Melhor resposta
A massa de um átomo de um elemento é a soma total da massa de todos os prótons e de todos os nêutrons. Massa de os elétrons são desprezíveis
Há um único próton e uma única eleição no átomo de hidrogênio e não há nêutron
Então, massa de um átomo de hidrogênio = massa de um próton + massa de um elétron
Todos os outros elementos têm mais prótons e nêutrons do que o hidrogênio
Portanto, o hidrogênio é o elemento mais leve da tabela periódica.
Resposta
Os átomos são pequenos. Muito, muito pequeno. Você provavelmente já deve ter ouvido que a matéria é feita de pacotes dessas pequenas coisas. Você provavelmente também saberá que não pode vê-los a olho nu. Dizem que devemos confiar na ideia de que os átomos estão lá, interagindo uns com os outros e sendo blocos de construção para o nosso mundo.
Para a maioria das pessoas, porém, isso não é bom o suficiente. A ciência se orgulha de usar observações reais para desvendar os mistérios do universo – então, como chegamos à conclusão de que os átomos existem e o que aprendemos sobre essas estruturas minúsculas?
Pode parecer como se houvesse uma maneira simples de provar que os átomos existem: colocá-los sob o microscópio. Mas essa abordagem não funcionará. Na verdade, mesmo os microscópios de foco de luz mais poderosos não conseguem visualizar átomos individuais. O que torna um objeto visível é a maneira como ele desvia as ondas de luz visíveis. Os átomos são muito menores do que o comprimento de onda da luz visível que os dois realmente não interagem. Em outras palavras, os átomos são invisíveis para se iluminar. No entanto, os átomos têm efeitos observáveis em algumas das coisas que podemos ver.
A luz visível não pode revelar átomos individuais (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
A luz visível não pode revelar átomos individuais (Crédito: Yevgen Lyashko / Alamy Stock Photo)
Centenas de anos atrás, em 1785, o cientista holandês Jan Ingenhousz estava estudando um fenômeno estranho que ele não conseguia entender. Minúsculas partículas de pó de carvão estavam se espalhando na superfície de um pouco de álcool em seu laboratório.
Mesmo os microscópios de foco de luz mais poderosos não conseguem visualizar átomos isolados
Cerca de 50 anos depois , em 1827, o botânico escocês Robert Brown descreveu algo curiosamente semelhante. Ele tinha seu microscópio apontado para alguns grãos de pólen. Brown percebeu que alguns dos grãos liberavam partículas minúsculas – que então se afastavam do grão de pólen em uma dança aleatória e instável.
No início, Brown se perguntou se as partículas eram realmente algum tipo de organismo desconhecido. Ele repetiu o experimento com outras substâncias como pó de rocha, que ele sabia não estar vivo, e viu o mesmo movimento estranho novamente.
Levaria quase outro século para a ciência oferecer uma explicação. Einstein apareceu e desenvolveu uma fórmula matemática que previa esse tipo de movimento muito particular – então chamado de movimento browniano, em homenagem a Robert Brown.
A teoria de Einstein era que as partículas dos grãos de pólen estavam sendo movidas porque eles estavam constantemente colidindo com milhões de moléculas menores de água – moléculas que eram feitas de átomos.
Pode ser uma surpresa que os átomos possam ser quebrados – especialmente porque “atomos” significa “indivisível”
“Ele explica esse movimento oscilante que você vê como sendo realmente causado pelo impacto de moléculas individuais de água nas partículas de poeira ou o que quer que haja no seu líquido”, explica Harry Cliff no Universidade de Cambridge, que também é curadora do Museu da Ciência de Londres.
Em 1908, observações baseadas em cálculos confirmaram que os átomos eram reais. Em cerca de uma década, os físicos seriam capazes de ir mais longe. Ao separar átomos individuais, eles começaram a ter uma noção de sua estrutura interna.
Pode ser uma surpresa que os átomos possam ser quebrados – particularmente porque o próprio nome átomo deriva do termo grego “atomos” , que significa “indivisível”. Mas os físicos agora sabem que os átomos não são pequenas bolas sólidas. É melhor pensar neles como minúsculos sistemas elétricos “planetários”. Eles são normalmente compostos de três partes principais: prótons, nêutrons e elétrons. Pense nos prótons e nêutrons formando um “sol”, ou núcleo, no centro do sistema. Os elétrons orbitam esse núcleo, como planetas.
Os átomos são feitos de partículas menores (Crédito: Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Os átomos são feitos de partículas menores (Crédito : Science Photo Library / Alamy Stock Photo)
Se os átomos são impossivelmente pequenos, essas partículas subatômicas são ainda mais. Curiosamente, a primeira partícula descoberta era na verdade a menor das três – o elétron.
Para se ter uma ideia da diferença de tamanho aqui, os prótons no núcleo são na verdade cerca de 1.830 vezes maiores que os elétrons. . Imagine uma pequena bola de gude orbitando um balão de ar quente – esse é o tipo de discrepância de que estamos falando aqui.
De certa forma, é um dos primeiros aceleradores de partículas
Mas como sabemos que essas partículas estão lá? A resposta é porque, embora minúsculos, eles podem ter um grande impacto. O físico britânico que descobriu os elétrons, JJ Thomson, usou um método particularmente atraente para provar sua existência em 1897.
Seu dispositivo especial era chamado de tubo de Crookes – um pedaço de vidro de formato engraçado do qual quase todo o ar foi sugado por uma máquina. Em seguida, uma carga elétrica negativa foi aplicada a uma extremidade do tubo. Essa carga foi suficiente para remover as moléculas de gás restantes no tubo de alguns de seus elétrons. Os elétrons são carregados negativamente, então eles voaram pelo tubo em direção à outra extremidade. Graças ao vácuo parcial, esses elétrons foram capazes de disparar através do tubo sem que nenhum átomo grande atrapalhasse.
A carga elétrica fez os elétrons se moverem muito rapidamente – cerca de 37.000 milhas por segundo (59.500 quilômetros por segundo) – até que eles se chocaram contra o vidro na extremidade oposta, lançando ainda mais elétrons associados aos átomos ali. Surpreendentemente, as colisões entre essas partículas assustadoramente minúsculas geraram tanta energia que criaram um brilho verde-amarelo fantástico.
Um tubo de Crookes com metal em forma de cruz de Malta (Crédito: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
Um tubo de Crookes com metal em forma de cruz maltesa (Crédito: sciencephotos / Alamy Stock Photo)
“De certa forma, é um dos primeiros aceleradores de partículas”, diz Cliff. “Ele está acelerando os elétrons de uma extremidade à outra do tubo e eles atingem a tela na outra extremidade e dão esse brilho fosforescente.”
A descoberta do elétron sugeriu que havia mais para aprender sobre os átomos
Como Thomson descobriu que podia realmente dirigir os feixes de elétrons com ímãs e campos elétricos, ele sabia que eles não eram apenas raios de luz estranhos – eles tinham que ser partículas carregadas.
E se você está se perguntando como esses elétrons podem voar independentemente de seus átomos, é por causa de um processo chamado ionização, no qual – neste caso – uma carga elétrica altera a estrutura do átomo, empurrando esses elétrons para o espaço ao redor.
Na verdade, é porque os elétrons são facilmente manipulados e movidos que os circuitos elétricos são possíveis. Elétrons em um fio de cobre viajam em um movimento semelhante ao de um trem de um átomo de cobre para o próximo – e é isso que carrega a carga através do fio até a outra extremidade. Os átomos, é importante notar novamente, não são pequenos pedaços sólidos de matéria, mas sistemas que podem ser modificados ou sofrer mudanças estruturais.
As lâmpadas brilham por causa do fluxo de elétrons (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Foto)
As lâmpadas brilham por causa do fluxo de elétrons (Crédito: Feng Yu / Alamy Stock Photo)
Mas a descoberta do elétron sugeriu que havia mais para aprender sobre os átomos. O trabalho de Thomson revelou que os elétrons são carregados negativamente – mas ele sabia que os próprios átomos não tinham carga total. Ele raciocinou que deviam conter partículas misteriosas com carga positiva para cancelar os elétrons com carga negativa.
Ele havia demonstrado a existência de um núcleo denso dentro do átomo
Experiências no início do século 20 Century identificou essas partículas carregadas positivamente e, ao mesmo tempo, revelou a estrutura interna semelhante ao sistema solar do átomo.
Ernest Rutherford e seus colegas pegaram uma folha de metal muito fina e colocaram-na sob um feixe de radiação carregada positivamente – um fluxo de pequenas partículas. A maior parte da radiação poderosa passou direto, exatamente como Rutherford pensava que aconteceria, dada a espessura da lâmina. Mas, surpreendentemente, parte dela se recuperou.
Rutherford raciocinou que os átomos na folha de metal devem conter áreas pequenas e densas com uma carga positiva – nada mais teria o potencial de refletir a radiação para um grau. Ele encontrou as cargas positivas no átomo – e simultaneamente provou que estavam todas agrupadas em uma massa compacta de uma forma que os elétrons não são. Em outras palavras, ele havia demonstrado a existência de um núcleo denso dentro do átomo.
O físico de Cambridge, James Chadwick, estava desesperado para descobrir o nêutron
No entanto, ainda havia um problema. Agora, a massa dos átomos pode ser estimada. Mas dado o que se sabia sobre o quão pesada uma partícula no núcleo deveria ter, a ideia de que todas elas eram carregadas positivamente não fazia sentido.
“O carbono tem seis elétrons e, portanto, seis prótons no núcleo – seis cargas positivas e seis negativas ”, explica Cliff. “Mas o núcleo do carbono não pesa seis prótons, ele pesa [o equivalente a] 12 prótons.”
No início, pensava-se que as outras seis partículas nucleares teriam a mesma massa dos prótons, mas seriam com carga neutra: nêutrons. Mas ninguém poderia provar isso. Na verdade, os nêutrons não foram realmente descobertos até a década de 1930.
Tudo ao nosso redor é feito de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
Tudo ao nosso redor é feito de átomos (Crédito: Magictorch / Alamy Stock Photo)
O físico de Cambridge, James Chadwick, estava desesperado para descobrir o nêutron. Ele trabalhou na teoria por anos. Em 1932, ele fez uma descoberta.
Na década de 1930, tínhamos descoberto muito sobre os átomos, mas ninguém havia produzido uma imagem direta de um deles
Alguns anos antes, outros físicos estavam fazendo experiências com radiação. Eles dispararam radiação com carga positiva – o mesmo tipo que Rutherford usou para descobrir o núcleo – nos átomos de berílio. O berílio expeliu sua própria radiação: radiação que não tinha carga positiva nem negativa e que podia penetrar profundamente no material.
A essa altura, outros já haviam concluído que a radiação gama era neutra e penetrante , então os físicos presumiram que era isso que os átomos de berílio estavam liberando. Mas Chadwick não estava convencido.
Ele mesmo gerou parte da nova radiação e a direcionou para uma substância que sabia ser rica em prótons. Inesperadamente, os prótons foram lançados no ar para longe do material como se tivessem sido atingidos por partículas com a mesma massa – como bolas de sinuca sendo atingidas por outras bolas de sinuca.
A radiação gama não pode desviar os prótons dessa forma, Chadwick percebeu que as partículas em questão aqui devem ter a mesma massa do próton, mas não têm sua carga elétrica: eram nêutrons.
Todas as partes-chave do átomo foram descobertas, mas o a história não para por aí.
Você pode até descobrir como são os átomos cutucando-os
Embora tenhamos descoberto muito mais sobre os átomos do que antes, eles ainda eram difíceis de visualizar. E na década de 1930, ninguém havia produzido uma imagem direta de um – que é o que muitas pessoas gostariam de ver para realmente aceitar que eles estão lá.
É importante, porém, que as técnicas que tinha sido usado por cientistas como Thomson, Rutherford e Chadwick, abriria caminho para novos equipamentos que nos ajudariam a produzir essas imagens. Os feixes de elétrons gerados por Thomson em seu experimento com o tubo de Crookes se mostraram particularmente úteis.
Hoje, feixes semelhantes são gerados por microscópios eletrônicos, e o mais poderoso desses microscópios pode realmente criar imagens de átomos individuais. Isso ocorre porque um feixe de elétrons pode ter um comprimento de onda milhares de vezes menor do que um feixe de luz – tão curto, na verdade, que as ondas de elétrons podem ser desviadas por minúsculos átomos para gerar uma imagem de uma forma que os feixes de luz não podem.
Neal Skipper, da University College London, diz que essas imagens são úteis para pessoas que desejam estudar a estrutura atômica de substâncias especiais – aquelas usadas para fazer baterias para carros elétricos, por exemplo. Quanto mais sabemos sobre sua estrutura atômica, melhor podemos projetá-los para serem eficientes e confiáveis.
Microscópios de força atômica podem nos mostrar átomos individuais (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Microscópios de força atômica podem nos mostrar átomos individuais (Crédito: Flirt / Alamy Stock Photo)
Você pode até descobrir a aparência dos átomos cutucando-os. É essencialmente assim que a microscopia de força atômica funciona.
Em um líquido, conforme você o aquece, você pode ver que os átomos têm configurações mais desordenadas
A ideia é trazer a ponta de uma sonda extremamente pequena perto da superfície de uma molécula ou da superfície de um material. De tão perto, a sonda será sensível à estrutura química de qualquer coisa para a qual seja apontada, e a mudança na resistência à medida que se move permite que os cientistas produzam imagens de como, por exemplo, uma molécula individual se parece. >
Recentemente, pesquisadores publicaram imagens maravilhosas de uma molécula antes e depois de uma reação química usando este método.
Skipper acrescenta que muitas pesquisas atômicas hoje exploram como a estrutura das coisas muda quando uma alta pressão , ou temperatura extrema, é aplicada. A maioria das pessoas sabe que, quando um material é aquecido, geralmente se expande. Agora é possível detectar as mudanças atômicas que tornam isso possível.
“Em um líquido, conforme você o aquece, você pode ver que os átomos têm configurações mais desordenadas”, diz Skipper. “Você pode ver isso diretamente no mapa estrutural.”
Skipper e outros físicos também podem trabalhar em átomos usando os feixes de nêutrons identificados pela primeira vez por Chadwick na década de 1930.
Você pode identificar átomos detectando apenas a energia dos raios gama
“O que fazemos muito é disparar feixes de nêutrons em blocos de materiais e, a partir do padrão de espalhamento que surge, você pode descobrir que estava espalhando nêutrons do núcleo ”, diz ele. “Você pode calcular a massa e o tamanho aproximado do objeto que estava fazendo a dispersão.”
Mas os átomos nem sempre estão parados, calmamente estáveis, esperando para serem examinados. Às vezes, eles estão em decomposição – o que significa que são radioativos.
Existem muitos elementos radioativos que ocorrem naturalmente. O processo gera energia, que forma a base da energia nuclear – e das bombas nucleares. A pesquisa dos físicos nucleares geralmente envolve tentar entender melhor as reações nas quais o núcleo sofre mudanças fundamentais como essas.
Os átomos de urânio podem se dividir em dois (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Os átomos de urânio podem se dividir em dois (Crédito: Peter Hermes Furian / Alamy Stock Photo)
Laura Harkness-Brennan, da Universidade de Liverpool, é especializada no estudo de raios gama – um tipo de radiação emitida por decomposição átomos. Um átomo radioativo de um determinado tipo gera uma forma específica de raio gama. Isso significa que você pode identificar átomos detectando apenas a energia dos raios gama – e isso é exatamente o que Harkness-Brennan faz em seu laboratório.
Ainda não descobrimos o que são átomos, percebemos que são estruturas maravilhosamente complexas
“Os tipos de detectores que você usaria são detectores que permitem medir a presença da radiação, mas também a energia da radiação que está sendo depositada”, diz ela, “E isso é porque todos os núcleos têm uma impressão digital característica.”
Como pode haver todos os tipos de átomos presentes em uma área onde a radiação é detectada, especialmente após uma grande reação nuclear de algum tipo, é importante saber exatamente quais isótopos radioativos estão presentes. Esse tipo de detecção é comumente feito em usinas nucleares ou áreas onde ocorreram desastres nucleares.
Harkness-Brennan e seus colegas agora estão trabalhando em sistemas de detecção que podem ser instalados nesses locais para mostrar , em três dimensões, onde a radiação pode estar presente em uma sala particular. “O que você quer fazer é ter técnicas e ferramentas que permitem a você imaginar um espaço tridimensional e dizer a você naquela sala, naquele tubo, que é onde está a radiação”, diz ela.
Dado quão pequeno é o átomo, é incrível quanta física podemos extrair dele
Também é possível visualizar a radiação em uma “câmara de nuvem”. Este é um experimento especial no qual o vapor de álcool, resfriado a -40 ° C, flutua em uma nuvem ao redor de uma fonte radioativa. Partículas carregadas de radiação que voam para longe da fonte removem os elétrons das moléculas de álcool. Isso faz com que o álcool se condense em líquido em torno do caminho da partícula emitida. Os resultados desse tipo de detecção são realmente impressionantes.
Não apenas descobrimos o que são os átomos, percebemos que eles são estruturas maravilhosamente complexas que podem sofrer mudanças surpreendentes – muitas das quais ocorrem naturalmente. E ao estudar os átomos dessa forma, fomos capazes de melhorar nossas tecnologias, aproveitar a energia das reações nucleares e entender melhor o mundo natural ao nosso redor. Também conseguimos nos proteger melhor da radiação e descobrir como os materiais mudam quando colocados sob condições extremas.
Harkness-Brennan coloca bem: “Dado o quão pequeno é o átomo, é incrível a quantidade de física que fazemos podemos sair dessa. ”
Tudo o que podemos ver ao nosso redor é feito dessas pequenas coisas. É bom saber que eles estão lá, tornando tudo possível.