Átomo

Átomo
Estado fundamental do átomo de hélio
Uma ilustração do átomo de hélio , representando o núcleo (rosa) e a distribuição da nuvem de elétrons (preto). O núcleo (superior direito) no hélio-4 é na realidade esfericamente simétrico e se assemelha muito à nuvem de elétrons, embora para núcleos mais complicados isso nem sempre seja o caso. A barra preta é um angstrom (10 −10  m ou22h  ) .
Classificação
Menor divisão reconhecida de um elemento químico
Propriedades
Faixa de massa1,67 × 10 −27 para4,52 × 10 −25  kg
Carga elétricacarga zero (neutra) ou iônica
Faixa de diâmetro62 pm ( Ele ) a 520 pm ( Cs ) ( página de dados )
ComponentesElétrons e um núcleo compacto de prótons e nêutrons

Átomos são as partículas básicas dos elementos químicos . Um átomo consiste em um núcleo de prótons e geralmente nêutrons , cercado por um enxame eletromagneticamente ligado de elétrons . Os elementos químicos são distinguidos uns dos outros pelo número de prótons que estão em seus átomos. Por exemplo, qualquer átomo que contém 11 prótons é sódio , e qualquer átomo que contém 29 prótons é cobre . Átomos com o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons são chamados de isótopos do mesmo elemento.

Átomos são extremamente pequenos, tipicamente em torno de 100  picômetros de diâmetro. Um fio de cabelo humano tem cerca de um milhão de átomos de carbono de largura. Átomos são menores do que o menor comprimento de onda da luz visível, o que significa que humanos não conseguem ver átomos com microscópios convencionais. Eles são tão pequenos que prever com precisão seu comportamento usando física clássica não é possível devido a efeitos quânticos .

Mais de 99,94% da massa de um átomo está no núcleo. Os prótons têm carga elétrica positiva e os nêutrons não têm carga, então o núcleo é carregado positivamente. Os elétrons são carregados negativamente, e essa carga oposta é o que os liga ao núcleo. Se os números de prótons e elétrons forem iguais, como normalmente são, então o átomo é eletricamente neutro como um todo. Se um átomo tem mais elétrons do que prótons, então ele tem uma carga negativa geral, e é chamado de íon negativo (ou ânion). Por outro lado, se ele tem mais prótons do que elétrons, ele tem uma carga positiva, e é chamado de íon positivo (ou cátion).

Os elétrons de um átomo são atraídos para os prótons em um núcleo atômico pela força eletromagnética . Os prótons e nêutrons no núcleo são atraídos um para o outro pela força nuclear . Essa força é geralmente mais forte do que a força eletromagnética que repele os prótons carregados positivamente um do outro. Sob certas circunstâncias, a força eletromagnética de repulsão se torna mais forte do que a força nuclear. Nesse caso, o núcleo se divide e deixa para trás diferentes elementos . Essa é uma forma de decaimento nuclear .

Átomos podem se ligar a um ou mais outros átomos por ligações químicas para formar compostos químicos como moléculas ou cristais . A capacidade dos átomos de se ligarem e se separarem uns dos outros é responsável pela maioria das mudanças físicas observadas na natureza. Química é a ciência que estuda essas mudanças.

História da teoria atômica

Em filosofia

A ideia básica de que a matéria é composta de pequenas partículas indivisíveis é uma ideia antiga que apareceu em muitas culturas antigas. A palavra átomo é derivada da antiga palavra grega atomos , [a] que significa "indivisível". Mas essa ideia antiga era baseada em raciocínio filosófico em vez de raciocínio científico. A teoria atômica moderna não é baseada nesses conceitos antigos. [1] [2] No início do século XIX, o cientista John Dalton encontrou evidências de que a matéria realmente é composta de unidades discretas e, portanto, aplicou a palavra átomo a essas unidades. [3]

Lei de Dalton das proporções múltiplas

Vários átomos e moléculas de Um Novo Sistema de Filosofia Química (John Dalton 1808).

No início de 1800, John Dalton compilou dados experimentais coletados por ele e outros cientistas e descobriu um padrão agora conhecido como a " lei das proporções múltiplas ". Ele notou que em qualquer grupo de compostos químicos que contenham dois elementos químicos específicos, a quantidade do Elemento A por medida do Elemento B diferirá entre esses compostos por proporções de pequenos números inteiros. Esse padrão sugeriu que cada elemento se combina com outros elementos em múltiplos de uma unidade básica de peso, com cada elemento tendo uma unidade de peso única. Dalton decidiu chamar essas unidades de "átomos". [4]

Por exemplo, existem dois tipos de óxido de estanho : um é um pó cinza que é 88,1% estanho e 11,9% oxigênio, e o outro é um pó branco que é 78,7% estanho e 21,3% oxigênio. Ajustando esses números, no pó cinza há cerca de 13,5 g de oxigênio para cada 100 g de estanho, e no pó branco há cerca de 27 g de oxigênio para cada 100 g de estanho. 13,5 e 27 formam uma proporção de 1:2. Dalton concluiu que no óxido cinza há um átomo de oxigênio para cada átomo de estanho, e no óxido branco há dois átomos de oxigênio para cada átomo de estanho ( SnO e SnO 2 ). [5] [6]

Dalton também analisou óxidos de ferro . Há um tipo de óxido de ferro que é um pó preto que é 78,1% ferro e 21,9% oxigênio; e há outro óxido de ferro que é um pó vermelho que é 70,4% ferro e 29,6% oxigênio. Ajustando esses números, no pó preto há cerca de 28 g de oxigênio para cada 100 g de ferro, e no pó vermelho há cerca de 42 g de oxigênio para cada 100 g de ferro. 28 e 42 formam uma proporção de 2:3. Dalton concluiu que nesses óxidos, para cada dois átomos de ferro, há dois ou três átomos de oxigênio, respectivamente ( Fe 2 O 2 e Fe 2 O 3 ). [b] [7] [8]

Como exemplo final: o óxido nitroso é 63,3% nitrogênio e 36,7% oxigênio, o óxido nítrico é 44,05% nitrogênio e 55,95% oxigênio, e o dióxido de nitrogênio é 29,5% nitrogênio e 70,5% oxigênio. Ajustando esses números, no óxido nitroso há 80 g de oxigênio para cada 140 g de nitrogênio, no óxido nítrico há cerca de 160 g de oxigênio para cada 140 g de nitrogênio, e no dióxido de nitrogênio há 320 g de oxigênio para cada 140 g de nitrogênio. 80, 160 e 320 formam uma proporção de 1:2:4. As respectivas fórmulas para esses óxidos são N 2 O , NO e NO 2 . [9] [10]

Descoberta do elétron

Em 1897, JJ Thomson descobriu que os raios catódicos não são uma forma de luz, mas feitos de partículas carregadas negativamente porque podem ser desviadas por campos elétricos e magnéticos. [11] Ele mediu essas partículas como sendo pelo menos mil vezes mais leves que o hidrogênio (o átomo mais leve). [12] Ele chamou essas novas partículas de corpúsculos , mas elas foram renomeadas mais tarde como elétrons, uma vez que são as partículas que transportam eletricidade. [13] Thomson também mostrou que os elétrons eram idênticos às partículas emitidas por materiais fotoelétricos e radioativos. [14] Thomson explicou que uma corrente elétrica é a passagem de elétrons de um átomo para o outro, e quando não havia corrente os elétrons se incorporavam aos átomos. Isso, por sua vez, significava que os átomos não eram indivisíveis como os cientistas pensavam. O átomo era composto de elétrons cuja carga negativa era equilibrada por alguma fonte de carga positiva para criar um átomo eletricamente neutro. Os íons, explicou Thomson, devem ser átomos que têm excesso ou escassez de elétrons. [15]

Descoberta do núcleo

Os experimentos de espalhamento de Rutherford :
Esquerda: Todas as partículas alfa deveriam ter passado pelo átomo com deflexão insignificante.
Direita: Uma pequena porção das partículas foi fortemente defletida pela carga concentrada do núcleo.

Os elétrons no átomo logicamente tinham que ser equilibrados por uma quantidade proporcional de carga positiva, mas Thomson não tinha ideia de onde vinha essa carga positiva, então ele propôs provisoriamente que ela estava em todo lugar no átomo, o átomo tendo o formato de uma esfera. Esta era a hipótese matematicamente mais simples para se adequar às evidências disponíveis, ou à falta delas. Seguindo isso, Thomson imaginou que o equilíbrio das forças eletrostáticas distribuiria os elétrons por toda a esfera de uma maneira mais ou menos uniforme. [16] O modelo de Thomson é popularmente conhecido como modelo do pudim de ameixa , embora nem Thomson nem seus colegas tenham usado essa analogia. [17] O modelo de Thomson era incompleto, era incapaz de prever quaisquer outras propriedades dos elementos, como espectros de emissão e valências . Logo se tornou obsoleto pela descoberta do núcleo atômico .

Entre 1908 e 1913, Ernest Rutherford e seus colegas Hans Geiger e Ernest Marsden realizaram uma série de experimentos nos quais bombardearam finas folhas de metal com um feixe de partículas alfa . Eles fizeram isso para medir os padrões de espalhamento das partículas alfa. Eles avistaram um pequeno número de partículas alfa sendo desviadas por ângulos maiores que 90°. Isso não deveria ter sido possível de acordo com o modelo de Thomson do átomo, cujas cargas eram muito difusas para produzir um campo elétrico suficientemente forte. As deflexões deveriam ter sido todas insignificantes. Rutherford propôs que a carga positiva do átomo, juntamente com a maior parte da massa do átomo, está concentrada em um pequeno núcleo no centro do átomo. Somente uma concentração tão intensa de carga positiva, ancorada por sua alta massa e separada da carga negativa, poderia produzir um campo elétrico que pudesse desviar as partículas alfa tão fortemente. [18]

Modelo de Bohr

O modelo de Bohr do átomo, com um elétron dando "saltos quânticos" instantâneos de uma órbita para outra com ganho ou perda de energia. Este modelo de elétrons em órbitas é obsoleto.

Um problema na mecânica clássica é que uma partícula carregada acelerada irradia radiação eletromagnética, fazendo com que a partícula perca energia cinética. O movimento circular conta como aceleração, o que significa que um elétron orbitando uma carga central deve espiralar para baixo naquele núcleo à medida que perde velocidade. Em 1913, o físico Niels Bohr propôs um novo modelo no qual os elétrons de um átomo eram assumidos orbitando o núcleo, mas só podiam fazê-lo em um conjunto finito de órbitas, e podiam saltar entre essas órbitas apenas em mudanças discretas de energia correspondentes à absorção ou radiação de um fóton. [19] Essa quantização foi usada para explicar por que as órbitas dos elétrons são estáveis ​​e por que os elementos absorvem e emitem radiação eletromagnética em espectros discretos. [20] O modelo de Bohr só podia prever os espectros de emissão de hidrogênio, não átomos com mais de um elétron.

Descoberta de prótons e nêutrons

Em 1815, William Prout observou que os pesos atômicos de muitos elementos eram múltiplos do peso atômico do hidrogênio, o que é de fato verdade para todos eles se levarmos em conta os isótopos . Em 1898, JJ Thomson descobriu que a carga positiva de um íon de hidrogênio é igual à carga negativa de um elétron, e essas eram então as menores partículas carregadas conhecidas. [21] Thomson descobriu mais tarde que a carga positiva em um átomo é um múltiplo positivo da carga negativa de um elétron. [22] Em 1913, Henry Moseley descobriu que as frequências de emissões de raios X de um átomo excitado eram uma função matemática de seu número atômico e da carga nuclear do hidrogênio. Em 1917, Rutherford bombardeou gás nitrogênio com partículas alfa e detectou íons de hidrogênio sendo emitidos do gás, e concluiu que eles eram produzidos por partículas alfa atingindo e dividindo os átomos de nitrogênio. [23]

Essas observações levaram Rutherford a concluir que o núcleo de hidrogênio é uma partícula singular com carga positiva igual à carga negativa do elétron. [24] Ele nomeou essa partícula de " próton " em 1920. [25] O número atômico de um elemento , que foi definido como a posição do elemento na tabela periódica , também é o número de prótons que ele tem em seu núcleo. O peso atômico de cada elemento é maior que seu número de prótons, então Rutherford levantou a hipótese de que o peso excedente era transportado por partículas desconhecidas sem carga elétrica e uma massa igual à do próton.

Em 1928, Walter Bothe observou que o berílio emitia uma radiação altamente penetrante e eletricamente neutra quando bombardeado com partículas alfa. Mais tarde, foi descoberto que essa radiação poderia tirar átomos de hidrogênio da cera de parafina . Inicialmente, pensava-se que era radiação gama de alta energia , já que a radiação gama tinha um efeito semelhante sobre os elétrons em metais, mas James Chadwick descobriu que o efeito de ionização era muito forte para ser devido à radiação eletromagnética, desde que a energia e o momento fossem conservados na interação. Em 1932, Chadwick expôs vários elementos, como hidrogênio e nitrogênio, à misteriosa "radiação de berílio" e, ao medir as energias das partículas carregadas em recuo, deduziu que a radiação era na verdade composta de partículas eletricamente neutras que não podiam ser sem massa como o raio gama, mas, em vez disso, eram obrigadas a ter uma massa semelhante à de um próton. Chadwick agora reivindicava essas partículas como nêutrons de Rutherford. [26]

O modelo de consenso atual

O modelo moderno de orbitais atômicos desenha zonas onde é mais provável que um elétron seja encontrado a qualquer momento.

Em 1925, Werner Heisenberg publicou a primeira formulação matemática consistente da mecânica quântica ( mecânica matricial ). [27] Um ano antes, Louis de Broglie havia proposto que todas as partículas se comportam como ondas até certo ponto, [28] e em 1926 Erwin Schroedinger usou essa ideia para desenvolver a equação de Schroedinger , que descreve os elétrons como formas de onda tridimensionais em vez de pontos no espaço. [29] Uma consequência 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 em um determinado ponto no tempo. Isso ficou conhecido como o princípio da incerteza , formulado por Werner Heisenberg em 1927. [27] Neste conceito, para uma dada precisão na medição de uma posição, só se poderia obter uma gama de valores prováveis ​​para o momento, e vice-versa. [30] Assim, o modelo planetário do átomo foi descartado em favor de um que descrevia zonas orbitais atômicas ao redor do núcleo onde um determinado elétron tem maior probabilidade de ser encontrado. [31] [32] Este modelo foi capaz de explicar observações do comportamento atômico que modelos anteriores não conseguiam, como certos padrões estruturais e espectrais de átomos maiores que o hidrogênio.

Estrutura

Partículas subatômicas

Embora a palavra átomo originalmente denotasse uma partícula que não pode ser cortada em partículas menores, no uso científico moderno o átomo é composto de várias partículas subatômicas . As partículas constituintes de um átomo são o elétron , o próton e o nêutron .

O elétron é a menos massiva dessas partículas por quatro ordens de magnitude.9,11 × 10 −31  kg , com carga elétrica negativa e tamanho muito pequeno para ser medido usando técnicas disponíveis. [33] Foi a partícula mais leve com massa de repouso positiva medida, até a descoberta da massa do neutrino . Em condições normais, os elétrons são ligados ao núcleo carregado positivamente pela atração criada por cargas elétricas opostas. Se um átomo tem mais ou menos elétrons do que seu número atômico, então ele se torna respectivamente carregado negativamente ou positivamente como um todo; um átomo carregado é chamado de íon . Os elétrons são conhecidos desde o final do século XIX, principalmente graças a JJ Thomson ; veja história da física subatômica para detalhes.

Os prótons têm carga positiva e massa de1,6726 × 10 −27  kg . O número de prótons em um átomo é chamado de número atômico . Ernest Rutherford (1919) observou que o nitrogênio sob bombardeio de partículas alfa ejeta o que parecia ser núcleos de hidrogênio. Em 1920, ele aceitou que o núcleo de hidrogênio é uma partícula distinta dentro do átomo e o nomeou próton .

Os nêutrons não têm carga elétrica e têm massa de1,6749 × 10 −27  kg . [34] [35] Os nêutrons são as mais pesadas das três partículas constituintes, mas sua massa pode ser reduzida pela energia de ligação nuclear . Os nêutrons e os prótons (conhecidos coletivamente como núcleons ) têm dimensões comparáveis ​​- na ordem de2,5 × 10 −15  m — embora a 'superfície' dessas partículas não seja nitidamente definida. [36] O nêutron foi descoberto em 1932 pelo físico inglês James Chadwick .

No Modelo Padrão da física, elétrons são partículas verdadeiramente elementares sem estrutura interna, enquanto prótons e nêutrons são partículas compostas de partículas elementares chamadas quarks . Existem dois tipos de quarks em átomos, cada um com uma carga elétrica fracionária. Prótons são compostos de dois quarks up (cada um com carga + 2/3 ) ​​e um quark down (com carga de − 1/3 ). Os nêutrons consistem em um quark up e dois quarks down. Essa distinção explica a diferença de massa e carga entre as duas partículas. [37] [38]

Os quarks são mantidos juntos pela interação forte (ou força forte), que é mediada por glúons . Os prótons e nêutrons, por sua vez, são mantidos juntos no núcleo pela força nuclear , que é um resíduo da força forte que tem propriedades de alcance um tanto diferentes (veja o artigo sobre a força nuclear para mais informações). O glúon é um membro da família dos bósons de calibre , que são partículas elementares que mediam forças físicas. [37] [38]

Núcleo

A energia de ligação necessária para que um nucleon escape do núcleo, para vários isótopos

Todos os prótons e nêutrons ligados em um átomo formam um pequeno núcleo atômico e são coletivamente chamados de núcleons . O raio de um núcleo é aproximadamente igual a femtômetros , onde é o número total de núcleons. [39] Isso é muito menor do que o raio do átomo, que é da ordem de 10 5  fm. Os núcleons são unidos por um potencial atrativo de curto alcance chamado força forte residual . Em distâncias menores que 2,5 fm, essa força é muito mais poderosa do que a força eletrostática que faz com que os prótons carregados positivamente se repelam. [40] 

Átomos do mesmo elemento têm o mesmo número de prótons, chamado de número atômico . Dentro de um único elemento, o número de nêutrons pode variar, determinando o isótopo desse elemento. O número total de prótons e nêutrons determina o nuclídeo . O número de nêutrons em relação aos prótons determina a estabilidade do núcleo, com certos isótopos sofrendo decaimento radioativo . [41]

O próton, o elétron e o nêutron são classificados como férmions . Os férmions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli , que proíbe férmions idênticos , como múltiplos prótons, de ocupar o mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Assim, cada próton no núcleo deve ocupar um estado quântico diferente de todos os outros prótons, e o mesmo se aplica a todos os nêutrons do núcleo e a todos os elétrons da nuvem de elétrons. [42]

Um núcleo que tem um número diferente de prótons do que de nêutrons pode potencialmente cair para um estado de energia mais baixo por meio de um decaimento radioativo que faz com que o número de prótons e nêutrons corresponda mais de perto. Como resultado, átomos com números correspondentes de prótons e nêutrons são mais estáveis ​​contra o decaimento, mas com o aumento do número atômico, a repulsão mútua dos prótons requer uma proporção crescente de nêutrons para manter a estabilidade do núcleo. [42]

Ilustração de um processo de fusão nuclear que forma um núcleo de deutério, consistindo de um próton e um nêutron, a partir de dois prótons. Um pósitron (e + )—um elétron de antimatéria —é emitido junto com um neutrino de elétron .

O número de prótons e nêutrons no núcleo atômico pode ser modificado, embora isso possa exigir energias muito altas por causa da força forte. A fusão nuclear ocorre quando várias partículas atômicas se juntam para formar um núcleo mais pesado, como por meio da colisão energética de dois núcleos. Por exemplo, no núcleo do Sol, os prótons requerem energias de 3 a 10 keV para superar sua repulsão mútua — a barreira de Coulomb — e se fundirem em um único núcleo. [43] A fissão nuclear é o processo oposto, fazendo com que um núcleo se divida em dois núcleos menores — geralmente por meio de decaimento radioativo. O núcleo também pode ser modificado por meio de bombardeio por partículas subatômicas de alta energia ou fótons. Se isso modifica o número de prótons em um núcleo, o átomo muda para um elemento químico diferente. [44] [45]

Se a massa do núcleo após uma reação de fusão for menor que a soma das massas das partículas separadas, então a diferença entre esses dois valores pode ser emitida como um tipo de energia utilizável (como um raio gama , ou a energia cinética de uma partícula beta ), conforme descrito pela fórmula de equivalência massa-energia de Albert Einstein , e=mc 2 , onde m é a perda de massa e c é a velocidade da luz . Esse déficit é parte da energia de ligação do novo núcleo, e é a perda irrecuperável da energia que faz com que as partículas fundidas permaneçam juntas em um estado que requer essa energia para se separar. [46]

A fusão de dois núcleos que criam núcleos maiores com números atômicos menores do que o ferro e o níquel — um número total de núcleons de cerca de 60 — é geralmente um processo exotérmico que libera mais energia do que a necessária para uni-los. [47] É esse processo de liberação de energia que torna a fusão nuclear em estrelas uma reação autossustentável. Para núcleos mais pesados, a energia de ligação por núcleon começa a diminuir. Isso significa que um processo de fusão que produz um núcleo que tem um número atômico maior do que cerca de 26 e um número de massa maior do que cerca de 60 é um processo endotérmico . Assim, núcleos mais massivos não podem sofrer uma reação de fusão produtora de energia que pode sustentar o equilíbrio hidrostático de uma estrela. [42]

Nuvem de elétrons

Um poço de potencial, mostrando, de acordo com a mecânica clássica , a energia mínima V ( x ) necessária para atingir cada posição x . Classicamente, uma partícula com energia E é restringida a um intervalo de posições entre x 1 e x 2 .

Os elétrons em um átomo são atraídos para os prótons no núcleo pela força eletromagnética . Essa força liga os elétrons dentro de um poço de potencial eletrostático ao redor do núcleo menor, o que significa que uma fonte externa de energia é necessária para o elétron escapar. Quanto mais próximo um elétron estiver do núcleo, maior será a força atrativa. Portanto, elétrons ligados perto do centro do poço de potencial requerem mais energia para escapar do que aqueles em separações maiores.

Os elétrons, como outras partículas, têm propriedades tanto de uma partícula quanto de uma onda . A nuvem de elétrons é uma região dentro do poço de potencial onde cada elétron forma um tipo de onda estacionária tridimensional — uma forma de onda que não se move em relação ao núcleo. Esse comportamento é definido por um orbital atômico , uma função matemática que caracteriza a probabilidade de um elétron parecer estar em um local específico quando sua posição é medida. [48] Apenas um conjunto discreto (ou quantizado) desses orbitais existe ao redor do núcleo, pois outros padrões de onda possíveis decaem rapidamente para uma forma mais estável. [49] Os orbitais podem ter uma ou mais estruturas de anel ou nó e diferem entre si em tamanho, forma e orientação. [50]

Visualizações 3D de alguns orbitais atômicos semelhantes ao hidrogênio mostrando densidade de probabilidade e fase ( orbitais g e superiores não são mostrados)

Cada orbital atômico corresponde a um nível de energia particular do elétron. O elétron pode mudar seu estado para um nível de energia mais alto absorvendo um fóton com energia suficiente para impulsioná-lo para o novo estado quântico. Da mesma forma, por meio da emissão espontânea , 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. Esses valores de energia característicos, definidos pelas diferenças nas energias dos estados quânticos, são responsáveis ​​pelas linhas espectrais atômicas . [49]

A quantidade de energia necessária para remover ou adicionar um elétron — a energia de ligação do elétron — é muito menor do que a energia de ligação dos núcleons . Por exemplo, são necessários apenas 13,6 eV para retirar um elétron do estado fundamental de um átomo de hidrogênio, [51] em comparação com 2,23  milhões de eV para dividir um núcleo de deutério . [52] Os átomos são eletricamente neutros se tiverem um número igual de prótons e elétrons. Os átomos que têm um déficit ou um excedente de elétrons são chamados de íons . Os elétrons que estão mais distantes do núcleo podem ser transferidos para outros átomos próximos ou compartilhados entre átomos. Por esse mecanismo, os átomos são capazes de se ligar em moléculas e outros tipos de compostos químicos , como cristais de rede iônica e covalente . [53]

Propriedades

Propriedades nucleares

Por definição, quaisquer dois átomos com um número idêntico de prótons em seus núcleos pertencem ao mesmo elemento químico . Átomos com números iguais de prótons, mas um número diferente de nêutrons são isótopos diferentes do mesmo elemento. Por exemplo, todos os átomos de hidrogênio admitem exatamente um próton, mas existem isótopos sem nêutrons ( hidrogênio-1 , de longe a forma mais comum, [54] também chamado de prótio), um nêutron ( deutério ), dois nêutrons ( trítio ) e mais de dois nêutrons . Os elementos conhecidos formam um conjunto de números atômicos, desde o elemento hidrogênio de um único próton até o elemento oganesson de 118 prótons . [55] Todos os isótopos conhecidos de elementos com números atômicos maiores que 82 são radioativos, embora a radioatividade do elemento 83 ( bismuto ) seja tão leve que é praticamente insignificante. [56] [57]

Cerca de 339 nuclídeos ocorrem naturalmente na Terra , [58] dos quais 251 (cerca de 74%) não foram observados decaindo, e são chamados de " isótopos estáveis ". Apenas 90 nuclídeos são teoricamente estáveis , enquanto outros 161 (elevando o total para 251) não foram observados decaindo, embora em teoria seja energeticamente possível. Estes também são formalmente classificados como "estáveis". Outros 35 nuclídeos radioativos têm meias-vidas maiores que 100 milhões de anos, e são longos o suficiente para estarem presentes desde o nascimento do Sistema Solar . Esta coleção de 286 nuclídeos é conhecida como nuclídeos primordiais . Finalmente, sabe-se que mais 53 nuclídeos de vida curta ocorrem naturalmente, como produtos filhos da decomposição de nuclídeos primordiais (como o rádio do urânio ), ou como produtos de processos energéticos naturais na Terra, como o bombardeio de raios cósmicos (por exemplo, carbono-14). [59] [nota 1]

Para 80 dos elementos químicos, existe pelo menos um isótopo estável . Como regra, há apenas um punhado de isótopos estáveis ​​para cada um desses elementos, sendo a média de 3,1 isótopos estáveis ​​por elemento. Vinte e seis " elementos monoisotópicos " têm apenas um único isótopo estável, enquanto o maior número de isótopos estáveis ​​observados para qualquer elemento é dez, para o elemento estanho . Os elementos 43 , 61 e todos os elementos numerados 83 ou mais não têm isótopos estáveis. [60] : 1–12 

A estabilidade dos isótopos é afetada pela proporção de prótons para nêutrons, e também pela presença de certos "números mágicos" de nêutrons ou prótons que representam camadas quânticas fechadas e preenchidas. Essas camadas quânticas correspondem a um conjunto de níveis de energia dentro do modelo de camada do núcleo; camadas preenchidas, como a camada preenchida de 50 prótons para estanho, conferem estabilidade incomum ao nuclídeo. Dos 251 nuclídeos estáveis ​​conhecidos, apenas quatro têm um número ímpar de prótons e um número ímpar de nêutrons: hidrogênio-2 ( deutério ), lítio-6 , boro-10 e nitrogênio-14 . ( O tântalo-180m é ímpar-ímpar e observacionalmente estável, mas prevê-se que decaia com uma meia-vida muito longa.) Além disso, apenas quatro nuclídeos ímpares-ímpares radioativos de ocorrência natural têm uma meia-vida superior a um bilhão de anos: potássio-40 , vanádio-50 , lantânio-138 e lutécio-176 . A maioria dos núcleos ímpares-ímpares são altamente instáveis ​​em relação ao decaimento beta , porque os produtos de decaimento são pares-pares e, portanto, estão mais fortemente ligados, devido aos efeitos de pareamento nuclear . [61]

Massa

A grande maioria da massa de um átomo vem dos prótons e nêutrons que o compõem. O número total dessas partículas (chamadas de "núcleons") em um dado átomo é chamado de número de massa . É um inteiro positivo e adimensional (em vez de ter dimensão de massa), porque expressa uma contagem. Um exemplo de uso de um número de massa é "carbono-12", que tem 12 nêutrons (seis prótons e seis nêutrons).

A massa real de um átomo em repouso é frequentemente expressa em daltons (Da), também chamada de unidade de massa atômica unificada (u). Esta unidade é definida como um doze avos da massa de um átomo neutro livre de carbono-12 , que é aproximadamente1,66 × 10 −27  kg . [62] O hidrogênio-1 (o isótopo mais leve do hidrogênio que também é o nuclídeo com a menor massa) tem um peso atômico de 1,007825 Da. [63] O valor desse número é chamado de massa atômica . Um dado átomo tem uma massa atômica aproximadamente igual (dentro de 1%) ao seu número de massa vezes a unidade de massa atômica (por exemplo, a massa de um nitrogênio-14 é aproximadamente 14 Da), mas esse número não será exatamente um inteiro, exceto (por definição) no caso do carbono-12. [64] O átomo estável mais pesado é o chumbo-208, [56] com uma massa de207.976 6521  Da . [65]

Como até mesmo os átomos mais massivos são muito leves para trabalhar diretamente, os químicos usam a unidade de mols . Um mol de átomos de qualquer elemento sempre tem o mesmo número de átomos (cerca de6,022 × 10 23 ). Este número foi escolhido para que se um elemento tem uma massa atômica de 1 u, um mol de átomos desse elemento tem 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 Da, e assim um mol de átomos de carbono-12 pesa exatamente 0,012 kg. [62]

Forma e tamanho

Os átomos não têm um limite externo bem definido, então suas dimensões são geralmente descritas em termos de um raio atômico . Esta é uma medida da distância até a qual a nuvem de elétrons se estende do núcleo. [66] Isso pressupõe que o átomo exiba uma forma esférica, que só é obedecida para átomos no vácuo ou no espaço livre. Os raios atômicos podem ser derivados das distâncias entre dois núcleos quando os dois átomos são unidos em uma ligação química . O raio varia com a localização de um átomo no gráfico atômico, o tipo de ligação química, o número de átomos vizinhos ( número de coordenação ) e uma propriedade mecânica quântica conhecida como spin . [67] Na tabela periódica dos elementos, o tamanho do átomo tende a aumentar ao descer colunas, mas diminuir ao se mover pelas linhas (da esquerda para a direita). [68] Consequentemente, o menor átomo é o hélio com um raio de 32  pm , enquanto um dos maiores é o césio com 225 pm. [69]

Quando submetido a forças externas, como campos elétricos , a forma de um átomo pode se desviar da simetria esférica . A deformação depende da magnitude do campo e do tipo orbital dos elétrons da camada externa, conforme mostrado por considerações teóricas de grupo . Desvios asféricos podem ser provocados, por exemplo, em cristais , onde grandes campos elétricos cristalinos podem ocorrer em locais de rede de baixa simetria . [70] [71] Deformações elipsoidais significativas foram demonstradas para íons de enxofre [72] e íons de calcogênio [73] em compostos do tipo pirita .

As dimensões atômicas são milhares de vezes menores que os comprimentos de onda da luz (400–700  nm ), portanto não podem ser visualizadas usando um microscópio óptico , embora átomos individuais possam ser observados usando um microscópio de tunelamento de varredura . Para visualizar a pequenez do átomo, considere que um cabelo humano típico tem cerca de 1 milhão de átomos de carbono de largura. [74] Uma única gota de água contém cerca de 2  sextilhões (2 × 10 21 ) átomos de oxigênio e o dobro do número de átomos de hidrogênio. [75] Um diamante de um único quilate com uma massa de2 × 10 −4  kg contém cerca de 10 sextilhões (10 22 ) de átomos de carbono . [nota 2] Se uma maçã fosse ampliada para o tamanho da Terra, então os átomos na maçã seriam aproximadamente do tamanho da maçã original. [76]

Decaimento radioativo

Este diagrama mostra a meia-vida (T 12 ) de vários isótopos com Z prótons e N nêutrons.

Cada elemento tem um ou mais isótopos que têm núcleos instáveis ​​que estão sujeitos à decadência radioativa, fazendo com que o núcleo emita partículas ou radiação eletromagnética. A radioatividade pode ocorrer quando o raio de um núcleo é grande em comparação com o raio da força forte, que atua apenas em distâncias da ordem de 1 fm. [77]

As formas mais comuns de decaimento radioativo são: [78] [79]

  • Decaimento alfa : esse processo é causado quando o núcleo emite uma partícula alfa, que é um núcleo de hélio constituído de dois prótons e dois nêutrons. O resultado da emissão é um novo elemento com um número atômico menor .
  • Decaimento beta (e captura de elétrons ): esses processos são regulados pela força fraca e resultam da transformação de um nêutron em um próton, ou de um próton em um nêutron. A transição de nêutron para próton é acompanhada pela emissão de um elétron e um antineutrino , enquanto a transição de próton para nêutron (exceto na captura de elétrons) causa a emissão de um pósitron e um neutrino . As emissões de elétrons ou pósitrons são chamadas de partículas beta. O decaimento beta aumenta ou diminui o número atômico do núcleo em um. A captura de elétrons é mais comum do que a emissão de pósitrons, porque requer menos energia. Nesse tipo de decaimento, um elétron é absorvido pelo núcleo, em vez de um pósitron emitido pelo núcleo. Um neutrino ainda é emitido nesse processo, e um próton muda para um nêutron.
  • Decaimento gama : este processo resulta de uma mudança no nível de energia do núcleo para um estado mais baixo, resultando na emissão de radiação eletromagnética. O estado excitado de um núcleo que resulta em emissão gama geralmente ocorre após a emissão de uma partícula alfa ou beta. Assim, o decaimento gama geralmente segue o decaimento alfa ou beta.

Outros tipos mais raros de decaimento radioativo incluem a ejeção de nêutrons ou prótons ou aglomerados de núcleons de um núcleo, ou mais de uma partícula beta . Um análogo da emissão gama que permite que núcleos excitados percam energia de uma maneira diferente é a conversão interna — um processo que produz elétrons de alta velocidade que não são raios beta, seguido pela produção de fótons de alta energia que não são raios gama. Alguns núcleos grandes explodem em dois ou mais fragmentos carregados de massas variadas mais vários nêutrons, em um decaimento chamado fissão nuclear espontânea .

Cada isótopo radioativo tem um período de tempo de decaimento característico — a meia-vida — que é determinado pela quantidade de tempo necessária para que metade de uma amostra decaia. Este é um processo de decaimento exponencial que diminui constantemente a proporção do isótopo restante em 50% a cada meia-vida. Portanto, após duas meias-vidas terem passado, apenas 25% do isótopo está presente, e assim por diante. [77]

Momento magnético

Partículas elementares possuem uma propriedade mecânica quântica intrínseca conhecida como spin . Isso é análogo ao momento angular de um objeto que está girando em torno de seu centro de massa , embora, estritamente falando, acredite-se que essas partículas sejam pontuais e não se possa dizer que estejam girando. O spin é medido em unidades da constante de Planck reduzida (ħ), com elétrons, prótons e nêutrons todos tendo spin 12  ħ, ou "spin- 12 ". Em um átomo, os elétrons em movimento ao redor do núcleo possuem momento angular orbital além de seu spin, enquanto o próprio núcleo possui momento angular devido ao seu spin nuclear. [80]

O campo magnético produzido por um átomo — seu momento magnético — é determinado por essas várias formas de momento angular, assim como um objeto carregado em rotação produz classicamente um campo magnético, mas a contribuição mais dominante vem do spin do elétron. Devido à natureza dos elétrons de obedecer ao princípio de exclusão de Pauli , no qual dois elétrons não podem ser encontrados no mesmo estado quântico , os elétrons ligados se pareiam, com um membro de cada par em um estado de spin para cima e o outro no estado oposto, spin para baixo. Assim, esses spins se cancelam, reduzindo o momento dipolar magnético total a zero em alguns átomos com número par de elétrons. [81]

Em elementos ferromagnéticos como ferro, cobalto e níquel, um número ímpar de elétrons leva a um elétron desemparelhado e a um momento magnético geral líquido. Os orbitais de átomos vizinhos se sobrepõem e um estado de energia mais baixo é alcançado quando os spins de elétrons desemparelhados são alinhados entre si, um processo espontâneo conhecido como interação de troca . Quando os momentos magnéticos dos átomos ferromagnéticos são alinhados, o material pode produzir um campo macroscópico mensurável. Materiais paramagnéticos têm átomos com momentos magnéticos que se alinham em direções aleatórias quando nenhum campo magnético está presente, mas os momentos magnéticos dos átomos individuais se alinham na presença de um campo. [81] [82]

O núcleo de um átomo não terá spin quando tiver números pares de nêutrons e prótons, mas para outros casos de números ímpares, o núcleo pode ter um spin. Normalmente, núcleos com spin são alinhados em direções aleatórias devido ao equilíbrio térmico , mas para certos elementos (como o xenônio-129 ) é possível polarizar uma proporção significativa dos estados de spin nuclear para que eles sejam alinhados na mesma direção — uma condição chamada hiperpolarização . Isso tem aplicações importantes na ressonância magnética . [83] [84]

Níveis de energia

Esses níveis de energia do elétron (não em escala) são suficientes para estados fundamentais de átomos até o cádmio (5s 2 4d 10 ) inclusive. Não se esqueça de que mesmo o topo do diagrama é mais baixo do que um estado de elétron não ligado.

A energia potencial de um elétron em um átomo é negativa em relação a quando a distância do núcleo vai para o infinito ; sua dependência da posição do elétron atinge o mínimo dentro do núcleo, aproximadamente em proporção inversa à distância. No modelo mecânico-quântico, um elétron ligado pode ocupar apenas um conjunto de estados centrados no núcleo, e cada estado corresponde a um nível de energia específico ; veja a equação de Schrödinger independente do tempo para uma explicação teórica. Um nível de energia pode ser medido pela quantidade de energia necessária para desvincular o elétron do átomo, e geralmente é dado em unidades de elétron-volts (eV). O estado de energia mais baixo de um elétron ligado é chamado de estado fundamental, ou seja, estado estacionário , enquanto uma transição de elétron para um nível mais alto resulta em um estado excitado. [85] A energia do elétron aumenta junto com n porque a distância (média) ao núcleo aumenta. A dependência da energia em é causada não pelo potencial eletrostático do núcleo, mas pela interação entre elétrons.

Para um elétron transitar entre dois estados diferentes , por exemplo, estado fundamental para primeiro estado excitado , ele deve absorver ou emitir um fóton em uma energia correspondente à diferença na energia potencial desses níveis, de acordo com o modelo de Niels Bohr , o que pode ser calculado precisamente pela equação de Schrödinger . Os elétrons saltam entre orbitais de forma semelhante a uma partícula. Por exemplo, se um único fóton atinge os elétrons, apenas um único elétron muda de estado em resposta ao fóton; veja Propriedades do elétron .

A energia de um fóton emitido é proporcional à sua frequência , de modo que esses níveis específicos de energia aparecem como bandas distintas no espectro eletromagnético . [86] Cada elemento tem um espectro característico que pode depender da carga nuclear, das subcamadas preenchidas por elétrons, das interações eletromagnéticas entre os elétrons e de outros fatores. [87]

Um exemplo de linhas de absorção em um espectro

Quando um espectro contínuo de energia é passado através de um gás ou plasma, alguns dos fótons são absorvidos pelos átomos, fazendo com que os elétrons alterem seu nível de energia. Os elétrons excitados que permanecem ligados ao seu átomo emitem espontaneamente essa energia como um fóton, viajando em uma direção aleatória, e então caem de volta para níveis de energia mais baixos. Assim, os átomos se comportam como um filtro que forma uma série de faixas de absorção escuras na saída de energia. (Um observador que vê os átomos de uma visão que não inclui o espectro contínuo no fundo, em vez disso, vê uma série de linhas de emissão dos fótons emitidos pelos átomos.) Medições espectroscópicas da força e largura das linhas espectrais atômicas permitem que a composição e as propriedades físicas de uma substância sejam determinadas. [88]

O exame atento das linhas espectrais revela que algumas apresentam uma fina divisão de estrutura. Isso ocorre devido ao acoplamento spin-órbita , que é uma interação entre o spin e o movimento do elétron mais externo. [89] Quando um átomo está em um campo magnético externo, as linhas espectrais se dividem em três ou mais componentes; um fenômeno chamado efeito Zeeman . Isso é causado pela interação do campo magnético com o momento magnético do átomo e seus elétrons. Alguns átomos podem ter múltiplas configurações de elétrons com o mesmo nível de energia, que assim aparecem como uma única linha espectral. A interação do campo magnético com o átomo desloca essas configurações de elétrons para níveis de energia ligeiramente diferentes, resultando em múltiplas linhas espectrais. [90] A presença de um campo elétrico externo pode causar uma divisão e deslocamento comparáveis ​​das linhas espectrais, modificando os níveis de energia dos elétrons, um fenômeno chamado efeito Stark . [91]

Se um elétron ligado estiver em um estado excitado, um fóton interagindo com a energia adequada pode causar emissão estimulada de um fóton com um nível de energia correspondente. Para que isso ocorra, o elétron deve cair para um estado de energia mais baixo que tenha uma diferença de energia correspondente à energia do fóton interagindo. O fóton emitido e o fóton interagindo então se movem em paralelo e com fases correspondentes. Ou seja, os padrões de onda dos dois fótons são sincronizados. Essa propriedade física é usada para fazer lasers , que podem emitir um feixe coerente de energia luminosa em uma banda de frequência estreita. [92]

Valência e comportamento de ligação

Valência é o poder de combinação de um elemento. É determinado pelo número de ligações que ele pode formar com outros átomos ou grupos. [93] A camada de elétrons mais externa de um átomo em seu estado não combinado é conhecida como camada de valência , e os elétrons nessa camada são chamados de elétrons de valência . O número de elétrons de valência determina o comportamento de ligação com outros átomos. Os átomos tendem a reagir quimicamente uns com os outros de uma maneira que preenche (ou esvazia) suas camadas de valência externas. [94] Por exemplo, uma transferência de um único elétron entre átomos é uma aproximação útil para ligações que se formam entre átomos com um elétron a mais do que uma camada preenchida, e outros que têm um elétron a menos de uma camada completa, como ocorre no composto cloreto de sódio e outros sais iônicos químicos. Muitos elementos apresentam múltiplas valências, ou tendências a compartilhar diferentes números de elétrons em diferentes compostos. Assim, a ligação química entre esses elementos assume muitas formas de compartilhamento de elétrons que são mais do que simples transferências de elétrons. Exemplos incluem o elemento carbono e os compostos orgânicos . [95]

Os elementos químicos são frequentemente exibidos em uma tabela periódica que é disposta para exibir propriedades químicas recorrentes, e elementos com o mesmo número de elétrons de valência formam um grupo que é alinhado na mesma coluna da tabela. (As linhas horizontais correspondem ao preenchimento de uma camada quântica de elétrons.) Os elementos na extrema direita da tabela têm sua camada externa completamente preenchida com elétrons, o que resulta em elementos quimicamente inertes conhecidos como gases nobres . [96] [97]

Estados

Gráfico ilustrando a formação de um condensado de Bose-Einstein

Quantidades de átomos são encontradas em diferentes estados da matéria que dependem das condições físicas, como temperatura e pressão . Ao variar as condições, os materiais podem transitar entre sólidos , líquidos , gases e plasmas . [98] Dentro de um estado, um material também pode existir em diferentes alótropos . Um exemplo disso é o carbono sólido, que pode existir como grafite ou diamante . [99] Alótropos gasosos também existem, como dioxigênio e ozônio .

Em temperaturas próximas do zero absoluto , os átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein , ponto em que os efeitos mecânicos quânticos, que normalmente são observados apenas na escala atômica, tornam-se aparentes em uma escala macroscópica. [100] [101] Essa coleção super-resfriada de átomos então se comporta como um único superátomo , o que pode permitir verificações fundamentais do comportamento mecânico quântico. [102]

Identificação

Imagem de microscópio de tunelamento de varredura mostrando os átomos individuais que compõem esta superfície de ouro ( 100 ). Os átomos da superfície desviam-se da estrutura cristalina em massa e organizam-se em colunas com vários átomos de largura com cavidades entre eles (ver reconstrução da superfície ).

Embora os átomos sejam muito pequenos para serem vistos, dispositivos como o microscópio de tunelamento de varredura (STM) permitem sua visualização nas superfícies de sólidos. O microscópio usa o fenômeno de tunelamento quântico , que permite que as partículas passem por uma barreira que seria intransponível na perspectiva clássica. Os elétrons fazem o tunelamento através do vácuo entre dois eletrodos polarizados , fornecendo uma corrente de tunelamento que é exponencialmente dependente de sua separação. Um eletrodo é uma ponta afiada que termina idealmente com um único átomo. Em cada ponto da varredura da superfície, a altura da ponta é ajustada para manter a corrente de tunelamento em um valor definido. O quanto a ponta se move para e para longe da superfície é interpretado como o perfil de altura. Para baixo viés, o microscópio faz imagens dos orbitais de elétrons médios em níveis de energia compactados - a densidade local dos estados eletrônicos próximos ao nível de Fermi . [103] [104] Devido às distâncias envolvidas, ambos os eletrodos precisam ser extremamente estáveis; somente então podem ser observadas periodicidades que correspondem a átomos individuais. O método por si só não é quimicamente específico e não consegue identificar as espécies atômicas presentes na superfície.

Átomos podem ser facilmente identificados por sua massa. Se um átomo for ionizado pela remoção de um de seus elétrons, sua trajetória quando ele passar por um campo magnético irá se curvar. O raio pelo qual a trajetória de um íon em movimento é girada pelo campo magnético é determinado pela massa do átomo. O espectrômetro de massa usa esse princípio para medir a razão massa-carga dos íons. Se uma amostra contiver múltiplos isótopos, o espectrômetro de massa pode determinar a proporção de cada isótopo na amostra medindo a intensidade dos diferentes feixes de íons. Técnicas para vaporizar átomos incluem espectroscopia de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado , ambas as quais usam um plasma para vaporizar amostras para análise. [105]

O tomógrafo de sonda atômica tem resolução subnanométrica em 3-D e pode identificar quimicamente átomos individuais usando espectrometria de massa de tempo de voo . [106]

Técnicas de emissão de elétrons, como espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) e espectroscopia de elétrons Auger (AES), que medem as energias de ligação dos elétrons do núcleo , são usadas para identificar as espécies atômicas presentes em uma amostra de forma não destrutiva. Com o foco adequado, ambas podem ser tornadas específicas da área. Outro método é a espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS), que mede a perda de energia de um feixe de elétrons dentro de um microscópio eletrônico de transmissão quando ele interage com uma parte de uma amostra.

Espectros de estados excitados podem ser usados ​​para analisar a composição atômica de estrelas distantes . Comprimentos de onda de luz específicos contidos na luz observada de estrelas podem ser separados e relacionados às transições quantizadas em átomos de gás livres. Essas cores podem ser replicadas usando uma lâmpada de descarga de gás contendo o mesmo elemento. [107] O hélio foi descoberto dessa forma no espectro do Sol 23 anos antes de ser encontrado na Terra. [108]

Origem e estado atual

A matéria bariônica forma cerca de 4% da densidade total de energia do universo observável , com uma densidade média de cerca de 0,25 partículas/m3 ( principalmente prótons e elétrons). [109] Dentro de uma galáxia como a Via Láctea , as partículas têm uma concentração muito maior, com a densidade da matéria no meio interestelar (ISM) variando de 105 a 109 átomos /m3 . [ 110] Acredita-se que o Sol esteja dentro da Bolha Local , então a densidade na vizinhança solar é de apenas cerca de 103 átomos /m3 . [ 111] As estrelas se formam a partir de nuvens densas no ISM, e os processos evolutivos das estrelas resultam no enriquecimento constante do ISM com elementos mais massivos do que hidrogênio e hélio.

Até 95% da matéria bariônica da Via Láctea está concentrada dentro das estrelas, onde as condições são desfavoráveis ​​para a matéria atômica. A massa bariônica total é cerca de 10% da massa da galáxia; [112] o restante da massa é uma matéria escura desconhecida . [113] A alta temperatura dentro das estrelas torna a maioria dos "átomos" totalmente ionizados, ou seja, separa todos os elétrons dos núcleos. Em remanescentes estelares — com exceção de suas camadas superficiais — uma pressão imensa torna as camadas de elétrons impossíveis.

Formação

Tabela periódica mostrando a origem de cada elemento. Elementos de carbono até enxofre podem ser feitos em pequenas estrelas pelo processo alfa . Elementos além do ferro são feitos em grandes estrelas com captura lenta de nêutrons ( processo s ). Elementos mais pesados ​​que o ferro podem ser feitos em fusões de estrelas de nêutrons ou supernovas após o processo r .

Acredita-se que os elétrons existam no Universo desde os estágios iniciais do Big Bang . Os núcleos atômicos se formam em reações de nucleossíntese . Em cerca de três minutos, a nucleossíntese do Big Bang produziu a maior parte do hélio , lítio e deutério do Universo, e talvez parte do berílio e boro . [114] [115] [116]

A ubiquidade e estabilidade dos átomos dependem de sua energia de ligação , o que significa que um átomo tem uma energia menor do que um sistema não ligado do núcleo e elétrons. Onde a temperatura é muito maior do que o potencial de ionização , a matéria existe na forma de plasma — um gás de íons carregados positivamente (possivelmente, núcleos nus) e elétrons. Quando a temperatura cai abaixo do potencial de ionização, os átomos se tornam estatisticamente favoráveis. Os átomos (completos com elétrons ligados) passaram a dominar as partículas carregadas 380.000 anos após o Big Bang — uma época chamada recombinação , quando o Universo em expansão esfriou o suficiente para permitir que os elétrons se ligassem aos núcleos. [117]

Desde o Big Bang, que não produziu carbono nem elementos mais pesados , os núcleos atômicos foram combinados nas estrelas através do processo de fusão nuclear para produzir mais do elemento hélio e (através do processo triplo-alfa ) a sequência de elementos do carbono até o ferro ; [118] veja nucleossíntese estelar para detalhes.

Isótopos como o lítio-6, bem como algum berílio e boro são gerados no espaço através da espalação de raios cósmicos . [119] Isso ocorre quando um próton de alta energia atinge um núcleo atômico, fazendo com que um grande número de núcleons sejam ejetados.

Elementos mais pesados ​​que o ferro foram produzidos em supernovas e estrelas de nêutrons em colisão através do processo r , e em estrelas AGB através do processo s , ambos envolvendo a captura de nêutrons por núcleos atômicos. [120] Elementos como o chumbo se formaram em grande parte através da decomposição radioativa de elementos mais pesados. [121]

Terra

A maioria dos átomos que compõem a Terra e seus habitantes estavam presentes em sua forma atual na nebulosa que colapsou de uma nuvem molecular para formar o Sistema Solar . O restante é o resultado da decadência radioativa, e sua proporção relativa pode ser usada para determinar a idade da Terra por meio da datação radiométrica . [122] [123] A maior parte do hélio na crosta da Terra (cerca de 99% do hélio de poços de gás, como mostrado por sua menor abundância de hélio-3 ) é um produto da decadência alfa . [124]

Existem alguns átomos-traço na Terra que não estavam presentes no início (ou seja, não são "primordiais"), nem são resultados de decaimento radioativo. O carbono-14 é continuamente gerado por raios cósmicos na atmosfera. [125] Alguns átomos na Terra foram gerados artificialmente, deliberadamente ou como subprodutos de reatores nucleares ou explosões. [126] [127] Dos elementos transurânicos — aqueles com números atômicos maiores que 92 — apenas o plutônio e o neptúnio ocorrem naturalmente na Terra. [128] [129] Os elementos transurânicos têm vidas radioativas mais curtas do que a idade atual da Terra [130] e, portanto, quantidades identificáveis ​​desses elementos decaíram há muito tempo, com exceção de traços de plutônio-244 possivelmente depositados pela poeira cósmica. [122] Depósitos naturais de plutônio e neptúnio são produzidos pela captura de nêutrons em minério de urânio. [131]

A Terra contém aproximadamente1,33 × 10 50 átomos. [132] Embora existam pequenos números de átomos independentes de gases nobres , como argônio , néon e hélio , 99% da atmosfera está ligada na forma de moléculas, incluindo dióxido de carbono e oxigênio e nitrogênio diatômicos . Na superfície da Terra, uma esmagadora maioria de átomos se combina para formar vários compostos, incluindo água , sal , silicatos e óxidos . Os átomos também podem se combinar para criar materiais que não consistem em moléculas discretas, incluindo cristais e metais líquidos ou sólidos . [133] [134] Essa matéria atômica forma arranjos em rede que não possuem o tipo particular de ordem interrompida em pequena escala associada à matéria molecular. [135]

Formas raras e teóricas

Elementos superpesados

Todos os nuclídeos com números atômicos maiores que 82 ( chumbo ) são conhecidos por serem radioativos. Nenhum nuclídeo com número atômico superior a 92 ( urânio ) existe na Terra como um nuclídeo primordial , e elementos mais pesados ​​geralmente têm meias-vidas mais curtas. No entanto, uma " ilha de estabilidade " abrangendo isótopos de vida relativamente longa de elementos superpesados ​​[136] com números atômicos de 110 a 114 pode existir. [137] As previsões para a meia-vida do nuclídeo mais estável na ilha variam de alguns minutos a milhões de anos. [138] Em qualquer caso, elementos superpesados ​​(com Z  > 104) não existiriam devido ao aumento da repulsão de Coulomb (que resulta em fissão espontânea com meias-vidas cada vez mais curtas) na ausência de quaisquer efeitos estabilizadores. [139]

Matéria exótica

Cada partícula de matéria tem uma partícula de antimatéria correspondente com carga elétrica oposta. Assim, o pósitron é um antielétron carregado positivamente e o antipróton é um equivalente carregado negativamente de um próton . Quando uma matéria e uma partícula de antimatéria correspondente se encontram, elas se aniquilam. Por causa disso, junto com um desequilíbrio entre o número de partículas de matéria e antimatéria, estas últimas são raras no universo. As primeiras causas desse desequilíbrio ainda não são totalmente compreendidas, embora as teorias da bariogênese possam oferecer uma explicação. Como resultado, nenhum átomo de antimatéria foi descoberto na natureza. [140] [141] Em 1996, a contraparte de antimatéria do átomo de hidrogênio ( anti-hidrogênio ) foi sintetizada no laboratório do CERN em Genebra . [142] [143]

Outros átomos exóticos foram criados pela substituição de um dos prótons, nêutrons ou elétrons por outras partículas que têm a mesma carga. Por exemplo, um elétron pode ser substituído por um múon mais massivo , formando um átomo muônico . Esses tipos de átomos podem ser usados ​​para testar previsões fundamentais da física. [144] [145] [146]

Veja também

Notas

  1. ^ Para atualizações mais recentes, consulte o Gráfico interativo de nuclídeos do Laboratório Nacional de Brookhaven . Arquivado em 25 de julho de 2020 no Wayback Machine .
  2. ^ Um quilate é 200 miligramas. Por definição , o carbono-12 tem 0,012 kg por mol. A constante de Avogadro define6 × 10 23 átomos por mol.
  1. ^ uma combinação do termo negativo "a-" e "τομή", o termo para "cortar"
  2. ^ A fórmula do óxido de ferro(II) é escrita aqui como "Fe 2 O 2 " em vez do mais convencional "FeO" porque isso ilustra melhor a explicação.

Referências

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    Nota de rodapé de Ernest Rutherford: 'No momento em que este artigo foi escrito na Austrália, o Professor Orme Masson não sabia que o nome "próton" já havia sido sugerido como um nome adequado para a unidade de massa próxima a 1, em termos de oxigênio 16, que parece entrar na estrutura nuclear dos átomos. A questão de um nome adequado para esta unidade foi discutida em uma reunião informal de vários membros da Seção A da Associação Britânica em Cardiff este ano. O nome "barão" sugerido pelo Professor Masson foi mencionado, mas foi considerado inadequado devido à variedade existente de significados. Finalmente, o nome "próton" recebeu aprovação geral, particularmente porque sugere o termo original "protyle" dado por Prout em sua hipótese bem conhecida de que todos os átomos são constituídos de hidrogênio. A necessidade de um nome especial para a unidade nuclear de massa 1 foi chamada a atenção por Sir Oliver Lodge na reunião da Seção, e o escritor então sugeriu o nome "próton".'
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Leitura adicional

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