Os átomos são as unidades básicas da matéria e a estrutura definidora dos elementos. O termo "átomo" vem da palavra grega indivisível, porque se pensava que os átomos eram as menores coisas do universo e não podiam ser divididos. Agora sabemos que os átomos são compostos de três partículas: prótons, nêutrons e elétrons - que são compostos de partículas ainda menores, como quarks.
Os átomos foram criados após o Big Bang, há 13,7 bilhões de anos. À medida que o novo universo quente e denso esfriava, as condições se tornavam adequadas para a formação de quarks e elétrons. Quarks se uniram para formar prótons e nêutrons, e essas partículas se combinaram em núcleos. Tudo isso ocorreu nos primeiros minutos da existência do universo, de acordo com o CERN.
Demorou 380.000 anos para o universo esfriar o suficiente para desacelerar os elétrons, para que os núcleos pudessem capturá-los para formar os primeiros átomos. Os átomos mais antigos eram principalmente hidrogênio e hélio, que ainda são os elementos mais abundantes no universo, segundo o Jefferson Lab. A gravidade eventualmente causou nuvens de gás se fundirem e formar estrelas, e átomos mais pesados foram (e ainda são) criados dentro das estrelas e enviados por todo o universo quando a estrela explodiu (supernova).
Partículas atômicas
Prótons e nêutrons são mais pesados que os elétrons e residem no núcleo no centro do átomo. Os elétrons são extremamente leves e existem em uma nuvem que orbita o núcleo. A nuvem de elétrons tem um raio 10.000 vezes maior que o núcleo, de acordo com o Laboratório Nacional de Los Alamos.
Prótons e nêutrons têm aproximadamente a mesma massa. No entanto, um próton é cerca de 1.835 vezes mais massivo que um elétron. Os átomos sempre têm um número igual de prótons e elétrons, e o número de prótons e nêutrons também é geralmente o mesmo. Adicionar um próton a um átomo cria um novo elemento, enquanto adicionar um nêutron cria um isótopo, ou versão mais pesada, desse átomo.
Núcleo
O núcleo foi descoberto em 1911 por Ernest Rutherford, físico da Nova Zelândia. Em 1920, Rutherford propôs o nome próton para as partículas carregadas positivamente do átomo. Ele também teorizou que havia uma partícula neutra dentro do núcleo, que James Chadwick, físico britânico e estudante de Rutherford, conseguiu confirmar em 1932.
Praticamente toda a massa de um átomo reside em seu núcleo, de acordo com o Chemistry LibreTexts. Os prótons e nêutrons que compõem o núcleo têm aproximadamente a mesma massa (o próton é um pouco menor) e têm o mesmo momento angular, ou rotação.
O núcleo é mantido unido pela força forte, uma das quatro forças básicas da natureza. Essa força entre os prótons e nêutrons supera a força elétrica repulsiva que, de outra forma, separaria os prótons, de acordo com as regras da eletricidade. Alguns núcleos atômicos são instáveis porque a força de ligação varia para átomos diferentes com base no tamanho do núcleo. Esses átomos decaem para outros elementos, como o carbono-14, que se transforma em nitrogênio-14.
Prótons
Os prótons são partículas carregadas positivamente encontradas dentro dos núcleos atômicos. Rutherford os descobriu em experimentos com tubos de raios catódicos realizados entre 1911 e 1919. Os prótons são cerca de 99,86% tão grandes quanto os nêutrons.
O número de prótons em um átomo é exclusivo para cada elemento. Por exemplo, átomos de carbono têm seis prótons, átomos de hidrogênio têm um e átomos de oxigênio têm oito. O número de prótons em um átomo é referido como o número atômico desse elemento. O número de prótons também determina o comportamento químico do elemento. Os elementos são organizados na Tabela Periódica dos Elementos em ordem crescente de número atômico.
Três quarks compõem cada próton - dois quarks "up" (cada um com uma carga positiva de dois terços) e um quark "down" (com uma carga negativa de um terço) - e são mantidos juntos por outras partículas subatômicas chamadas glúons, que são sem massa.
Elétrons
Os elétrons são minúsculos em comparação com prótons e nêutrons, mais de 1.800 vezes menores que um próton ou um nêutron. Os elétrons são cerca de 0,054% tão massivos quanto os nêutrons, de acordo com o Jefferson Lab.
Joseph John (J.J.) Thomson, físico britânico, descobriu o elétron em 1897, de acordo com o Science History Institute. Originalmente conhecidos como "corpúsculos", os elétrons têm uma carga negativa e são eletricamente atraídos pelos prótons com carga positiva. Os elétrons circundam o núcleo atômico em vias chamadas orbitais, uma idéia que foi apresentada por Erwin Schrödinger, físico austríaco, na década de 1920. Hoje, esse modelo é conhecido como modelo quântico ou modelo de nuvem de elétrons. Os orbitais internos ao redor do átomo são esféricos, mas os orbitais externos são muito mais complicados.
A configuração eletrônica de um átomo refere-se às localizações dos elétrons em um átomo típico. Usando a configuração eletrônica e os princípios da física, os químicos podem prever as propriedades de um átomo, como estabilidade, ponto de ebulição e condutividade, de acordo com o Laboratório Nacional de Los Alamos.
Nêutrons
A existência do nêutron foi teorizada por Rutherford em 1920 e descoberta por Chadwick em 1932, de acordo com a American Physical Society. Nêutrons foram encontrados durante experimentos quando átomos foram atingidos por uma fina folha de berílio. Partículas subatômicas sem carga foram liberadas - o nêutron.
Nêutrons são partículas não carregadas encontradas em todos os núcleos atômicos (exceto hidrogênio). A massa de um nêutron é um pouco maior que a de um próton. Como os prótons, os nêutrons também são feitos de quarks - um quark "up" (com uma carga de 2/3 positiva) e dois quarks "down" (cada um com uma carga negativa de um terço).
História do átomo
A teoria do átomo data pelo menos desde 440 a.C. a Demócrito, um cientista e filósofo grego. Demócrito provavelmente construiu sua teoria dos átomos sobre o trabalho de filósofos do passado, de acordo com Andrew G. Van Melsen, autor de "De Átomos ao átomo: a história do átomo conceitual" (Duquesne University Press, 1952).
A explicação de Demócrito sobre o átomo começa com uma pedra. Uma pedra cortada ao meio dá duas metades da mesma pedra. Se a pedra fosse cortada continuamente, em algum momento existiria um pedaço pequeno o suficiente para não poder mais ser cortado. O termo "átomo" vem da palavra grega indivisível, que Demócrito concluiu que deve ser o ponto em que um ser (qualquer forma de matéria) não pode mais ser dividido.
Sua explicação incluiu as idéias de que os átomos existem separadamente um do outro, que há uma quantidade infinita de átomos, que átomos são capazes de se mover, que eles podem se combinar para criar matéria, mas não se fundem para se tornar um novo átomo, e que eles não pode ser dividido, de acordo com o Universe Today. No entanto, como a maioria dos filósofos da época - especialmente o muito influente Aristóteles - acreditava que toda a matéria era criada da terra, do ar, do fogo e da água, a teoria atômica de Demócrito foi posta de lado.
John Dalton, um químico britânico, baseou-se nas idéias de Demócrito em 1803, quando apresentou sua própria teoria atômica, de acordo com o departamento de química da Universidade Purdue. A teoria de Dalton incluía várias idéias de Demócrito, como átomos são indivisíveis e indestrutíveis e que átomos diferentes se formam para criar toda a matéria. As adições de Dalton à teoria incluíram as seguintes idéias: Que todos os átomos de um determinado elemento eram idênticos, que átomos de um elemento terão pesos e propriedades diferentes dos átomos de outro elemento, que átomos não podem ser criados ou destruídos e que a matéria é formada por átomos combinando em números inteiros simples.
Thomson, o físico britânico que descobriu o elétron em 1897, provou que os átomos podem ser divididos, de acordo com a Chemical Heritage Foundation. Ele foi capaz de determinar a existência de elétrons estudando as propriedades da descarga elétrica em tubos de raios catódicos. De acordo com o artigo de Thomson em 1897, os raios foram desviados dentro do tubo, o que provou que havia algo que era carregado negativamente dentro do tubo de vácuo. Em 1899, Thomson publicou uma descrição de sua versão do átomo, comumente conhecida como "modelo de pudim de ameixa". Um trecho deste artigo é encontrado no site da equipe da Chem. O modelo do átomo de Thomson incluía um grande número de elétrons suspensos em algo que produzia uma carga positiva, dando ao átomo uma carga neutra geral. Seu modelo lembrava pudim de ameixa, uma sobremesa britânica popular que tinha passas suspensas em uma bola redonda tipo bolo.
O próximo cientista a modificar e avançar ainda mais o modelo atômico foi Rutherford, que estudou com Thomson, de acordo com o departamento de química da Universidade de Purdue. Em 1911, Rutherford publicou sua versão do átomo, que incluía um núcleo carregado positivamente, orbitado por elétrons. Esse modelo surgiu quando Rutherford e seus assistentes dispararam partículas alfa em finas folhas de ouro. Uma partícula alfa é composta de dois prótons e dois nêutrons, todos mantidos juntos pela mesma força nuclear forte que liga o núcleo, de acordo com o Laboratório Jefferson.
Os cientistas notaram que uma pequena porcentagem das partículas alfa estava espalhada em ângulos muito grandes em relação à direção original do movimento, enquanto a maioria passava direto, dificilmente perturbada. Rutherford conseguiu aproximar o tamanho do núcleo do átomo de ouro, descobrindo que ele era pelo menos 10.000 vezes menor que o tamanho de todo o átomo, com grande parte do átomo sendo espaço vazio. O modelo do átomo de Rutherford ainda é o modelo básico usado hoje.
Vários outros cientistas promoveram o modelo atômico, incluindo Niels Bohr (construído sobre o modelo de Rutherford para incluir propriedades de elétrons baseados no espectro de hidrogênio), Erwin Schrödinger (desenvolveu o modelo quântico do átomo), Werner Heisenberg (afirmou que não se pode conhecer os dois posição e velocidade de um elétron simultaneamente) e Murray Gell-Mann e George Zweig (desenvolveram independentemente a teoria de que prótons e nêutrons eram compostos de quarks).
