Átomo

Estrutura atômica

Tudo o que vemos é composta de átomos, muitos átomos. Este é observando os menores constituintes da matéria que os cientistas foram capazes de explicar, no século XX, o funcionamento de todo o universo. Um átomo é constituído por um núcleo em torno do qual se move um ou mais electrões. O que caracteriza o núcleo é o seu número de prótons (Z) variando de 1 a 110, é ele que determina o elemento, exemplo o ferro (FE26) tem 26 prótons, 26 é o número atômico. O número de neutrões (N) variando entre 0 e 160, ele caracteriza os isótopos do elemento, por exemplo, hidrogénio (H1) tem um protão e nenhum neutrões, o deutério (H2) tem um protão e um neutrão, O trítio (H3) tem um próton e dois nêutrons. Estas três formas de hidrogênio tem apenas um elétron, uma vez que existe apenas uma carga elétrica, o único próton. Note que é só no caso do hidrogênio que é dado um nome diferente aos isótopos do elemento, em todos os outros casos, se indica somente o número de núcleos, assim, podemos encontrar o número nêutrons. Por exemplo, o ferro (FE26) tem vários isótopos Fe56, entendemos que Fe56 tem 30 nêutrons, Fe57 tem 31 nêutrons, Fe58 32 nêutrons, o número de nêutrons diferencia bem os isótopos.
No átomo estes são os electrões que dão sua consistência à matéria, no entanto, é muito leve, a sua massa é de cerca de 10^-27 gramas, o protão é 2000 vezes mais pesado e concentra o essencial da massa do átomo (99,99%). Para os átomos estáveis​​, a massa está entre 1,674 × 10^-24 g para hidrogênio e 3,953 × 10^-22 g para urânio. Desde 1811, sabemos também o tamanho aproximado de um átomo, Amedeo Avogadro (1776-1856) estimou o tamanho de átomos de 10^-10 metros, ou seja um pouco mais de 10 milionésimos de milímetro.

Em 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) descobriu o núcleo atômico e especifica a estrutura do átomo, bombardeando folha de ouro com partículas do decaimento radioativo do urânio. Ele dá um tamanho ao núcleo atômico da ordem de 10^-14 metros. Há pouco mais de uma centena de átomos diferentes, estes são os elementos como hidrogênio, carbono, oxigênio ou ferro. O físico da Nova Zelândia teve a idéia de uma representação do núcleo atômico. Rutherford representa cada átomo como um sistema solar mini, ao centro o núcleo eos elétrons orbitam como os planetas. O núcleo em si é representado como dos grãos de amoras-silvestres (foto aqui contra). Esta representação pictórica é falsa, mas tem duas vantagens, ele diferencia claramente as duas partículas, o próton eo nêutron e entendemos que o núcleo é muito compacto, é circunscrita dentro de um volume definido. Mas desde o advento da mecânica quântica na década de 1920, a imagem do núcleo é preocupante, o núcleo não é mais um sistema de bolas associados juntos. O núcleo é regido pela mecânica quântica, em outras palavras, se não existe que se é observável mas observar os prótons e nêutrons dentro do núcleo como estão na foto, é não é possível porque iria iluminar as partículas com uma luz tão intensa que o núcleo desintegrar-se-ia imediatamente. Esta representação de grãos de amoras-silvestres cobre o conceito quântico da matéria. É o mesmo para o electrão, não representa mais o electrão como uma partícula que gira sobre uma órbita muito regular em torno do núcleo. O elétron é uma onda e uma partícula, a dualidade onda-partícula é a base da mecânica quântica. Na mecânica quântica, o elétron não segue um caminho único, ele está localizado em uma região ao redor do núcleo que chamamos a nuvem elétronica ou orbital atômico.

Imagem: Representação dos núcleos atómicos sob a forma de grãos de amoras-silvestres, tem duas vantagens, ele diferencia claramente as duas partículas, o próton eo nêutron e entendemos que o núcleo é muito compacto, é circunscrita dentro de um volume definido. Todos os núcleos e todos os isótopos têm entre 1 e 110 prótons e entre 0 e 160 nêutrons. No entanto, essa representação é falsa porque ela esconde o conceito quântico. Desde a década de 1920, o núcleo não é mais um sistema de bolas associados em conjunto, é um sistema quântico muito mais preocupante.

Nuvem elétronica ou orbital atômico

Desde 1924, toda a matéria está associada a uma onda é a hipótese de Louis de Broglie (1.892-1.987). Com essa hipótese, ele generaliza a todas as partículas de matéria, a dualidade onda-partícula introduzida para a luz por Max Planck (1858-1947), no início do século 20. Todas as partículas subatómicas, por conseguinte, têm um comprimento de onda. O comprimento de onda λ de uma partícula subatômica e sua quantidade de movimento p estão relacionadas pela equação: λ=h/p, onde h é a constante de Planck, p a quantidade de movimento ie o produto da massa pelo vector de velocidade (p = mv). Sabe-se, graças à famosa fórmula de Einstein de que toda a matéria tem uma energia associada (E=mc2). Em outras palavras, mais o comprimento de onda é pequeno, mais a energia é alta (E = h / λ). Esta energia vai mudar a forma dos átomos. Depois os fundamentos da mecânica quântica são posadas.
Em suma, a matéria é composta de partículas realmente muito pequenas, os férmions (elétrons, neutrinos, quarks) possuem uma massa, uma carga, uma energia, uma dimensão, uma onda, um spin. Mas o que essas partículas parecem no mundo do infinitamente pequeno?
Em 2013, nós ainda não podemos ver as partículas do núcleo atômico, mas apenas a camada externa do átomo, ou seja, a nuvem de elétrons. A nuvem de elétrons ocupa toda a extensão espacial do átomo, pois é cerca de 10 000 vezes maior que seu núcleo. Na mecânica quântica ondulatória, uma partícula é representada por uma função de onda, mas é muito difícil de representar-se o conceito fundamental da mecânica quântica ou estado quântico de um sistema. Em 1927, Max Born (1882-1970) deu uma interpretação da função de onda onde o quadrado da função de onda representa a probabilidade quando você faz uma medição, de encontrar a partícula em um local específico. Uma função de onda é uma amplitude de probabilidade ou uma densidade de probabilidade de presença do sistema em uma posição dada, em um instante dado. Esta função tem um valor complexo. Se um número real ou um valor real é, por exemplo, o comprimento de um segmento de linha recta, um valor complexo é representado por um vector de um plano, este vector possui não apenas um comprimento no espaço, mas também uma fase que corresponde à direção do vector.

Se já nós representamo-nos não o elétron como uma partícula em uma órbita regular em torno de um núcleo, como podemos fazer-se uma imagem?
Bem, aqui, o elétron não segue um único caminho ao redor do núcleo, ele está em algum lugar em uma vasta região que é chamada a nuvem de elétrons, ou orbital atômico. O estado de um electrão é representado por este volume do espaço em torno do núcleo, em que ela é deslocalizado. O estado fundamental do hidrogênio é cerca de um angstrom é 10^-10 metros. Para representar-se o elétron na região apenas imaginar um grão de arroz de cerca de 5 mm a mover-se em uma esfera de cerca de 50 metros de diâmetro. Além disso, a forma desta região do espaço atômico depende da energia do elétron e seu momento angular é o que vemos na imagem contra. Assim, as orbitais do elétron podem assumir várias formas características, dependendo da natureza do átomo, por exemplo, a orbital do átomo de hidrogénio na primeira linha na parte superior tem uma forma esférica, a orbital na segunda linha tem a forma de duas gotas de água, a orbital na terceira linha tem a forma de quatro gotas de água. Em resumo, a orbital corresponde à região do espaço onde o elétron é deslocalizado, o estado do elétron é uma superposição de todas as posições possíveis dentro do orbital atômico cuja forma varia. A forma da orbital muda quando o átomo tem excitado, tal como na primeira linha. Se excita ainda mais o átomo, a forma da orbital muda novamente como a segunda fila ou camada electrónica. Em um estado muito excitado chamado "estado de Rydberg", os elétrons são deslocalizados em um toro de "muito grande raio", que pode medir até 1000 angstroms, o número quântico principal n (número da camada) é muito elevada entre 50 e 100.

N.B.: um electrão atraído pela carga positiva do núcleo, não podem "colar ao núcleo" porque isto significaria que a extensão espacial de sua função de onda é reduzida a um ponto. A equação de Schrödinger diz que um electrão na periferia do núcleo está localizado em uma orbital à geometria determinada pelos números quânticos que satisfazem esta equação. Em suma, um electrão é confinado na periferia do núcleo por o poço de potencial electrostático. Quando a energia potencial está aumentando, dizemos que a partícula se move em um poço de potencial.

Imagem: Representação dos primeiros orbitais eletrônicos do átomo de hidrogênio em função da energia do elétron e de seu momento angular, o nível de energia aumenta de cima para baixo (n = 1, 2, 3) e o momento cinético aumenta de esquerda à direita, (i = s, p, d, f, g). Esta imagem mostra a densidade de probabilidade de encontrar o elétron, a cor preta representa a densidade 0, ou seja, a área onde o elétron nunca vai aventura-se. A cor branca representa a densidade máxima, ou seja, a área onde o electrão passa na maioria das vezes. Entre negros e brancos na zona vermelho-alaranjado, a densidade de probabilidade aumenta. Os números quânticos são representados por letras, n é o número quântico principal, que define o nível de energia do elétron. I é o número quântico orbital, ou secundária, uma vez que define as camadas eletrônicas, s (sharp) para l = 0, p (principal) para l = 1, d (difuso) para l = 2, f (Fundamental) para = 3 e, em seguida (para os estados excitados) g, h, i,... o número quântico m é o número quântico magnético ou terciário.
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