Desde o início dos tempos, os seres humanos têm procurado entender do que o universo e tudo dentro dele são feitos. E enquanto os magos e filósofos antigos conceberam um mundo composto de quatro ou cinco elementos - terra, ar, água, fogo (e metal ou consciência) - pela antiguidade clássica, os filósofos começaram a teorizar que toda a matéria era realmente composta de minúsculos, átomos invisíveis e indivisíveis.
Desde então, os cientistas se envolvem em um processo de descoberta contínua com o átomo, na esperança de descobrir sua verdadeira natureza e composição. No século 20, nosso entendimento tornou-se refinado a ponto de conseguirmos construir um modelo preciso dele. E, na década passada, nosso entendimento avançou ainda mais, a ponto de chegarmos a confirmar a existência de quase todas as suas partes teorizadas.
Hoje, a pesquisa atômica está focada no estudo da estrutura e da função da matéria no nível subatômico. Isso não apenas consiste em identificar todas as partículas subatômicas que se pensa formar um átomo, mas também em investigar as forças que as governam. Isso inclui forças nucleares fortes, forças nucleares fracas, eletromagnetismo e gravidade. Aqui está um resumo de tudo o que aprendemos sobre o átomo até agora ...
Estrutura do átomo:
Nosso modelo atual do átomo pode ser dividido em três partes constituintes - prótons, nêutrons e elétrons. Cada uma dessas partes tem uma carga associada, com prótons carregando uma carga positiva, elétrons tendo uma carga negativa e nêutrons sem carga líquida. De acordo com o Modelo Padrão da física de partículas, prótons e nêutrons compõem o núcleo do átomo, enquanto os elétrons o orbitam em uma "nuvem".
Os elétrons em um átomo são atraídos para os prótons no núcleo pela força eletromagnética. Os elétrons podem escapar de sua órbita, mas apenas em resposta a uma fonte externa de energia sendo aplicada. Quanto mais próxima a órbita do elétron do núcleo, maior a força atrativa; portanto, quanto maior a força externa necessária para fazer com que um elétron escape.
Os elétrons orbitam o núcleo em várias órbitas, cada uma das quais corresponde a um nível de energia específico do elétron. O elétron pode mudar seu estado para um nível de energia mais alto absorvendo um fóton com energia suficiente para impulsioná-lo ao novo estado quântico. Da mesma forma, um elétron em um estado de energia mais alto pode cair para um estado de energia mais baixo enquanto irradia o excesso de energia como um fóton.
Os átomos são eletricamente neutros se tiverem um número igual de prótons e elétrons. Átomos que têm déficit ou excesso de elétrons são chamados íons. Os elétrons que estão mais distantes do núcleo podem ser transferidos para outros átomos próximos ou compartilhados entre os átomos. Por esse mecanismo, os átomos são capazes de se ligar a moléculas e outros tipos de compostos químicos.
Todas essas três partículas subatômicas são Fermions, uma classe de partícula associada à matéria de natureza elementar (elétrons) ou composta (prótons e nêutrons) na natureza. Isso significa que os elétrons não têm estrutura interna conhecida, enquanto os prótons e nêutrons são compostos de outras partículas subatômicas. chamado quarks. Existem dois tipos de quarks em átomos, que possuem uma carga elétrica fracionária.
Os prótons são compostos por dois quarks "up" (cada um com uma carga de +2/3) e um quark "down" (-1/3), enquanto os nêutrons consistem em um quark up e dois quarks down. Essa distinção é responsável pela diferença de carga entre as duas partículas, que resulta em uma carga de +1 e 0, respectivamente, enquanto os elétrons têm uma carga de -1.
Outras partículas subatômicas incluem Leptons, que se combinam com Fermions para formar os blocos de construção da matéria. Existem seis leptões no presente modelo atômico: as partículas de elétrons, múons e tau e seus neutrinos associados. As diferentes variedades de partículas de Lepton, comumente chamadas de “sabores”, são diferenciadas por seus tamanhos e cargas, o que afeta o nível de suas interações eletromagnéticas.
Depois, existem os bósons de bitola, conhecidos como "portadores de força", porque mediam forças físicas. Por exemplo, os glúons são responsáveis pela forte força nuclear que mantém os quarks unidos, enquanto os bósons W e Z (ainda hipotéticos) são considerados responsáveis pela fraca força nuclear por trás do eletromagnetismo. Os fótons são a partícula elementar que compõe a luz, enquanto o bóson de Higgs é responsável por fornecer massa aos bósons W e Z.
Massa atômica:
A maioria da massa de um átomo vem dos prótons e nêutrons que compõem seu núcleo. Os elétrons são as partículas maciças menos massivas de um átomo, com uma massa de 9,11 x 10-31 kg e tamanho pequeno demais para ser medido pelas técnicas atuais. Os prótons têm uma massa que é 1.836 vezes a do elétron, a 1,6726 × 10-27 kg, enquanto os nêutrons são os mais massivos dos três, com 1,6929 × 10-27 kg (1.839 vezes a massa do elétron).
O número total de prótons e nêutrons no núcleo de um átomo (chamado "núcleo") é chamado número de massa. Por exemplo, o elemento Carbon-12 é assim chamado porque tem um número de massa de 12 - derivado de seus 12 núcleons (seis prótons e seis nêutrons). No entanto, os elementos também são organizados com base em seus números atômicos, que é o mesmo que o número de prótons encontrados no núcleo. Nesse caso, o carbono tem um número atômico 6.
A massa real de um átomo em repouso é muito difícil de medir, pois mesmo os átomos mais massivos são leves demais para serem expressos em unidades convencionais. Como tal, os cientistas costumam usar a unidade de massa atômica unificada (u) - também chamada dalton (Da) - que é definida como um décimo segundo da massa de um átomo neutro livre de carbono-12, que é aproximadamente 1,66 × 10-27 kg.
Os químicos também usam moles, uma unidade definida como uma mole de qualquer elemento sempre com o mesmo número de átomos (cerca de 6,022 × 1023) Esse número foi escolhido para que, se um elemento tiver uma massa atômica de 1 u, uma toupeira de átomos desse elemento tenha uma massa próxima a um grama. Devido à definição da unidade de massa atômica unificada, cada átomo de carbono-12 tem uma massa atômica de exatamente 12 u, e assim uma mole de átomos de carbono-12 pesa exatamente 0,012 kg.
Decaimento radioativo:
Quaisquer dois átomos que tenham o mesmo número de prótons pertencem ao mesmo elemento químico. Mas átomos com um número igual de prótons podem ter um número diferente de nêutrons, que são definidos como sendo isótopos diferentes do mesmo elemento. Esses isótopos geralmente são instáveis e todos aqueles com um número atômico maior que 82 são conhecidos por serem radioativos.
Quando um elemento sofre decaimento, seu núcleo perde energia emitindo radiação - que pode consistir em partículas alfa (átomos de hélio), partículas beta (pósitrons), raios gama (energia eletromagnética de alta frequência) e elétrons de conversão. A taxa na qual um elemento instável decai é conhecida como sua "meia-vida", que é a quantidade de tempo necessária para que o elemento caia para metade do seu valor inicial.
A estabilidade de um isótopo é afetada pela proporção de prótons e nêutrons. Dos 339 tipos diferentes de elementos que ocorrem naturalmente na Terra, 254 (cerca de 75%) foram rotulados como "isótopos estáveis" - isto é, não sujeitos a decadência. Outros 34 elementos radioativos têm meia-vida por mais de 80 milhões de anos e também existem desde o início do Sistema Solar (daí o fato de serem chamados de "elementos primordiais").
Por fim, sabe-se que 51 elementos adicionais de vida curta ocorrem naturalmente, como "elementos filhos" (isto é, subprodutos nucleares) da decomposição de outros elementos (como o rádio do urânio). Além disso, elementos radioativos de vida curta podem ser o resultado de processos energéticos naturais na Terra, como o bombardeio de raios cósmicos (por exemplo, carbono-14, que ocorre em nossa atmosfera).
História do Estudo:
Os primeiros exemplos conhecidos da teoria atômica vêm da Grécia antiga e da Índia, onde filósofos como Demócrito postularam que toda a matéria era composta de unidades minúsculas, indivisíveis e indestrutíveis. O termo "átomo" foi cunhado na Grécia antiga e deu origem à escola de pensamento conhecida como "atomismo". No entanto, essa teoria era mais um conceito filosófico do que científico.
Não foi até o século XIX que a teoria dos átomos se articulou como uma questão científica, com os primeiros experimentos baseados em evidências sendo conduzidos. Por exemplo, no início dos anos 1800, o cientista inglês John Dalton usou o conceito de átomo para explicar por que elementos químicos reagiram de certas maneiras observáveis e previsíveis.
Dalton começou com a questão de por que os elementos reagiram em proporções de pequenos números inteiros e concluiu que essas reações ocorreram em múltiplos de números inteiros de unidades discretas - em outras palavras, átomos. Por meio de uma série de experimentos envolvendo gases, Dalton desenvolveu o que é conhecido como Teoria Atômica de Dalton, que continua sendo uma das pedras angulares da física e da química modernas.
A teoria se resume a cinco premissas: os elementos, em seu estado mais puro, consistem em partículas chamadas átomos; os átomos de um elemento específico são todos iguais, até o último átomo; átomos de diferentes elementos podem ser diferenciados por seus pesos atômicos; átomos de elementos se unem para formar compostos químicos; átomos não podem ser criados ou destruídos em reação química, apenas o agrupamento muda.
No final do século 19, os cientistas começaram a teorizar que o átomo era constituído por mais de uma unidade fundamental. No entanto, a maioria dos cientistas aventurou-se que essa unidade seria do tamanho do menor átomo conhecido - o hidrogênio. E então, em 1897, através de uma série de experiências usando raios catódicos, o físico J.J. Thompson anunciou que havia descoberto uma unidade 1000 vezes menor e 1800 vezes mais leve que um átomo de hidrogênio.
Suas experiências também mostraram que eram idênticas às partículas emitidas pelo efeito fotoelétrico e pelos materiais radioativos. Experimentos subsequentes revelaram que essa partícula carregava corrente elétrica através de fios de metal e cargas elétricas negativas dentro dos átomos. Por isso, a partícula - originalmente denominada "corpúsculo" - foi posteriormente alterada para "elétron", após a partícula prevista por George Johnstone Stoney em 1874.
No entanto, Thomson também postulou que os elétrons estavam distribuídos por todo o átomo, que era um mar uniforme de carga positiva. Isso ficou conhecido como o “modelo de pudim de ameixa”, que mais tarde se provaria errado. Isso ocorreu em 1909, quando os físicos Hans Gieger e Ernest Marsden (sob a direção de Ernest Rutherfod) conduziram seu experimento usando folhas de metal e partículas alfa.
Consistente com o modelo atômico de Dalton, eles acreditavam que as partículas alfa passariam diretamente através da folha com pouca deflexão. No entanto, muitas das partículas foram desviadas em ângulos superiores a 90 °. Para explicar isso, Rutherford propôs que a carga positiva do átomo estivesse concentrada em um pequeno núcleo no centro.
Em 1913, o físico Niels Bohr propôs um modelo em que os elétrons orbitavam no núcleo, mas só o podiam em um conjunto finito de órbitas. Ele também propôs que os elétrons pudessem pular entre órbitas, mas apenas em discretas mudanças de energia correspondentes à absorção ou radiação de um fóton. Isso não apenas refinou o modelo proposto por Rutherford, mas também deu origem ao conceito de um átomo quantizado, onde a matéria se comportava em pacotes discretos.
O desenvolvimento do espectrômetro de massa - que usa um ímã para dobrar a trajetória de um feixe de íons - permitiu que a massa de átomos fosse medida com maior precisão. O químico Francis William Aston usou este instrumento para mostrar que os isótopos tinham massas diferentes. Por sua vez, foi seguido pelo físico James Chadwick, que em 1932 propôs o nêutron como uma maneira de explicar a existência de isótopos.
Durante o início do século XX, a natureza quântica dos átomos foi desenvolvida ainda mais. Em 1922, os físicos alemães Otto Stern e Walther Gerlach conduziram um experimento em que um feixe de átomos de prata era direcionado através de um campo magnético, cujo objetivo era dividir o feixe entre a direção do momento angular (ou rotação) dos átomos.
Conhecido como o experimento de Stern-Gerlach, os resultados foram que o feixe se dividiu em duas partes, dependendo de a rotação dos átomos estar ou não orientada para cima ou para baixo. Em 1926, o físico Erwin Schrodinger usou a idéia de partículas se comportando como ondas para desenvolver um modelo matemático que descrevia elétrons como formas de onda tridimensionais em vez de meras partículas.
Uma conseqüência do uso de formas de onda para descrever partículas é que é matematicamente impossível obter valores precisos para a posição e o momento de uma partícula a qualquer momento. Nesse mesmo ano, Werner Heisenberg formulou esse problema e o chamou de "princípio da incerteza". Segundo Heisenberg, para uma determinada medida precisa da posição, só é possível obter uma faixa de valores prováveis para o momento e vice-versa.
Na década de 1930, os físicos descobriram a fissão nuclear, graças às experiências de Otto Hahn, Lise Meitner e Otto Frisch. As experiências de Hahn envolveram direcionar nêutrons para átomos de urânio na esperança de criar um elemento de transurânio. Em vez disso, o processo transformou sua amostra de urânio-92 (Ur92) em dois novos elementos - bário (B56) e criptônio (Kr27).
Meitner e Frisch verificaram o experimento e o atribuíram aos átomos de urânio se dividindo para formar dois elementos com o mesmo peso atômico total, um processo que também liberou uma quantidade considerável de energia quebrando as ligações atômicas. Nos anos que se seguiram, começaram as pesquisas sobre a possível armamento desse processo (ou seja, armas nucleares) e levaram à construção das primeiras bombas atômicas nos EUA em 1945.
Na década de 1950, o desenvolvimento de aceleradores e detectores de partículas aprimorados permitiu que os cientistas estudassem os impactos dos átomos que se movem com altas energias. A partir disso, foi desenvolvido o Modelo Padrão da física de partículas, que até agora explicou com sucesso as propriedades do núcleo, a existência de partículas subatômicas teorizadas e as forças que governam suas interações.
Experiências modernas:
Desde a segunda metade do século XX, muitas descobertas novas e empolgantes foram feitas com relação à teoria atômica e à mecânica quântica. Por exemplo, em 2012, a longa busca pelo Bóson de Higgs levou a uma descoberta em que pesquisadores que trabalhavam na Organização Européia de Pesquisa Nuclear (CERN) na Suíça anunciaram sua descoberta.
Nas últimas décadas, uma grande quantidade de tempo e energia foi dedicada pelos físicos ao desenvolvimento de uma teoria de campo unificado (também conhecida como Teoria da Grande Unificação ou Teoria de Tudo). Em essência, desde que o Modelo Padrão foi proposto pela primeira vez, os cientistas procuraram entender como as quatro forças fundamentais do universo (gravidade, forças nucleares fortes e fracas e eletromagnetismo) trabalham juntas.
Enquanto a gravidade pode ser entendida usando as teorias de relatividade de Einstein, e as forças nucleares e o eletromagnetismo podem ser entendidos usando a teoria quântica, nenhuma teoria pode explicar as quatro forças trabalhando juntas. Tentativas para resolver isso levaram a várias teorias propostas ao longo dos anos, variando da Teoria das Cordas à Gravidade Quântica em Loop. Até o momento, nenhuma dessas teorias levou a um avanço.
Nosso entendimento do átomo percorreu um longo caminho, desde modelos clássicos que o viam como um sólido inerte que interagia mecanicamente com outros átomos, até teorias modernas em que os átomos são compostos de partículas energéticas que se comportam de maneira imprevisível. Embora tenha levado vários milhares de anos, nosso conhecimento da estrutura fundamental de toda a matéria avançou consideravelmente.
E, no entanto, ainda existem muitos mistérios que ainda precisam ser resolvidos. Com tempo e esforços contínuos, podemos finalmente desvendar os últimos segredos restantes do átomo. Por outro lado, pode muito bem ser que qualquer nova descoberta que façamos apenas dê origem a mais perguntas - e elas podem ser ainda mais confusas do que as que vieram antes!
Escrevemos muitos artigos sobre o átomo para a Space Magazine. Aqui está um artigo sobre o modelo atômico de John Dalton, o modelo atômico de Neils Bohr, Quem era Demócrito? E quantos átomos existem no universo?
Se você quiser obter mais informações sobre o átomo, consulte o Artigo da NASA sobre análise de pequenas amostras, e aqui está um link para o Artigo da NASA sobre átomos, elementos e isótopos.
Também gravamos um episódio inteiro do Astronomy Cast, tudo sobre o Atom. Ouça aqui, Episódio 164: Inside the Atom, Episódio 263: Decaimento Radioativo e Episódio 394: O Modelo Padrão, Bósons.
