MICROCÓSMOS: O ÁTOMO
O Filósofo Blaise Pascal costumava dizer que mesmo as pessoas que têm noção do infinitamente grande, costumam esquecer-se da existência do infinitamente pequeno.
HISTÓRIA DO ÁTOMO (ANTIGUIDADE) – Acreditava-se que a matéria seria constituída de elementos da natureza como fogo, água, terra e ar, que misturados em diferentes proporções resultariam em propriedades físico-químicas diferentes. Na Grécia surgiram os Atomistas, que propuseram pela primeira vez que todas as coisas eram compostas de ÁTOMOS. A idéia era simples e parecia consistente: se a matéria podia ser dividida em pedaços cada vez menores, devia haver um ponto em que se chegasse à mínima fração possível. Foi assim que os antigos filósofos gregos conceberam os átomos (indivisíveis). A doutrina deve ter-se originado por volta do século V a.C. e seus principais representantes foram Leucipo e Demócrito (cerca de 450 a.C.). Do primeiro quase nada se sabe. O segundo, discípulo daquele, nasceu na Trácia, em torno do ano 460 a.C. Não há certeza da autoria da teoria, e a ligação estreita entre ambos dificulta a identificação do que foi pensado por um ou por outro. Todavia, parece não haver dúvidas de ter sido Demócrito quem de fato sistematizou o pensamento e a teoria atomista. Além de indivisíveis, os átomos de Demócrito eram também invisíveis, devido a sua pequena massa, e só se distinguiam uns dos outros por seu tamanho e por sua forma. As diferentes formas é que davam às diversas substâncias suas propriedades. Os líquidos, por exemplo, deviam sua fluidez ao fato de serem constituídos por átomos esféricos, que deslizavam perfeitamente uns sobre os outros. O atomismo foi das primeiras tentativas de descobrir uma explicação racional para a multiplicidade de seres da natureza.
Demócrito avançou também com o conceito de um universo infinito, onde existem muito outros mundos como o nosso. Na verdade, segundo Demócrito, existe um número infinito de mundos, sendo que pelo menos um deles, e talvez mais do que um, é uma cópia exata do nosso, com pessoas como nós. Ele dizia que o átomo não poderia ser criado ou destruído e que toda a matéria conhecida seria formada por diversas combinações de diferentes átomos. Suas idéias se aproximavam muito dos atuais conceitos de física atômica. Uma célebre frase de Demócrito é: "Tudo que existe no universo é fruto do acaso e da necessidade". Apenas 2.200 anos depois, essas idéias voltaram a ser desenvolvidas e estudadas.
Aristóteles
Houve muitos seguidores da idéia da "partícula indivisível", mas para a maioria isso era um absurdo. Um dos filósofos que rejeitou o modelo de Demócrito foi Aristóteles, um dos maiores pensadores filosóficos de todos os tempos. Aristóteles afirmava que a matéria era contínua, ou seja, a matéria vista como um "todo inteiro", não sendo constituída por partículas indivisíveis. Enfim, o modelo aceito pela maioria até o final do século 16 não foi o de Demócrito e Leucipo, mas sim o de Aristóteles, o modelo da matéria contínua.
Abandonada durante a Idade Média cristã, a idéia foi preservada, no mundo muçulmano. O poeta místico persa do século XIII Djalal ud-Din Rumi chegou a afirmar que os átomos eram divisíveis 700 anos antes da moderna Física. No século 17, experiências demonstraram que o comportamento das substâncias era inconsistente com a idéia de matéria contínua e o modelo de Aristóteles desmoronou. O principal representante do atomismo dessa época foi Pierre Gassendi (1592-1655), professor no Collège Royal, de Paris. Ele procurou sintetizar a filosofia dos antigos gregos com o cristianismo. No século XIX, a partir das teorias sobre gases do inglês John Dalton e do italiano Amadeo Avogadro (que foi um dos primeiros cientistas a distinguir átomos e moléculas), o atomismo deixou o limbo da Filosofia para entrar no terreno da ciência.
No final do século 18, Lavoisier e Proust iniciaram experiências relacionando entre si as massas das substâncias participantes das reações químicas. Surgiram então as leis ponderais das reações químicas (leis formuladas por Lavoisier, Proust, Dalton e Richter).
CONHECENDO O ÁTOMO - No princípio, pouco depois do Big Bang e durante breves instantes existiram muitas outras partículas com mais massa, e muito instáveis. Hoje podemos produzi-las em aceleradores de partículas, a partir de quarks e elétrons, de massa menor. A famosa equação de Einstein nos diz que a massa é uma forma de energia (E = m. c2). Se acelerarmos as partículas fundamentais a velocidades próximas à da luz lhes conferimos muita energia cinética, e se as fizermos colidir, contra um alvo, ou entre si, essa energia se converte em massa que forma novas partículas.
Large Hadron Collider (LHC), do Laboratório Europeu de Física de Partículas - no CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). O círculo grande, onde as partículas são aceleradas, está localizado 100 metros abaixo do solo e possui uma extensão de 27 km. O círculo pequeno marca o perímetro do pequeno Protón-Antipróton Collider, na fronteira entre a Suíça e a França.
Os aceleradores têm estimulado novas idéias e tecnologias que vão muito mais além da Física Fundamental. Têm proporcionado avanços tão espetaculares em campos tão distintos como os supercondutores, de vastíssimas aplicações, a nanotecnologia, etc. Cada boa notícia vinda dos aceleradores de partículas significa um passo a mais para se entender a formação do Universo.
Geralmente, um átomo (formado pelo núcleo e nuvem de elétrons) tem de 2 a 3 angstroms de diâmetro, ou seja, é 100 milhões de vezes menor que uma maçã - o angstrom, ou 1 décimo de bilionésimo de metro - em homenagem ao físico sueco Anders Angstrom (1814-1874). O tamanho deles é tão distante de nossa noção normal de proporções que é muito difícil perceber os tamanhos e distâncias relativos de suas partículas. O átomo é tão incrivelmente pequeno que nem o mais poderoso microscópio do planeta poderia torná-lo visível aos olhos diretamente (os microscópios de tunelamento eletrônico “rastreiam” os átomos, mais ou menos como uma agulha acústica percorre as ranhuras dos antigos discos de vinil). Ele pesa um milionésimo de um bilionésimo de um bilionésimo de uma grama.
O átomo é basicamente feito de espaço vazio. Perguntem-se quantos átomos há numa laranja. Teria de aumentá-la até que ficasse do tamanho da Terra. Os átomos dela, então, ficariam do tamanho de cerejas. Miríades de cerejas contidas numa laranja do tamanho da Terra... E o núcleo seria invisível, e se o átomo fosse do tamanho de uma bola de futebol, ele ainda seria invisível. Teríamos que ampliá-la alguns quilômetros para que o núcleo fosse do tamanho de um grão de areia; quaisquer partículas dentro do átomo seriam grãos de poeira, e todo o resto espaço... Agora reduza essa laranja gigante ao seu tamanho normal...
O núcleo atômico é constituído por prótons, que possuem carga elétrica positiva, e nêutrons que possuem ambas as cargas elétricas (negativa e positiva), o que a torna neutra.
Quanto mais Prótons no Núcleo mais elétrons tende a haver na Eletrosfera, o que torna o Átomo mais Pesado.
As regras no mundo dos átomos fazem parte da Mecânica Quântica. A Física de Newton é ótima para coisas grandes, mas aqui ela não dá certo!
MOLÉCULAS - Tomemos como exemplo um copo de refresco. Nele estão misturadas as Substâncias Água, Açúcar, e outros elementos presentes na fruta. Em Química, isso se chama uma Mistura. Agora vamos nos concentrar no Açúcar. Vamos dividi-lo em pedaços cada vez menores e então chegaremos não no Átomo, mas na MOLÉCULA de açúcar [Molécula - nome derivado do latim que significa “pequeno objeto”]. Se dividirmos a molécula, ela deixa de ser açúcar, o mesmo acontece se dividirmos a molécula de Água. Por isso a Molécula é considerada a menor parte de alguma Substância. As Moléculas são formadas por Átomos, mas esses não são realmente indivisíveis como se pensou durante algum tempo.
Para formar uma molécula de hidrogênio são necessários dois átomos deste elemento; uma molécula de oxigênio necessita de dois átomos de oxigênio; metano necessita de um átomo de carbono e quatro de hidrogênio; e assim sucessivamente. Na gravura, molécula de água, com dois átomos hidrogênio (H) e um de oxigênio (O), cuja fórmula é H2O.
Existem casos de moléculas serem formadas por uma grande quantidade de átomos, são as chamadas macromoléculas. Isto ocorre principalmente com compostos de carbono, pois o átomo de carbono pode partilhar elétrons com até quatro elementos diferentes simultaneamente. Logo, pode ser possível a constituição de cadeias, anéis, e ligações entre estas moléculas longas, que são a base da chamada química orgânica. Essa é a base das moléculas que caracterizam o tecido vivo, ou seja, a base da vida.
MODELOS ATÔMICOS - Até o final do século XIX, o próprio átomo, cujo conceito fora herdado da antiga filosofia grega, ainda era pensado como indivisível. A descoberta do elétron pelo físico inglês Joseph Thomson, em 1897, junto com a descoberta da radiatividade pelo físico francês Henri Becquerel, em 1896, forçaram uma revisão radical da velha idéia.
Dalton é mais conhecido pelo daltonismo, o nome que se dá à incapacidade de distinguir as cores, assunto que ele estudou e mal de que sofria.
O
MODELO ATÔMICO DE THOMSON -
Entre 1813 e 1834, um
cientista chamado Michael Faraday estudou a relação entre as quantidades de
materiais em transformações químicas e de eletricidade necessária para realizar
essas transformações. Esses estudos evoluíram, e Thompson, em 1897, descobre os
raios catódicos* que consiste em fluxo de partículas negativas, a unidade
mais simples de eletricidade, que foi denominada ELÉTRON (do grego “âmbar”,
partícula subatômica e de carga negativa, responsável pela criação de campos
magnéticos e elétricos).
A descoberta de partículas com carga elétrica fez com o modelo atômico de Dalton ficasse superado. Thomson idealizou um experimento para medir a carga elétrica do elétron. Com base em seu experimento, e considerando o átomo eletricamente neutro (com quantidades iguais de partículas positivas e negativas), ele representou o átomo como uma esfera uniforme, de carga positiva, incrustada de elétrons (partículas negativas). Daí vem o nome do modelo: "pudim de passas". Ele sustentava que o átomo era esférico, com uma carga positiva distribuída homogeneamente e dentro dela se encontravam os elétrons incrustados como as passas em um pudim e em quantidade suficiente como para neutralizar a carga total da esfera.
Modelo de Thomson, com o descobrimento do elétron em 1897.
Consideremos um tubo de vidro contendo gás no seu interior e munido de dois eletrodos. Quando o tubo contém gás sob pressão normal, verifica-se que não há descarga elétrica no seu interior, mesmo quando a diferença de potencial é da ordem de 10000 V [foto 1]. Rarefazendo-se o gás, por meio de bombas de vácuo, até atingir a pressão da ordem de 10 mmHg, aparece um fluxo luminoso partindo do cátodo (pólo negativo) e dirigindo-se ao ânodo (pólo positivo) [foto2].
Continuando a rarefação até a pressão seja da ordem de 10-2 mmHg, desaparecerá o feixe luminoso, permanecendo apenas uma mancha luminosa esverdeada na parede do tubo oposta ao cátodo. Os tubos especiais para se conseguir vácuo quase perfeito são chamados de ampolas de Crookes. Como o raio parte do cátodo, ele é chamado de Raio Catódico (radiações onde os elétrons emergem do pólo negativo de um eletrodo, chamado cátodo, e se propagam na forma de um feixe de partículas negativas ou feixe de elétrons acelerado. No tubo de Crookes os raios catódicos produzem ionização nos gases que atravessam, em função disto causam uma fluorescência nas paredes de vidro dos tubos). Em 1879, Joseph John Thomson demonstrou que o feixe era desviado pela ação de campos elétricos.
Com o aparecimento do tubo de Croockes (onde há descargas elétricas em campos elétricos e magnéticos), o físico inglês J. J. Thomson dedicou-se a pesquisar a natureza dos raios catódicos. chegando as seguintes conclusões: 1. Os raios catódicos são perpendiculares à superfície do cátodo e a direção deles não depende da posição do ânodo na ampola. Portanto se propagam em linha reta 2. Os raios catódicos ao baterem na "ventoinha", fazem-na girar. Essas partículas, portanto, possuem massa e, conseqüentemente é matéria. 3. O feixe de raios catódicos é atraído por um campo elétrico positivo. Portanto, os raios catódicos possuem carga negativa.
MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD (1911)
- Em 1908 Ernest Rutherford realizando expeeriências de bombardeio de lâminas de
ouro muito delgadas com partículas alfa (partículas de carga positiva, liberadas
por elementos radioativos), fez uma importante constatação: a grande maioria das
partículas atravessava diretamente a lâmina, algumas sofriam pequenos desvios e
outras, em número muito pequeno (uma em cem mil), sofriam grandes desvios em
sentido contrário, o que o levou a uma conclusão surpreendente: a maior parte do
volume do átomo era, na realidade, ocupada pelo vazio; uma minúscula região no
centro do átomo, o núcleo, positivamente carregado, concentrava quase toda a
massa atômica; em torno dele, como os planetas em redor do Sol, moviam-se os
elétrons, de carga negativa; a atração elétrica entre as cargas opostas é que
manteria os elétrons em suas órbitas, assim como a atração gravitacional mantém
os planetas girando em volta do Sol.
Segundo o sistema de Rutenford o átomo é um sistema descontínuo, quase vazio, ou seja, predominando espaço vazio, formado por núcleo central positivo ao redor do qual giram os elétrons tal como fazem os planetas com respeito ao Sol, seu sistema ficou conhecido como “Modelo Planetário”.
No átomo existem grandes espaços vazios; a maioria das partículas o atravessava sem sofrer nenhum desvio. No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso; algumas partículas alfa colidiam com esse núcleo e voltavam, sem atravessar a lâmina. O núcleo tem carga elétrica positiva; as partículas alfa que passavam perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetória. (Clique aqui e veja a experiência em detalhes).
Rutherford demonstrou ainda que praticamente toda a massa do átomo fica concentrada na pequena região do núcleo. Foi ele também quem, em 1919, chamou de próton a partícula que dá a carga ao núcleo.
Embora sua representação gráfica tenha permanecido como uma espécie de símbolo do átomo, o modelo planetário de Rutherford não perdurou. Como toda teoria tem seu período de desenvolvimento e está sujeita a declínios, logo surgiram dificuldades para a aceitação do modelo de Rutherford: como os elétrons têm carga negativa e o núcleo tem carga positiva, existe atração entre os elétrons e o núcleo, pois cargas elétricas opostas (negativa dos elétrons e positiva do núcleo) atraem-se. Como explicar o fato de os elétrons não caírem sobre o núcleo? Rutherford contornou essa dificuldade admitindo que os elétrons girassem em torno do núcleo em órbitas circulares, a altíssima velocidade, de tal modo que a aceleração centrípeta desenvolvida nesse movimento equilibraria a atração exercida pelo núcleo. No sistema planetário, havia uma explicação semelhante para o fato de o planeta não cair sobre o Sol, embora fosse atraído por ele com uma enorme força gravitacional. O movimento do planeta em sua órbita ao redor do Sol produz uma aceleração centrípeta que se equilibra com a força de atração gravitacional exercida pelo Sol.
Surgiu, então, outra dificuldade: de acordo com a teoria clássica da Eletrodinâmica, uma carga elétrica negativa (elétrons) em movimento ao redor de outra carga elétrica positiva estacionário (núcleo) emite radiação eletromagnética constantemente e essa emissão ocorreria à custa da diminuição de sua energia de movimento, ou energia cinética, perdendo energia. Movendo-se cada vez mais devagar, os elétrons seriam progressivamente atraídos pelos núcleos, até se chocar com eles. Mas isso simplesmente não ocorre.
Coube a Bohr consertar esse evidente engano ao juntar o deficiente modelo de Rutherford com a descoberta dos chamados quanta de energia; mas o modelo planetário de Rutherford foi um grande avanço para a comunidade científica, provando que o átomo não era maciço.
MODELO
ATÔMICO DE BOHR – O primeiro a ultrapassar as
fronteiras do mundo atômico com as novas ferramentas da Física Quântica foi o
físico dinamarquês Niels Bohr Niels Bohr, em 1913. Bohr (que trabalhava com
Rutherford) montou um modelo para explicar o mais simples dos átomos, o do
hidrogênio [o átomo de hidrogênio é constituído por um só elétron, que gira em
torno de um só próton. O hidrogênio é o único elemento cujo átomo não possui
nêutrons]. Nesse modelo há um número preciso de camadas, dispostas
concentricamente em torno do núcleo, nas quais o elétron pode se mover sem
emitir radiação. Essas camadas correspondem aos diferentes níveis de energia que
podem ser assumidos pelo elétron. Como a energia tem uma natureza descontínua,
cada camada é separada da seguinte por uma zona que não pode ser transitada pelo
elétron.
Em primeiro lugar, ele reconheceu que o elétron não pode ter qualquer quantidade de energia, que só está disponível na natureza em pacotes de tamanho definido os quantum. O modelo quântico de Bohr esclarecia em parte o problema da perda de energia ao postular que, quando o elétron está numa órbita permitida, ele não emite radiação. Apenas se receber um quantum do meio exterior, poderá saltar para uma órbita mais afastada; depois, ao retornar, ele devolve ao meio exterior o quantum que havia recebido na forma de luz visível e outros tipos de energia eletromagnética, como microondas ou raios X. Assim, inaugurou-se a utilíssima física atômica dos dias de hoje.
Tomando como modelo o átomo de hidrogênio, formulou sua teoria atômica estabelecendo 3 postulados:
1 – O elétron gira ao redor do núcleo unicamente em certas regiões permitidas chamadas Níveis ou Órbitas [o nível de energia aumenta nas orbitas mais externas];
2- O elétron ainda que se encontre em um determinado nível, não ganha nem perde energia, porque os níveis são estados estacionários de energia.
3 – Quando um elétron passa de um nível a outro, se produz a emissão ou absorção de energia em forma de luz, equivalente a um fóton ou quanta de energia.
Bohr sugeriu que os elétrons giravam ao redor do núcleo em níveis de energia. Um elétron num átomo adquire apenas certas energias, e cada energia é representada por uma órbita definida, particular. Se o elétron recebe energia ele pula para outra órbita mais afastada do núcleo. Pode ocorrer no elétron a perda de energia por irradiação, e sendo assim, o elétron cai para uma órbita mais próxima do núcleo. Todavia o elétron não pode ficar entre duas órbitas definidas, específicas, pois essa não seria uma órbita estável (órbita não específica ). Conclui-se então que: quanto maior a energia do elétron, mais afastado ele está do núcleo. Em outras palavras: um elétron só pode estar em movimento ao redor do núcleo se estiver em órbitas específicas, definidas, e não se encontra em movimento ao redor do núcleo em quaisquer órbitas. As órbitas permitidas constituem os níveis de energia do átomo (camadas K L M N ... ).
Modelo Atômico de Bohr - No caso do átomo mais simples, o do hidrogênio, com apenas um elétron ligado ao núcleo, o modelo de Bohr previa que o raio da próxima órbita após a órbita fundamental teria um raio quatro vezes maior. A terceira órbita com raio nove vezes maior, e assim em diante. Para este átomo o elétron só pode mudar de uma órbita para outra. Assim, se um partícula atingisse o elétron a órbita não seria alterada, a menos que a partícula transferisse ao elétron energia suficiente para passar à próxima órbita ou outra órbita permitida. Se a teoria clássica fosse válida, qualquer órbita seria permitida.
Entre duas órbitas, temos as zonas proibidas de energia, pois só é permitido que o elétron esteja em uma das órbitas. Ao receber um fóton, o elétron salta de órbita, não num movimento contínuo, passando pela área entre as órbitas (daí o nome zona proibida), mas simplesmente desaparecendo de uma órbita e reaparecendo com a quantidade exata de energia. Se um pacote com energia insuficiente para mandar o elétron para órbitas superiores encontrar o elétron, nada ocorre. Mas se um fóton com a energia exata para que o elétron salte para órbitas superiores, ele certamente o fará, depois, devolvendo a energia absorvida em forma de ondas eletromagnéticas.
MODELO PADRÃO DA FÍSICA DE PARTÍCULAS – Verificou-se que os átomos de substâncias como o urânio emitiam diferentes tipos de radiação e se transformavam em substâncias completamente diferentes. Foram identificados três tipos de radiação, que receberam os nomes de alfa, beta e gama. Constatou-se que os raios alfa eram, na verdade, partículas positivamente carregadas que hoje se sabe serem constituídas por dois prótons e dois nêutrons, como os núcleos dos átomos de hélio. Os raios beta são, por sua vez, elétrons de alta energia. E os raios gama, radiação eletromagnética semelhante à luz, mas de comprimento de onda muito menor. Ora, pensaram os físicos, por que não utilizar essas partículas de dimensões subatômicas emitidas pelas substâncias radiativas para inspecionar a constituição interna do próprio átomo?
O método adotado nas modernas pesquisas consiste em acelerar as partículas subatômicas por meio de poderosíssimos campos eletromagnéticos e fazê-las estilhaçar de encontro a outras partículas.
Uma das teorias mais bem sucedidas já elaboradas pelo cérebro humano é o chamado “modelo padrão da física de partículas''. O modelo padrão é, na verdade, um conjunto de teorias que descrevem (até o limite de energia acessível nos modernos aceleradores de partículas) as partículas elementares conhecidas assim como suas interações. Sendo uma teoria quântica de campos, o modelo padrão descreve as partículas elementares (elétron, quarks, fóton etc.) e suas interações por meio de campos quantizados.
O nêutron foi identificado pela primeira vez em 1932 pelo físico britânico J. Chadwik. Os nêutrons são partículas atômicas sem carga elétrica, que funcionam como um campo de força, impedindo que os prótons, de carga positiva, se empurrem uns aos outros e estraçalhem o núcleo. O nêutron é necessário para a estabilidade de quase todos os núcleos atômicos (a única exceção é o hidrogênio). Quando é expulso do núcleo, o nêutron se desintegra para dar lugar a um próton, um elétron e um neutrônio.
Hoje, o modelo atômico que "está em vigor" é o Modelo da Mecânica Quântica ou da Mecânica Ondulatória (Modelo Orbital ou modelo da nuvem de elétrons), criado por Erwin Schrodinger; Ele formulou equações que lhe permitiram calcular a distribuição dos elétrons, o que deu origem aos números quânticos e ao atual modelo atômico. Os elétrons além de descrever trajetórias circulares descrevem também trajetórias elípticas, e a elipticidade da trajetória está relacionada com os subníveis de energia.
Modelo atômico de Schrödinger - A partir das equações de Schrödinger não é possível determinar a trajetória do elétron em torno do núcleo, mas, a uma dada energia do sistema, obtém-se a região mais provável de encontrá-lo. Para Sommerfeld, num nível de energia n, havia uma órbita circular e (n-1) órbitas elípticas de diferentes excentricidades. Por exemplo, no nivel de energia n = 4 (camada N), havia uma órbita circular e três órbitas elípticas. Cada uma das órbitas elípticas constitui um subnível, cada um com sua energia.
Os elétrons não "circulam" exatamente como planetas em torno de uma estrela, seguindo uma órbita elíptica num "plano". Eles possuem um movimento bem mais caótico e imprevisível, na realidade, parecem estar em todos os lugares ao mesmo tempo. O elétron se manifesta como um padrão de probabilidades, espalhado pelo espaço, e a forma deste padrão muda com o tempo, o que para a percepção humana pode parecer movimento. Em outras palavras, o elétron parece ficar espalhado numa vasta região e ao ser medido ele “coagula” num pequeno ponto. Todas as partículas subatômicas manifestam essa estranha existência entre potencialidade e realidade.
O elétron e o próton possuem a mesma carga, porém não a mesma massa. O próton é 1836,11 vezes mais massivo que o elétron. Só para imaginar: se um átomo tivesse o diâmetro da Terra, um elétron teria o tamanho de uma bola de tênis. Os elétrons, em seus orbitais, atingem a velocidade de 960 quilômetros por segundo; os prótons, confinados num volume muitíssimo menor, alcançam a estonteante velocidade de 64 mil quilômetros por segundo.
A corrente elétrica que abastece com energia as nossas casas é proveniente de elétrons em movimento. O tubo de raios catódicos de um televisor se baseia num feixe de elétrons no vácuo que é desviado por campos magnéticos para atingir uma tela fosforescente. Os semicondutores são utilizados em dispositivos tais como os transistores.
Principais partículas e antipartículas conhecidas: Elétron, pósitron, próton, antipróton, nêutron, antinêutron, neutrino, antineutrino, Mésons (pi+, pi0, pi-, mu+, mu-, k+,k-,k0), hiperons (lambda 0, sigma +, sigma 0, sigma -), fótons e grávitons.
A VISÃO QUÂNTICA DO ÁTOMO – Quanto mais se pesquisa a intimidade da matéria, mais surpresas aparecem. Descobriu-se o átomo, mais tarde os elétrons, prótons e nêutrons; atualmente estudam-se partículas menores ainda: os quarks, léptons e bósons.
As órbitas dos elétrons é mais de 1 milhão de vezes menores do que 1 milímetro. E o núcleo onde estão os prótons e os nêutrons é 10.000 vezes menor que o átomo. O próton é dez vezes menor que o núcleo. E cada próton é formado pelo quark que já é 1000 vezes menor que o próton; os nêutrons e prótons são compostos cada um por três quarks. E pode ser que exista algo ainda menor...
Qual a menor partícula existente? Até agora, as menores partículas conhecidas são os quarks, bósons e léptons.
Massa comparada das Partículas Subatômicas e foto de uma colisão de partículas em um acelerador de partículas.
POR QUE NÃO ATRAVESSAMOS OBJETOS, JÁ QUE O ÁTOMO É ESSENCIALMENTE VAZIO? - Não há metáforas possíveis para explicar a consistência da matéria, há apenas equações matemáticas...
As partículas não têm existência independente. Uma partícula é, essencialmente, um conjunto de relações que se estendem para se conectarem a outras coisas. Na física quântica, nunca se tem objetos. A natureza essencial da matéria não está nos objetos, mas nas conexões [façamos uma analogia com o conhecimento e memória humanos, que não está nas células nervosas, os neurônios, mas nas suas conexões, as sinapses].
Os padrões de probabilidades desses elétrons dispõem-se como “conchas” ao redor do núcleo, cada uma contendo alguns elétrons. Dentro das “conchas” eles estão em todo lugar ao mesmo tempo, mas os padrões em forma de conchas são muito estáveis e muito difíceis de ser comprimidos. A matéria é sólida por que padrões de probabilidade são difíceis de ser comprimidos!
Átomo de silício, com 14 elétrons.
No nível subatômico, há uma troca contínua de matéria e energia entre os “corpos”; e entre minha mão e o teclado em que digito estas palavras, e o ar que me cerca, e até o monitor do meu PC, à minha frente. Uma troca real de fótons e elétrons ocorre. No fim das contas, somos todos partes de uma teia inseparável de relações.
CONSTRUÍNDO ÁTOMOS ARTIFICIAIS - Existem 92 elementos químicos no Universo, ou seja, tudo no Universo é composto por apenas 92 elementos químicos (tipos de átomos). Dez desses elementos naturais já eram conhecidos desde a Antigüidade: carbono, enxofre, antimônio, ferro, ouro, prata, mercúrio, chumbo e estanho. Mas o homem já aprendeu a montar átomos artificiais, além dos limites da natureza, os chamados elementos transurânicos, ou seja, mais pesados que o urânio.
O próton pode realizar o sonho aparentemente absurdo dos alquimistas: transmutar os elementos. Com ele, é possível transformar o ferro em ouro. Sem truques nem efeitos especiais; é preciso quebrar o núcleo do átomo para mudá-lo. E muito mais: apenas pela soma de prótons, uma a um, a natureza consegue criar tudo o que existe no Universo. Assim, o homem começou a entender as reações envolvidas na fissão nuclear e entrou na era atômica.
Mas existe um limite a essa soma de partículas: um átomo não pode ter mais do que 92 prótons. Acima disso, ele não se agüenta inteiro e começa a se desfazer. Assim, do levíssimo hidrogênio ao pesado urânio não existe mais do que dois elementos naturais; qualquer átomo maior do que o urânio tem um tempo de vida tão breve que já desapareceu da face da Terra e do próprio Universo.
Até hoje, já foram criados dezessete desses novos elementos, com até 109 prótons A maioria surgiu de dentro de potentes aceleradores de partícula (como o da foto que encabeça este artigo), como os cíclotrons. Outros, como o einstênio e o férmio, foram identificados em explosões de bombas atômicas, em testes realizados no Oceano Pacífico. Muitos deles, de vida curtíssima, só podem ser percebidos por alguns milésimos de segundo, por meio de sofisticados aparelhos. São átomos batizados com nomes bastante estranhos, em homenagem a grandes químicos e físicos, como einstênio (Albert Einstein), mendelévio (Dmitri Mendeleev), rutherfórdio (Ernest Rutherford) e seabórguio (Glenn Seaborg).
Talvez menos conhecido, mas não menos importante do que os cientistas anteriores, o químico nuclear americano Glenn Seaborg é um dos principais construtores de átomos do mundo: além de fabricar um dos primeiros elementos transurânicos, o plutônio, em 1940, ele participou da sintetização de outros nove elementos artificiais. A construção de elementos superpesados é uma forma de estudar a estrutura dos átomos e seus núcleos.
