Os átomos são coisas misteriosas, aparecendo em todos os tipos de formas não relacionadas na linguagem cotidiana. Mesmo que você não seja um especialista em química, provavelmente sabe que no átomo existe uma parte extremamente pequena da matéria e que toda a matéria é composta de pelo menos um tipo de átomo.
"Atômico" como um adjetivo em química e física é literal, referindo-se a uma propriedade da entidade chamada átomo. Em contextos casuais, graças quase exclusivamente aos eventos da Segunda Guerra Mundial, significa "explosivo", o que é enganoso.
Semântica à parte, os átomos são interessantes porque, apesar de serem minúsculos, eles consistem em coisas ainda menores (chamadas de partículas subatômicas). Até o final do século 20, não se sabia ao certo se esses três subatômicos primários as próprias partículas (prótons, nêutrons e elétrons) podem ser separadas em estruturas discretas elementos Alerta de spoiler: eles podem.
O próton é de grande interesse para físicos e físico-químicos por uma série de razões. É uma das duas estruturas subatômicas conhecidas como núcleons, e é a que carrega uma carga elétrica positiva, em contraste com sua companheira de tamanho semelhante no centro atômico.
Enquanto isso, os elétrons, embora minúsculos e impossivelmente distantes do núcleo em relação ao tamanho do átomo, também experimentam interações de força com os prótons. Prepare-se para aprender sobre as várias características distintivas dessas entidades fundamentais.
Visão geral do Atom
Você pode já estar familiarizado com os átomos em geral, mas nunca é uma má ideia ter o essencial em sua mente quando você começa a explorar partes dele com mais detalhes.
Em 2020, havia 118 elementos conhecidos, ou "variedades" individuais de átomos. Cada átomo tem de um a 118 prótons, que também é o número atômico na tabela periódica dos elementos e o número que determina a identidade do elemento. Todos os elementos além do hidrogênio também incluem nêutrons, que são muito próximos em massa aos prótons. O número de nêutrons é igual ou próximo ao número de prótons, com essas variações de elementos conhecidas como isótopos.
A massa dos prótons e nêutrons de um átomo é responsável por quase toda a massa do átomo, porque o terceiro tipo de partícula subatômica tem apenas cerca de 1/1800 da massa de um próton ou de um nêutron.
Mas as partículas chamadas elétrons são de vital importância para a organização da tabela periódica, pois é o número e a disposição destes carregados negativamente partículas que dão aos elementos individuais suas propriedades de ligação, ou seja, a maneira pela qual eles se conectam (ou não conseguem se conectar) a outros átomos.
Os prótons e nêutrons são agrupados no núcleo, com o número total dessas partículas variando de 1 a mais de 200 para os elementos mais pesados. Curiosamente, o núcleo não aumenta muito de tamanho quando mais prótons e nêutrons são adicionados, mas o átomo como um todo aumenta.
Isso ocorre porque os elétrons, idênticos em número aos prótons, estão bem fora do núcleo em "nuvens de probabilidade" correspondendo à energia, e o tamanho destes cresce com o número atômico mesmo que o núcleo permaneça próximo do mesmo Tamanho.
Prótons essenciais
Os prótons ficam nos núcleos dos átomos e podem ser considerados esféricos para fins conceituais. O mesmo se aplica aos nêutrons, e se você fosse fazer um modelo tridimensional de um átomo simples, poderia escolher bolas de cores diferentes, mas do mesmo tamanho para os prótons e nêutrons.
A massa de um próton é cerca de 1,67 × 10–27 quilogramas (kg). O de um nêutron é ligeiramente maior, cerca de 1,69 × 10–27 kg, e o de um elétron é 9,11 × 10–31 kg. Além disso, a massa de um próton é atribuída a 1 unidade de massa atômica (amu) por conveniência. Esta unidade também é usada para outras partículas subatômicas; a massa dos elétrons em uma (unidades de massa atômica) é 0,00055.
A carga de um próton é chamada de "mais um" ou +1, em relação a outras partículas físicas, uma vez que era uma vez acreditou que os prótons (e elétrons) representavam as menores unidades de carga que qualquer coisa na natureza pode ter. A magnitude deste valor (positivo para prótons, negativo para elétrons, tornando essas partículas, portanto, atraídas umas pelas outras pela força eletrostática) é 1,6 × 10–19 C.
É importante notar, apenas para apreciar o trabalho dos físicos e químicos, que os prótons por muito tempo foram não são considerados para exibir decadência (o que significa que existem basicamente "para sempre" uma vez formados), acredita-se que tenham uma meia-vida de cerca 1032 a 1033 anos. Considerando que a idade do próprio universo está em torno de 1,4 × 1010 anos, ver um próton decair radioativamente seria uma façanha no nível da loteria!
A Estrutura do Próton
Os prótons, por menores que sejam, também são compostos de seus próprios blocos de construção. Tanto prótons quanto nêutrons, na verdade, consistem em três partículas individuais que representam tipos de quarks (mais sobre isso em breve). Tanto os prótons quanto os nêutrons consistem em alguma combinação de três quarks "up" e quarks "down". Mas se o próton tem carga +1 e o nêutron é neutro, como pode ser isso?
A resposta está no fato de que a carga "unitária" ou "fundamental" +1 acaba sendo divisível, afinal, pelo menos na circunstância especial dos quarks. Se um próton consiste em 2 quarks up e 1 quark down, enquanto um nêutron tem 1 quark up e 2 quarks down, atribuir uma carga de + (2/3) ao quark up e - (2/3) ao quark down resolve o problema.
- Existem seis quarks conhecidos ao todo: cima, baixo, cima, baixo, charme e estranho. (Os cientistas às vezes têm convenções de nomenclatura estranhas).
Prótons e nêutrons são considerados bárions, a classe mais pesada de partículas lançadas juntas de quarks. Junto com mesons, eles pertencem a um grupo de partículas conhecido como hádrons, que estão sujeitos à força nuclear forte ou a "cola" que mantém os prótons e nêutrons juntos.
Rotação do próton
Embora a soma das cargas dos quarks que constituem um próton dê a carga total do próton de +1, não é tão simples quando se trata de momento angular, uma propriedade relacionada ao "spin".
Na verdade, um próton não gira como a Terra em torno de seu eixo, mas "giro" é uma boa maneira de imaginar a propriedade de um ângulo intrínseco ou embutido momento de um próton (dado o valor 1/2), que vem principalmente das interações entre quarks e partículas chamadas léptons que também compõem certas partículas.
O interessante sobre o spin do próton é que os físicos chegaram ao valor certo (1/2) para o valor errado razões, mas no século 21 foram capazes de harmonizar ideias teóricas de longa data com experimentais resultados.
Contribuições "mágicas" para a massa de prótons
A massa de um próton deve ser menor do que é; somar as massas dos quarks individuais dá um resultado apenas cerca de 9 por cento daquele da massa do próton medida de 1,67 × 10–27 kg. O que está acontecendo para adicionar massa sem adicionar matéria?
Em 2018, um grupo de físicos usou uma técnica emergente e matematicamente complexa chamada cromodinâmica quântica (QCD), ou mais especificamente treliça QCD, para determinar a massa de um próton usando meios não padronizados. Tal como acontece com o spin do próton, esses resultados foram encorajadores, oferecendo insights sobre de onde a massa do próton "vem".
- Massa para partículas subatômicas é freqüentemente dada em elétron-voltsou eV.
