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Componentes

Partículas subatómicas

Ver artigo principal: Partícula subatómica

Embora o significado original do termo átomo designasse uma partícula que não pode ser dividida em partículas mais pequenas, no contexto científico contemporâneo o átomo é constituído por várias partículas subatómicas: o eletrão, o protão e o neutrão. No entanto, um átomo de hidrogénio-1 não tem neutrões e um ião de hidrogéneo não tem eletrões.

Os eletrões são de longe a partícula com menor massa, com apenas 6971911000000000000♠911×10⁻³¹ kg, tendo Carga elétrica negativa e uma dimensão de tal modo reduzida que não é possível a sua medição com a tecnologia atual. Os protões têm carga positiva e massa 1.836 vezes maior do que a dos eletrões, de 6977167260000000000♠16726×10⁻²⁷ kg, embora esse valor possa ser menor em função de alterações na energia de ligação nuclear. Os neutrões não possuem carga elétrica e têm massa 1839 vezes superior à massa dos eletrões, ou 6973169290000000000♠1.6929×10⁻²⁷ kg. Neutrões e protões possuem dimensões comparáveis - na ordem de 6985250000000000000♠2.5×10⁻¹⁵ m - embora a superfície destas partículas não tenha contornos precisos.

No Modelo Padrão da Física, os eletrões são partículas verdadeiramente elementares sem qualquer estrutura interna. No entanto, tanto os protões como os neutrões são partículas compostas, formadas por partículas elementares denominadas quarkss. Existem dois tipos de quarks nos átomos, cada um com carga elétrica fracionada. Os protões são constituídos por dois up quarks (cada um com carga +2⁄3) e um down quark (com carga −1⁄3). Os neutrões consistem num up quark e dois down quark. Esta diferença é responsável pelos diferentes valores de massa e carga entre as duas partículas.

Os quarks mantêm-se unidos através da força forte, mediada pelos gluões. Por outro lado, os protões e neutrões mantêm-se unidos através da força nuclear, um resíduo da força forte com diferentes propriedades. O gluão é um membro da família dos bosãos de calibre, que são partículas elementares que medeiam a forças físicas.

Núcleo

Ver artigo principal: Núcleo atómico

Todos os protões e neutrões ligados num átomo formam um pequeno núcleo atómico, sendo designados coletivamente por nucleões. O raio de um núcleo é aproximadamente igual a 1,07 ³√A fm, onde A é o número total de nucleões. Este valor é muito inferior ao raio do próprio átomo, que está na ordem dos 10⁵ fm. Os nucleões mantêm-se unidos através de um potencial atrativo de curto alcance denominado força nuclear residual. A distâncias inferiores a 2,5 fm esta força é muito mais poderosa que a força eletrostática que faz com que os protões de carga positiva se repelem mutuamente.

Os átomos de um mesmo elemento químico têm sempre o mesmo número de protões, o que se designa por número atómico. Entre cada elemento, o número de neutrões pode variar, determinando desta forma o isótopo desse elemento. O número total de protões e neutrões determina o nuclídeo. O número de protões relativamente ao número de neutrões determina a estabilidade do núcleo, havendo determinados isótopos que são radioativos.

Os neutrões e protões são tipos diferentes de fermiões. O Princípio de exclusão de Pauli é um princípio de mecânica quântica que proíbe que fermiões idênticos, tais como múltiplos protões, de ocupar o mesmo estado físico quântico ao mesmo tempo. Por conseguinte, todos os protões no núcleo devem ocupar um estado diferente, com um nível de energia próprio, aplicando-se a mesma regra a todos os neutrões. Esta proibição não se aplica a um protão e neutrão que ocupem o mesmo estado quântico.

Nos átomos com números atómicos baixos, um núcleo que tenha um número de protões diferente do de neutrões pode decair para um estado de energia inferior através de radioatividade, de forma a que o número de protões e eletrões seja igualado. Por este motivo, os átomos com número semelhante de protões e neutrões são mais estáveis em relação à radioatividade. No entanto, à medida que o número atómico aumenta, a repulsa mútua entre os protões requer uma proporção cada vez maior de neutrões para manter a estabilidade do núcleo. Assim, não existem núcleos estáveis com o mesmo número de protões e neutrões acima do número atómico 20 (cálcio) e, à medida que o valor aumenta, o rácio entre protões e neutrões necessário à estabilidade aumenta para cerca de 1,5.

O número de protões e neutrões no núcleo atómico pode ser alterado, embora possa ser necessária grande quantidade de energia para vencer a força forte. A fusão nuclear dá-se quando várias partículas atómicas se juntam para formar um núcleo mais pesado, como a que ocorre quando dois núcleos colidem. Por exemplo, no interior do Sol os protões necessitam de energia na ordem dos 3–10 keV para vencer a sua repulsa mútua - a barreira de Coulomb - e se fundirem num único núcleo. A fissão nuclear é o processo oposto, na qual o núcleo se divide em dois núcleos mais pequenos, normalmente através de radioatividade. O núcleo também pode ser modificado através do bombardeio com partículas subatómicas de elevada energia ou fotões. Se isto modificar o número de protões dentro do núcleo, o átomo muda para um elemento químico diferente.

Se, depois de uma reação de fusão, a massa de um núcleo for menor que a soma das massas das várias partículas, a diferença entre estes dois valores pode ser emitida através de energia útil (como raios gama ou a energia cinética de uma partícula beta), tal como descrito na fórmula de equivalência massa-energia de Einstein 'E = mc², na qual m é a perda de massa e c é a velocidade da luz. Este défice é parte da energia de ligação do novo núcleo, sendo a perda irrecuperável de energia que faz com que as partículas fundidas se mantenham juntas.

A fusão de dois núcleos que dêem origem a núcleos maiores com números atómicos inferiores aos do ferro e níquel (60) é geralmente uma reação exotérmica que liberta mais energia do que aquela necessária para os fundir. É este processo de libertação de energia que faz da fusão nuclear em estrelas uma reação auto-sustentável. Em núcleos mais pesados, a energia de ligação por cada nucleão dentro do núcleo começa a ser cada vez menor. Isto significa que os processos de fusão que produzam núcleos com número atómico superior a 26 e massa atómica superior a 60 são reações endergónicas. Estes núcleos de maior massa não são capazes de dar origem a uma reação de fusão produtora de energia que sustente o equilíbrio hidrostático de uma estrela.

Nuvem de eletrões

Ver artigos principais: Orbital atómico e Configuração electrónica

Os eletrões de um átomo são atraídos para os protões do núcleo através de força eletromagnética. Esta força prende os eletrões no interior de um poço de potencial eletrostático em redor do núcleo mais pequeno, o que significa que é necessária uma fonte de energia externa para o eletrão escapar. Quando mais perto está o eletrão do núcleo, maior a força de atração. Assim, os eletrões que estejam ligados mais perto do centro do poço de potencial requerem mais energia para escapar do que aqueles na periferia.

Os eletrões, tal como outras partículas, têm propriedades tanto de partícula como de onda. A nuvem de eletrões é uma região no interior do poço de potencial na qual cada eletrão forma um tipo de onda estacionária tridimensional - uma onda que não se move em relação ao núcleo. Este comportamento é definido por uma orbital atómica, uma função matemática que caracteriza a probabilidade de um eletrão aparentar estar em determinada localização quando a sua posição é medida. Só existe um número limitado de orbitais em redor do núcleo, uma vez que outros possíveis padrões de onda rapidamente decaem para formas mais estáveis. As orbitais podem ter um ou mais anéis ou nós, e diferem entre si em termos de tamanho, forma e direção.

Cada orbital atómica corresponde a um determinado nível de energia de um eletrão. Um eletrão pode alterar o seu estado para um nível de energia superior ao absorver um fotão com energia suficiente para o impulsionar para o novo estado quântico. Da forma semelhante, através de emissão espontânea, um eletrão que se encontre num estado superior de energia pode descer para um estado inferior ao emitir a energia em excesso através de fotões. Estes valores de energia característicos, definidos pelas diferencias de energia nos estados quânticos, são responsáveis pelas linhas espectrais atómicas.

A quantidade de energia necessária para remover ou acrescentar um eletrão - a energia de ligação de eletrões – é muito inferior à energia de ligação de nucleões. Por exemplo, só são necessários 13,6 eV para remover um eletrão de um átomo de hidrogénio, em comparação com os 2.23 milhões eV para dividir um núcleo de deutério. Os átomos são eletricamente neutros quando têm um número igual de protões e eletrões. Os átomos que têm défice ou excesso de eletrões são denominados iões. Os eletrões mais afastados do núcleo podem ser transferidos para outros átomos ou partilhados entre átomos. Através deste mecanismo, os átomos são capazes de se ligar em moléculas ou outros tipos de compostos químicos como cristais iónicos ou covalentes.

Propriedades

Propriedades nucleares

Ver artigo principal: Isótopo

Por definição, quaisquer dois átomos com número idêntico de protões nos seus núcleos pertencem ao mesmo elemento químico. Átomos com número idêntico de protões, mas diferente número de neutrões são diferentes isótopos do mesmo elemento. Por exemplo, todos os átomos de hidrogénio admitem exatamente um único protão, mas existem isótopos sem neutrões (hidrogénio-1), um neutrão (deutério), dois neutrões (trítio) e mais do que dois neutrões. Os elementos conhecidos formam um conjunto de números atómicos, desde o hidrogénio, com apenas um único protão, até ao ununóctio, com 118 protões. Todos os isótopos conhecidos de elementos com números atómicos maiores do que 82 são radioativos.

Na Terra existem naturalmente cerca de 339 nuclídeos, dos quais não se observou qualquer decaimento em 254 (aprox. 75%), denominados isótopos estáveis. No entanto, apenas 90 destes nuclídeos não são possíveis de decair, mesmo em teoria. Nos restantes 164 não foi ainda observado qualquer decaimento, embora em teoria tal seja possível, sendo também classificados como estáveis. Para além destes, 34 nuclídeos radioativos têm uma meia-vida superior a 80 milhões de anos e um ciclo de vida suficiente para estarem presentes desde o nascimento do sistema solar. Esta coleção de 288 nuclídeos é denominada nuclídeos primordiais. Conhece-se ainda mais 51 nuclídeos de vida curta que ocorrem de forma natural, enquanto produto do decaimento de nuclídeos primordiais (como o rádio a partir do urânio), ou produto de processos energéticos naturais na Terra, como o bombardeio de raios cósmicos (por exemplo, o carbono-14).

Existe pelo menos um isótopo estável em 80 dos elementos químicos. Regra geral, existem poucos isótopos estáveis para cada um destes elementos, em média 3,2 isótopos estáveis por elemento. Vinte e seis elementos têm um único isótopo estável, enquanto que é no estanho que se observa o maior número de isótopos estáveis (10). Os elementos 43, 61, e todos os elementos iguais ou superiores a 83 não têm isótopos estáveis.

A estabilidade dos isótopos é influenciada pela proporção entre protões e neutrões e pela presença de determinados números de neutrões e protões que representam camadas quânticas abertas e fechadas.