a natureza e a vida

pelo eng.º paulo seabra

2. Estrutura do Átomo

No artigo anterior demos uma ideia genérica da constituição da matéria, isto é, que todos os corpos, desde o ar e o ferro, às estrelas e à própria luz, são formados por moléculas e estas por átomos.

O mundo que nos rodeia tem, pois, natureza atómica, não é mais do que um agregado de átomos. Em suma, toda a matéria é composta por átomos.

O problema da constituição da matéria apaixonou desde sempre a humanidade. Recordemos um pouco de história.

Primitivamente, supunha-se que a Natureza era formada pela combinação de elementos contínuos e infinitamente divisíveis, tais como o ar, terra, água e fogo. Mas já na antiga Grécia (séc. IV e V a. C.), Leucipo e Demócrito imaginavam a matéria como um agregado de uma infinidade de partículas não divisíveis, os átomos (grego: atomos = indivisível). Epicuro (séc. IV - III a. C.), também considerou os átomos indivisíveis, doutrina esta que persistiu até ao séc. III d. C..

Porém o pensamento físico decaiu com Sócrates que orientou a filosofia para os problemas morais e com Platão que atribuía ao espírito a natureza de todas as coisas. Durante toda a Idade Média prevaleceu a doutrina de Aristóteles, considerada de inspiração divina, e que supunha não haver limite à divisibilidade da matéria.

A doutrina atomística voltou de novo a tomar posição em fins do séc. XVI e na primeira metade do séc. XVII, com Bacon e Galileu. Porém, só a partir dos fins do séc. XVIII, com Dalton, considerado o fundador da teoria atómica actual, e Lavoisier, Proust, Richter, Gay-Loussac, ao estabelecerem as leis fundamentais da Química, o conceito adquire precisão.

Com efeito, estas leis são interpretadas na base da teoria atómica que admite que cada espécie química simples, ou elemento, é constituída por partículas indivisíveis e todas iguais – os átomos desse elemento.

Mais tarde, com a descoberta da radioactividade (propriedade que certos elementos possuem de emitir espontaneamente radiações), por Henri Becquerel, em 1896, o conceito da indivisibilidade do átomo perdeu o seu valor. Becquerel descobriu que o urânio emitia espontaneamente radiações que eram capazes de impressionar as chapas fotográficas. As partículas emitidas são, afinal, fragmentos de átomos. Um elemento transformou-se espontaneamente noutro elemento. E assim se verificou a fragmentação dos átomos e este facto veio modificar inteiramente as ideias anteriores, pois os átomos são agora considerados divisíveis e portanto complexos. Foi na base das experiências de Lenard (1862-1947), Rutherford (1871-1937) e Niels Bohr (1885)  / 5 / que se ficaram a conhecer os constituintes dos átomos. Vejamos então qual a sua estrutura.

Estrutura do átomo

Todos os átomos são compostos por um núcleo central, em volta do qual gravitam electrões.

O núcleo é formado por protões e neutrões.

Os protões são partículas carregadas de electricidade positiva; os neutrões são desprovidos de carga eléctrica; e os electrões possuem uma cargo eléctrica negativa igual à carga elementar.

Esquematizando, temos

O átomo é comparado a um pequeno sistema solar, no qual o núcleo ocupa o Sol e os electrões os planetas; por isso, os electrões são designados habitualmente por electrões planetários.

O átomo é electricamente neutro. Cada protão é equilibrado por um electrão e o conjunto dos constituintes do átomo é ligado por forças de origem eléctrica.

No sistema solar, o movimento dos planetas é devido à atracção do Sol; nos átomos, o movimento dos electrões resulta da atracção da carga positiva do núcleo (pois que dois corpos carregados de electricidade contrária atraem-se – lei de Coulomb). Entretanto, devido ao seu movimento circular e elíptico, os electrões são igualmente solicitados por uma força centrífuga que equilibra a força de atracção de Coulomb, de tal maneira que ficam em órbita.

Quando se diz que os electrões gravitam em torno do núcleo, devemos pensar num movimento tão rápido, que o electrão se encontra por toda a parte e forma em volta do núcleo uma espécie de um denso invólucro.

Calculou-se que o electrão efectua em volta do núcleo 7000 triliões de voltas por segundo!

O átomo mais simples é o hidrogénio (fig. 1), formado por / 6 / um electrão planetário e por um núcleo composto unicamente por um protão.

Os outros átomos têm uma estrutura semelhante à do hidrogénio, variando no número de electrões e na constituição do núcleo. Por exemplo, o átomo do hélio (fig. 2) é constituído por um núcleo com 2 protões e 2 neutrões, à volta do qual giram 2 electrões; o átomo de carbono (fig. 3) é formado por 6 electrões planetários e por um núcleo (fig. 4) com 6 protões e 6 electrões. Por razões de simplicidade representam-se as trajectórias dos electrões do átomo de carbono como circulares e supostas todas num plano.

O número de electrões é uma característica essencial de cada espécie de átomos. Os electrões distribuem-se em sucessivas camadas em volta do núcleo, dependendo o seu número por camada de condições bem determinadas que regem o comportamento físico e químico dos elementos. Os electrões que gravitam em volta do núcleo são particularmente estáveis e os que se encontram sobre a periferia do átomo são instáveis.

O átomo de hidrogénio tem 1 electrão, do hélio 2, o lítio 3, o berílio 4, o boro 5, o carbono 6, o azoto 7, o oxigénio 8, etc., até ao urânio que é o átomo natural mais carregado, com 92 electrões planetários.

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Uma vez que o átomo é electricamente neutro e que cada electrão possui uma carga eléctrica negativa igual à carga elementar, conclui-se que a cada carga positiva do núcleo corresponde um electrão. Portanto, o número de protões do núcleo é igual ao número de / 7 / electrões e determina a carga total do núcleo: se um núcleo contém 10 protões, 10 electrões devem circular em volta do núcleo para formar um átomo neutro.

Ao número de electrões que gravitam em volta do núcleo de um átomo, igual ao número de cargos elementares positiva do núcleo, dá-se o nome de número atómico do elemento considerado.

Os átomos dispostos pela ordem crescente do seu número atómico, formam a classificação periódica dos elementos, estabelecido em 1868 por Mendelejeff. Há 92 elementos químicos naturais, desde o hidrogénio de número atómico 1, até ao urânio de número atómico 92.

O número total de partículas do núcleo – protões e electrões – denomina-se número de massa do elemento correspondente. Este número vem a ser o inteiro mais próximo do número que representa o peso atómico do elemento considerado. A simples análise de uma tabela de pesos atómicos indica-nos o número da massa do elemento.

A estrutura dum átomo fica definida pelo conhecimento do número atómico (Z) e do número de massa (A).

O número de neutrões (N) do núcleo é pois determinado por N = A - Z.

Assim, por exemplo, o número atómico (Z) do alumínio é 13 e o número de massa (A) é 27; o átomo de alumínio é pois formado por um núcleo constituído por 13 protões e 14 neutrões (N = 27 - 13 = 14) em volta do qual gravitam 13 electrões planetários.

A representação dos átomos faz-se habitualmente da seguinte maneira: escreve-se o símbolo do elemento colocando à esquerda deste como índice inferior o número atómico e como índice superior o número de massa.

No caso do alumínio temos 27 / 13 AI; para o hidrogénio (fig. 1) 1 / 1 H, número atómico 1 (1 electrão) e número de massa 1 (1 protão); para o hélio (fig. 2) 4 / 2 He, número atómico 2 (2 electrões) e número de massa 4 (2 protões e 2 neutrões); para o berílio (fig. 5) 9 / 4 Be, número atómico 4 (4 electrões) e número de massa 9 (4 protões e 5 neutrões), etc. (Nota: Os valores numéricos representam-se um sobre o outro, tal como se mostra nas figuras: 27 sobre 13 Al; 1 sobre 1 H; 4 sobre 2 H; 9 sobre 4 Be, etc.)

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Algumas ordens de grandeza

A teoria cinética dos gases permitiu determinar aproximadamente as dimensões dos átomos. O átomo de hidrogénio é, grosso modo, comparável a uma esfera de raio igual a 10-8 cm (1 décimo de milionésimo de milímetro), ou, em outros termos, 10 milhões de átomos dispostos uns após outros formariam uma cadeia de 1 milímetro de comprimento; e o raio do núcleo é da ordem de 10-13 cm.

A quase totalidade da massa do átomo está concentrada no núcleo, cujo volume é cem mil vezes inferior ao do átomo.

O átomo é então constituído por um vazio quase total no centro do qual se encontra uma partícula muito densa; se compararmos as dimensões do átomo às duma casa, o volume do núcleo seria reduzido à cabeça de um alfinete. Se pudéssemos separar todos os espaços vazios compreendidos nos átomos de um arranha-céus, este seria reduzido às dimensões dum caroço de cereja: mas um caroço de cereja de 30000 toneladas!

A massa do electrão é igual a 9,1083 x 10 - 28 gramas. O protão e o neutrão têm aproximadamente a mesma massa e são 1840 vezes mais pesados que os electrões.

Sendo a massa dos electrões extremamente pequena, a massa do átomo é sensivelmente igual à soma das massas dos protões e neutrões do núcleo.

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As ordens de grandeza referidas são difíceis de conceber e parecem realmente bizarras ao nosso pensamento, tal é a pequenez das partículas constituintes dos átomos. Todavia, os mais recentes progressos da física, mostram que o átomo possui uma estrutura ainda mais complexa do que a indicada, tendo sido descoberta uma série de novas partículas, num total de vinte e cinco.

Apesar disso o problema da constituição da matéria ainda não está bem definido, tão complexas são as leis que regem o campo do muito pequeno.

Os cientistas dispõem de conhecimentos vastíssimos e de aparelhagem cada vez mais aperfeiçoada e potente, que lhes permitirão descobrir, talvez, num dia não muito longínquo, quais são as partículas elementares dos corpos, isto é, os constituintes últimos da matéria.

A seguir: Radioisótopos e energia atómica.