórico entre 62 pm (picometros) para o átomo de hélio a 596 pm para o átomo de césio.
Ernest Rutherford haverá bem querido ver os átomos, mas os comprimentos de onda da luz visível (400-800 nanómetros) são maiores do que as dimensões dos átomos. Hoje podemos ver os átomos com o STM.
O microscópio de varredura por tunelamento (STM Scanning Tunneling Microscope) em 1981, desenvolvido por pesquisadores da IBM, Gerd Binnig e Heinrich Rohrer (Prémio Nobel da Física para esta invenção em 1986). O microscópio de corrente de tunelamento (STM) é um pequeno microscópio de alguns centímetros, de tipo microscópios de campo próximo, com uma ponta de tungsténio (W) ou platina irídio (Pt Ir) muito fina, do tamanho de um átomo, que ele pode scanar in vácuo, a superfície de uma amostra de material. Um computador ajusta e registra em tempo real, com precisão elevada, a altura da sonda para manter uma corrente constante.
Em seguida, o computador mede e amplifica a corrente resultante, por efeito de tunelamento, da passagem de electrões entre a ponta e a superfície da amostra.
Este movimento traduz a topografia da superfície e, assim, os próprios dos átomos que permite reconstruir a imagem detalhada da superfície coberta na escala atómica.

Para ver os átomos os cientistas utilizam um metal condutor de electricidade que não oxida, como o ouro ou a platina irídio, porque a maior parte das superfícies de materiais é coberta com uma camada hiperfina de óxido que impede a passagem da corrente túnel.
O efeito de túnel é uma propriedade de uma partícula quântica, esta propriedade permite que ele atravesse a barreira de potencial, mesmo que a sua energia é menor do que a energia mínima necessária.

N.B.: o espectro de luz visível vai do infravermelho ao ultravioleta, ele corresponde aos comprimentos de onda de 400 nanómetros no violeta a 800 nm no vermelho, isto é, de 4x10^-7 a 8x10^-7 metros. Entre o comprimento de onda (λ) e frequência (ν) é a seguinte relação:
ν = c / λ em que c é a velocidade da luz é de cerca de 300.000 km/s.

Imagem: Esta imagem, mais próxima da matéria, detalhe a superfície de uma folha de ouro puro (Au (100), visualizada por um microscópio de corrente de tunelamento.
Os átomos de ouro são visíveis nesta imagem, são uniformemente espaçados entre eles na estrutura cristalina. Esta imagem atómica foi feita com um STM Omicron baixa temperatura por Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, 2006.