Tamanho dos atomos

Veja um átomo de cerca de 1 angstrom

O termo átomo tem origem no grego (atomos, "indivisível"), é a menor partículas de um elemento químico, que é composto de um núcleo em torno do qual se movem um certo número de electrões, 1 para o átomo de hidrogénio, 6 para o carbono, 26 para o ferro, 92 para o urânio, etc.
Estas 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 Mendeleyev que classifica todos os elementos químicos naturais e artificiais ordenados por número atômico (número de prótons) crescendo e organizados de acordo com sua configuração eletrônica.
O mundo dos electrões pertence ao mundo quântico dos átomos, ou seja, ao mundo microscópico. Entre o átomo do mundo microscópico e o mundo macroscópico, existe um número muito grande de grandezas. Em um grama de material, tais como o carbono 12, há ≈10²² átomos.
Sabemos o tamanho aproximado dos átomos desde 1811, Amedeo Avogadro (1776-1856) estimou seu tamanho para 1 angstrom, ou seja, 10^-10 m, e um século mais tarde, em 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) precisa a estrutura do átomo e dá umo tamanho ao núcleo atómico da ordem de 10^-14 metros. Pode-se dizer que os átomos estão separadas uns aos outros de alguns angstroms.
Mas desde o advento da mecânica quântica na década de 1920, não representa-se o elétron como um objeto rodando em uma órbita muito regular ao redor do núcleo, como em um modelo global. Sabemos agora que o movimento de um elétron é bastante diferente do movimento planetário. Na mecânica quântica, o elétron não segue um único caminho, é aqui e ali, em uma região ao redor do núcleo que é chamado a nuvem atômica ou orbital eletrônico.
Os orbitais do elétron pode assumir diferentes formas características, dependendo da natureza do átomo, por exemplo, o orbital do átomo de hidrogénio tem uma forma esférica, o orbital do átomo de oxigénio tem a forma de duas gotas de água, o orbital do átomo de ferro está na forma de quatro gotas de água. Esta forma do orbital atómico define o tamanho do átomo.
Assim, o diâmetro da nuvem de electrões em torno do núcleo, isto é, o diâmetro de todo o átomo é da ordem de 0,1 nanómetro ou 10^-10 metro. Um átomo é tão pequeno, que pode alinhar 10 milhões de átomos sobre um milímetro. No entanto, a nuvem de electrões de um átomo não tem uma dimensão bem definida, porque é uma sobreposição de orbitais atómicas por natureza probabilística (variam). Por conseguinte, não existe, nenhuma definição unica, ou nenhuma medida precisa do tamanho dos átomos porque a forma desta região do espaço atómico depende da energia do elétron e do momento angular.

 Mas para ter uma idéia do tamanho do átomo, os cientistas têm definido um raio atômico teórica. Um raio atómico teórico é metade da distância média entre os núcleos dos átomos ligados entre os mesmos. Embora esta distância varia, dependendo das propriedades do átomo, que pode ser calculado para cada núcleo, o tamanho dos orbitais atómicos (ver tabela). O tamanho dos átomos aumenta dependendo do número de electrões ou em vez de acordo da ocupação dos orbitais atómicos dos electrões da camada exteriores que se encontra menos ligado ao núcleo, que as camadas interiores.
Mais há camadas (níveis de energia quântica) no átomo e mais a camada exterior é expandida, isto é, a sobreposição dos orbitais atómicos aumenta o tamanho de átomos porque a camada externa é cada vez menos relacionada com o núcleo e por conseguinte, mais livre.
No entanto, mais há elétrons nas camadas internas, e mais a atração do núcleo atômico é crescente porque há cada vez mais prótons e portanto, cargas positivas. Esta propriedade (número de prótons) limita a extensão espacial dos orbitais atômicos carregados negativamente (cargas negativas dos elétrons), aproximando-os do núcleo.

Tableau : rayon atomique théorique (calculé) de certains atomes, la taille est donnée en picomètres (10^-12 mètre). Le rayon atomique est la moitié de la distance qui sépare les noyaux de deux atomes contigus. Les valeurs indiquées dans ce tableau ne sont qu'indicatives.

Imagem: Desde a década de 1990 por meio de microscópio de corrente de tunelamento, é possível visualizar e manipular átomos individualmente na superfície de um material. Isto permite realizar pequenas estruturas atômicas que são a base da nanotecnologia. Para atingir este tipo de imagem, a ponta muito fina de microscópio de corrente de tunelamento varre a superfície do material a uma altitude de poucos nanómetros emitindo uma tensão constante. Passando por cima dos orbitais atômicos, é capaz de registrar as variações ínfimas da corrente túnel que irá fluir para a superfície. Na superfície do material, um pequeno fluxo de electrões capazes de atravessar a barreira de potencial por "efeito de túnel" um fenómeno bem conhecido da mecânica quântica. Esta corrente eléctrica é depois medida por o microscópio de corrente de tunelamento e a ponta reproduz fielmente a topografia da superfície com uma resolução da ordem de 0,1 nanômetro ou um angstrom, isto é, o tamanho do átomo. Assim, podemos ver hoje, este mundo quântico misterioso dentro do qual evoluem todas as partículas de matéria e representar-se a estrutura de cristal dos elementos químicos no infinitamente pequeno. crédito de imagem : STM Image Gallery Blue Nickel.

A menor película do mundo

Desde a década de 1990 por meio de microscópio de corrente de tunelamento é possível de ver e manipular átomos individuais na superfície de um material.
Esta película foi feita pela IBM, com átomos de ferro sobre uma placa de cobre, esta é a pequena película no mundo.
Nesta nano película cada ponto de luz é um átomo, que ocupa 12 pixels na tela. As pequenas ondas que criam oscilações em torno de pontos brilhantes não são um defeito do filme, mas as ondas de elétrons. Essas oscilações de Friedel não são uma raridade, mas traem a natureza quântica de átomos, de cada vez partículas e ondas. A forma destas oscilações de electrões é uma verdadeira ID dos electrões.
Este filme, à escala nanométrica, mede 52 por 32 átomos de ferro, ou seja, ≈8 nanômetros no ≈5 nanômetros. Em um comprimento de 1 mm poderá alinhar 10 000 filmes deste tamanho.
Cada imagem é produzida com a ponta de um microscópio de corrente de tunelamento, à unos poucos graus do zero absoluto, é também a película mais fria do mundo.

N.B.: Jacques Friedel (1921 - 2014) foi um físico francês, professor emérito da Universidade Paris Sud Orsay, especialista em física teórica estado sólido. Ele foi presidente da Academia de Ciências para o período 1993-1994.