Tamanho dos Átomos

Descrição da imagem: Desde a década de 1990, graças ao Microscópio de Efeito Túnel, tem sido possível ver e manipular individualmente os átomos na superfície de um material. Para realizar este tipo de imagem, a ponta muito fina do microscópio varre a superfície do material, a alguns nanômetros de altura, emitindo uma tensão elétrica constante. Ao passar sobre as orbitais atômicas, ele é capaz de registrar variações mínimas da corrente de túnel que circula na superfície. Na superfície do material, apenas um pequeno fluxo de elétrons consegue atravessar a barreira de potencial por efeito túnel, um fenômeno bem conhecido da mecânica quântica. Esta corrente elétrica é então medida pelo microscópio, que reproduz fielmente a topografia da superfície, com uma resolução da ordem de 0,1 nanômetros ou 1 angstrom, ou seja, o tamanho do átomo. Crédito da imagem: STM Image Gallery Blue Nickel.

Ver um Átomo!

O átomo é a partícula mais pequena de um elemento químico; é constituído por um núcleo ao redor do qual se movem um certo número de elétrons, 1 para o hidrogênio, 6 para o carbono, 26 para o ferro, 92 para o urânio, etc.

São as interações elétron-elétron devido às suas propriedades quânticas surpreendentes que dão origem à grande diversidade de elementos que encontramos na natureza. A organização dos elementos da natureza é representada pela tabela periódica dos elementos ou tabela de Mendeleiev, que classifica todos os elementos químicos naturais e artificiais, ordenados por número atômico (número de prótons) crescente e organizados de acordo com sua configuração eletrônica.

O mundo dos elétrons pertence ao mundo quântico dos átomos, ou seja, ao mundo microscópico. Em 1 grama de matéria como o carbono 12, há ≈10²² átomos. Conhecemos o tamanho aproximado dos átomos desde 1811. Amedeo Avogadro (1776-1856) estimou esse tamanho em 1 angstrom, ou seja, 10^-10 metros, e um século depois, em 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) especificou a estrutura do átomo e deu um tamanho ao núcleo atômico da ordem de 10^-14 metros. Pode-se dizer que os átomos estão separados uns dos outros por alguns angstroms.

Nuvens Eletrônicas

Desde o advento da mecânica quântica na década de 1920, o elétron não é mais representado como um objeto que gira em uma órbita regular ao redor do núcleo. Sabemos hoje que o movimento de um elétron é muito diferente do movimento dos planetas. Na mecânica quântica, o elétron não segue uma única trajetória; ele está aqui e ali, em uma região ao redor do núcleo que chamamos de nuvem eletrônica ou orbital atômica.

As orbitais do elétron podem assumir diferentes formas características dependendo da natureza do átomo. Por exemplo, a orbital do átomo de hidrogênio tem uma forma esférica, a orbital do átomo de oxigênio tem a forma de duas gotas de água, a orbital do átomo de ferro tem a forma de quatro gotas de água. Essa forma da orbital atômica define o tamanho do átomo. O diâmetro da nuvem eletrônica ao redor do núcleo, ou seja, o diâmetro de todo o átomo, é da ordem de 0,1 nanômetros ou um décimo de bilionésimo de metro. Um átomo é tão pequeno que se poderia alinhar 10 milhões de átomos em um milímetro.

No entanto, a nuvem eletrônica de um átomo não tem uma dimensão bem definida porque é uma superposição de orbitais atômicas de natureza probabilística. Portanto, não existe uma definição única nem uma medição precisa do tamanho dos átomos, porque a forma dessa região do espaço atômico depende da energia do elétron e seu momento angular.

Conceito de Tamanhos dos Átomos

Os cientistas definiram um raio atômico teórico que representa a metade da distância média entre os núcleos de átomos ligados entre si. Embora essa distância varie dependendo das propriedades do átomo, é possível calcular para cada núcleo atômico o tamanho de suas orbitais atômicas.

O tamanho dos átomos aumenta dependendo do número de elétrons ou, mais precisamente, da ocupação das orbitais atômicas dos elétrons na camada externa, que está muito menos ligada ao núcleo do que as camadas internas. Quanto mais camadas (níveis de energia quântica) houver no átomo, mais estendida estará a camada externa; em outras palavras, a superposição de orbitais atômicas aumenta o tamanho dos átomos porque a camada externa está cada vez menos ligada ao núcleo e, portanto, mais livre. No entanto, quanto mais elétrons houver nas camadas internas, maior será a atração do núcleo atômico porque haverá mais e mais prótons e, portanto, cargas positivas. Essa propriedade (número de prótons) limita a extensão espacial das orbitais atômicas carregadas negativamente (cargas negativas dos elétrons), aproximando-as do núcleo.

Tamanhos de alguns raios atômicos teóricos: Hidrogênio 53 picômetros (10^-12 metros), Carbono 57 pm, Oxigênio 48 pm, Cálcio 94 pm, Ferro 156 pm, Cobre 145 pm, etc.

O Filme Mais Pequeno do Mundo

Graças ao microscópio de efeito túnel, é possível ver e manipular individualmente os átomos na superfície de um material. A empresa IBM criou o filme mais pequeno do mundo com átomos de ferro em uma placa de cobre.

Neste nanofilme, cada ponto luminoso é um átomo que ocupa 12 pixels nesta tela. As pequenas ondas sucessivas que criam oscilações ao redor dos pontos luminosos não são um defeito do filme, mas ondas de elétrons. Essas Oscilações de Friedel não são uma esquisitice, mas revelam a natureza quântica dos átomos, tanto partículas quanto ondas. A forma dessas oscilações constitui uma verdadeira carteira de identidade dos elétrons.

O nanofilme mede 52 átomos (ferro) por 32, ou seja, ≈ 8 nanômetros por ≈ 5 nanômetros. Em um comprimento de 1 milímetro, poderíamos alinhar 10.000 filmes desse tamanho. Cada imagem é produzida com a ponta de um microscópio de efeito túnel, a alguns graus do zero absoluto; também é o filme mais frio do mundo.