Como vemos a estrutura oculta dos átomos?

Estrutura do átomo

História e descoberta do átomo

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

O seu tamanho aproximado é conhecido desde 1811, quando Amedeo Avogadro estimou o tamanho dos átomos em 10^-10 metros. Em 1911, Ernest Rutherford precisou a estrutura do átomo e deu ao núcleo atómico um tamanho da ordem de 10^-14 metros.

Tamanho, massa e composição do átomo

Quanto ao tamanho dos átomos, falamos de orbitais atómicas, ou seja, da nuvem eletrónica que envolve o núcleo. Esta nuvem tem um diâmetro teórico que varia entre 62 pm (picómetros) para o átomo de hélio e 596 pm para o átomo de césio. Nada é simples na natureza da matéria, e esta distância minúscula varia consoante a natureza química dos átomos circundantes.

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

Também se conhece a sua composição: no interior vemos um núcleo e uma nuvem eletrónica que ocupa toda a extensão espacial do átomo, uma vez que é cerca de 100.000 vezes maior do que o seu núcleo. Ainda mais surpreendente, conhecemos, em ordem de grandeza, o número de átomos no universo observável: estima-se em cerca de 10⁸⁰, ou seja, um 1 seguido de 80 zeros — valor obtido combinando o número estimado de estrelas (cerca de 10²³) e a sua massa média convertida num número equivalente de átomos de hidrogénio.

A estabilidade dos átomos

O paradoxo da física clássica

A estabilidade do átomo não se explica pela física clássica, porque na física clássica, o eletrão corpuscular com carga negativa e o protão com carga positiva levantam um paradoxo.

Na física clássica, a matéria deveria desaparecer, aniquilar-se, porque um eletrão 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 quadro da teoria clássica.

A solução da mecânica quântica

Os génios científicos do século XX resolveram este paradoxo em 1924, graças à mecânica ondulatória de Louis de Broglie (1892-1987), generalizada em 1926 por Erwin Schrödinger (1887-1961), Prémio Nobel da 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 o medir. A teoria matemática descreve um estado não por um par velocidade-posição preciso, mas por uma função de onda (vetor de estado), que permite calcular a probabilidade de encontrar a partícula num ponto. Daí o caráter probabilístico da mecânica quântica, que prevê que as partículas também são ondas e não apenas pontos materiais.

Orbitais e ligações químicas

Os eletrões ocupam orbitais atómicas em interação com o núcleo através da força eletromagnética, enquanto os nucleões são mantidos juntos no interior do núcleo pela ligação nuclear.

A nuvem eletrónica está estratificada em níveis de energia quantificados em torno do núcleo, definindo camadas e subcamadas eletrónicas. Os nucleões também se distribuem em camadas nucleares, embora um modelo bastante cómodo popularize a estrutura nuclear baseada no modelo da gota líquida.

Vários átomos podem estabelecer ligações químicas entre si através dos seus eletrões e, em geral, as propriedades químicas dos átomos são determinadas pela sua configuração eletrónica, que decorre do número de protões do seu núcleo. Este número, chamado número atómico, define um elemento químico.

Átomos de ouro visíveis

Observação de átomos de ouro por microscópio de efeito túnel

No limite 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 sobre a estrutura cristalina do ouro. Esta imagem atómica foi obtida com um STM Omicron de baixa temperatura por Erwin Rossen, Eindhoven University of Technology, em 2006.

O feito histórico da IBM: escrever com átomos

Ver átomos é uma coisa; movê-los um a um é outra. Foi o que demonstraram os físicos Donald Eigler e Erhard Schweizer do centro de investigação IBM Almaden na Califórnia, em novembro de 1989. Utilizando a ponta de um microscópio de efeito túnel como uma pinça atómica, moveram um a um 35 átomos de xenónio sobre uma superfície de níquel arrefecida a 4 kelvin (ou seja, -269 °C) para formar as três letras "IBM". A operação, minuciosa, durou cerca de 22 horas. O logótipo obtido media apenas 5 nanómetros de altura por 17 nanómetros de largura — cerca de 500.000 vezes mais pequeno do que letras impressas normais. Publicada em 1990 na revista Nature, esta imagem tornou-se emblemática do nascimento da nanociência: provava que o microscópio de efeito túnel não servia apenas para observar átomos, mas também para os manipular e construir, literalmente, com a matéria mais elementar que existe. Esta técnica de manipulação átomo a átomo continua hoje a ser uma ferramenta de laboratório e não um processo de fabrico industrial, pois as condições exigidas (vácuo elevado, temperatura próxima do zero absoluto) são demasiado restritivas para a produção em massa.

Para além do STM: microscopia de força atómica e avanços recentes

O microscópio de efeito túnel (STM) tem uma limitação: exige uma superfície condutora, porque mede uma corrente de eletrões que "tunelizam" entre a ponta e a amostra. Para estudar materiais isolantes ou moléculas individuais, os investigadores utilizam uma técnica complementar desenvolvida em 1986: a microscopia de força atómica (AFM), que mede não uma corrente, mas a força de interação entre uma ponta ultrafina e os átomos da superfície, permitindo sondar praticamente qualquer material.

Desde meados da década de 2010, estas técnicas deram um salto em frente. Em 2023, uma equipa de investigação utilizou a AFM para observar diretamente a assinatura de orbitais eletrónicas de átomos metálicos individuais em moléculas orgânicas, um feito que confirma, à escala de um único átomo, as formas previstas durante um século pela equação de Schrödinger. No mesmo ano, outra equipa desenvolveu uma técnica baseada na microscopia eletrónica de transmissão de varrimento (STEM) capaz de mapear a densidade eletrónica à escala atómica em materiais bidimensionais. Estas medições continuam a ser indiretas — não "fotografamos" um eletrão como um objeto vulgar — mas aproximam cada vez mais a física quântica teórica da observação direta.

Tamanho dos átomos

Raios atómicos dos elementos

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