Como um ÁTOMO realmente se parece?

Como um átomo realmente se parece? Quando eu falo em átomo, você provavelmente imagina isso. Um núcleo com algumas bolinhas representando prótons e nêutrons, e ao redor algumas elipses que representam a órbita dos elétrons, com os próprios elétrons sendo representados com bolinhas também.

Essa maneira de representar átomos é tão conhecida que ela se tornou quase que um símbolo mundial para a química, para a física, ou até mesmo para a ciência como um todo. E esse símbolo tem uma grande importância para a humanidade, já que hoje nós sabemos que os átomos são as peças essenciais que compõem tudo o que nós conhecemos, desde nós mesmos até as estrelas. Mas provavelmente você já ouviu alguém dizer que esse símbolo está errado e que átomos não se parecem com isso.

Mas se ele está tão errado, por que nós continuamos a vê-lo sendo utilizado para representar não só áreas da ciência, como a própria ciência? No vídeo de hoje, eu vou explicar por que um átomo se parece mais com isso do que com isso. E mais ainda, eu quero que no final do vídeo vocês entendam o que essa imagem significa.

Bem-vindos ao Ciência Todo Dia! Então vamos começar! Como que os átomos realmente se parecem?

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Essa pergunta não é algo novo na história, e eu chuto dizer que seja uma das perguntas mais antigas que filósofos da antiguidade tentavam responder. Claro que, com a tecnologia da época, a pergunta era um pouco mais geral do que isso, era mais no estilo de do que as coisas são feitas. Foi na Grécia Antiga que surgiu o termo átomo, que significa indivisível, e foi aqui que surgiu o primeiro conceito de que tudo é feito de uma esfera indivisível.

Apesar de ter sido um passo importante descobrirmos que a matéria é feita de átomos, hoje nós sabemos que eles não são estruturas indivisíveis. Foi no século 19 que o químico e físico John Dalton começou a responder a pergunta de como os átomos se parecem. Para Dalton, a ideia permanecia muito semelhante à da Grécia Antiga.

Os átomos eram esferas sólidas e indivisíveis, mas cada elemento possuía uma esfera diferente de outro elemento. E as moléculas, por sua vez, eram formadas quando duas ou mais esferas se juntavam, seja do mesmo ou de diferentes elementos. E se você está reconhecendo essa figura, é porque essa é a representação que nós usamos nas escolas até hoje, quando vamos mostrar uma reação química acontecendo.

Essa foi a primeira ideia de como um átomo se parecia, mas não precisou nem de um século para ela se mostrar errada. Isso porque, no final do século XIX, o físico J. J.

Thomson descobriu o elétron, que foi a primeira partícula subatômica a ser encontrada. Inclusive, essa descoberta fez com que ele ganhasse o Nobel da Física em 1906. Agora, o átomo seria uma esfera positiva com partículas negativas espalhadas dentro dele.

E esse modelo ficou conhecido como pudim de passas. E aqui eu preciso fazer um parênteses importante. Mesmo que hoje a gente saiba que esses modelos estão errados, eles foram e ainda são muito úteis para nós entendermos o átomo.

O próprio modelo de Dalton, que é apenas uma esfera, que não poderia estar mais longe de como um átomo realmente se parece, é útil para representar reações químicas. E depois de o Thomson descobrir os elétrons e dizer que eles estavam distribuídos pelo núcleo inteiro, chegou a hora de falarmos sobre os prótons do núcleo. Para testar o modelo de Thomson, agora já no século XX, o físico e químico Ernest Rutherford realizou um experimento em que ele atirou partículas alfa em uma folha de ouro bem fina.

Partículas alfa são iguais ao núcleo de um átomo de hélio 4, elas têm carga positiva. A ideia do experimento era que, se o modelo de Thomson estivesse correto, então as partículas alfa atravessariam direto pela folha de ouro ou seriam levemente defletidas. Mas o que aconteceu é que, apesar de algumas passarem direto, como esperado, outras foram defletidas com ângulos muito maiores do que o esperado, algumas chegando até 180 graus.

Rutherford percebeu que, para explicar o que ele acabou de testemunhar, o átomo precisaria ter um núcleo positivo envolvido por uma nuvem negativa. E aqui começamos a chegar perto da representação do átomo mais famosa e mais conhecida de todas, que deu início a todo esse vídeo. E também uma atualização no modelo de Rutherford.

O modelo de Rutherford seria atualizado dois anos depois, quando Niels Bohr fez uma descoberta impressionante. A mudança que o Bohr fez para a representação do átomo não interferiu tanto assim no que a gente vê, mas foi muito significativa para a gente compreender o átomo. O Bohr introduziu o conceito de níveis de energia quantizados.

Ele disse que cada elétron tinha sua óbita em um desses níveis de energia, ou seja, um elétron não poderia ocupar energias aleatórias sem ser essas já quantizadas e estabelecidas. Eles só poderiam ser encontrados em cima de uma órbita estabelecida. É por essa razão que algumas pessoas apelidaram o modelo de Bohr como modelo planetário, justamente por lembrar muito como os planetas estão distribuídos no Sistema Solar.

E é aqui que nós chegamos no mais famoso símbolo da ciência, que foi descoberto em 1913, se a gente considerar as modificações que o Bohr trouxe para o átomo. É curioso pensar que até hoje, mais de 100 anos depois, nós usamos esse símbolo em quase tudo relacionado à ciência. Nem mesmo o Bohr conseguiria imaginar o impacto que essa representação do átomo teria.

E aqui, nós chegamos no final da história. Foi assim que chegamos à imagem que usamos diariamente para representar átomos. Se essa era a sua curiosidade, pronto, você já pode fechar o vídeo.

Ou, se você quiser descobrir por que ela está errada e qual é a verdadeira cara de um átomo, fica mais um pouquinho. Você já deve ter ouvido falar em um físico bem popular chamado Schrödinger. Inclusive, tem um vídeo aqui no canal só sobre o gato de Schrödinger.

Recomendo! Schrödinger provavelmente foi um dos principais nomes da ciência a finalmente conseguir visualizar o átomo da forma mais parecida com a realidade. A grande inovação dele foi descobrir que elétrons se movem em ondas e não em trajetórias fixas como planetas.

É por isso que nós nunca conseguiríamos saber exatamente onde um elétron está. Foi aqui que nasceu a famosa função de onda, que consegue explicar o comportamento de partículas, inclusive dos elétrons. Essa ideia de que elétrons se comportam como ondas, então nunca vão estar em um lugar fixo, foi extremamente revolucionária.

Na vida real, nós temos uma nuvem onde temos probabilidade de encontrar os elétrons, e elas são chamadas de nuvens de probabilidade. E é usando a equação de Schrödinger que nós encontramos essa nuvem de probabilidade. Quanto mais clara a cor nesta imagem, maior a probabilidade de nós encontrarmos o elétron.

E é aqui que nós chegamos ainda mais perto de responder como os átomos realmente se parecem. Através das nuvens de probabilidade, nós podemos encontrar formas, dependendo de algumas características quânticas, como energia, momento angular, número magnético. Essas formas recebem o nome de orbitais atômicos.

Um orbital atômico é justamente isso, uma região do espaço ao redor do núcleo onde é provável encontrar elétrons. Existem quatro principais tipos de orbitais que vocês já devem ter visto em algum dia na aula de Química, e eles são S, P, D e F, ou em inglês, Sharp, Principal, Diffuse e Fundamental. E o que dita a forma, o tamanho e a orientação de um orbital são os números quânticos.

Talvez a forma mais simples seria representar o átomo de hidrogênio, já que ele só tem um elétron. Considerando o primeiro nível de energia, que é o menor nível de energia, nós temos um orbital S, que é esférico. Isso significa que a probabilidade de encontrar um elétron está nesta esfera aqui.

Ou seja, existe uma probabilidade de ele estar em qualquer lugar desta esfera. Cada ponto é uma posição em que o elétron pode estar. E aí, você pode estar se perguntando, peraí, mas onde exatamente?

Na superfície? No interior? A esfera ou o elétron?

Coloque o núcleo no centro dessa esfera. A partir dali, existe uma função de probabilidade que você pode encontrar o elétron em qualquer lugar nesse raio. Mas é claro que a probabilidade diminui quanto maior for o raio, ou seja, é mais provável que você encontre o elétron em raios menores.

Porém, para raios maiores, a probabilidade não é zero, ela só diminui consideravelmente. Mas não se esqueçam que esse não é o único orbital possível, tudo depende dos números quânticos. Então, agora, vamos pegar um nível de energia igual ao valor 4, momento angular 1, e o número magnético 0, e aí a gente teria esses orbitais.

Ou então, o nível de energia que você quiser, basta variar os números quânticos n, l e m. Essa é a verdadeira cara de um átomo, com essas nuvens de probabilidade onde os elétrons podem estar. Essa é a melhor forma que nós temos de imaginar um átomo, e é a forma mais realista possível de representá-lo, até onde vai sabermos.

Os elétrons estão se comportando como ondas, e é só quando nós os observamos que eles colapsam para um estado. E sim, é bem difícil de imaginar isso, porque no mundo quântico, quase nada é determinado, diferente da nossa realidade no dia a dia. Então, se nós fôssemos escolher um novo símbolo que represente a ciência mais próximo do real, ele deveria ser algo como uma dessas imagens.

E se você prestou atenção até aqui, talvez você esteja se perguntando, Pedro, você acabou de me mostrar, neste vídeo, quatro modelos atômicos em que cada vez mais nós estamos descobrindo coisas novas. Como nós podemos garantir que essa é a forma real de um átomo? E eu fico feliz que vocês perguntaram, meus desconfiadinhos.

Em 2013, pela primeira vez, físicos conseguiram fotografar um átomo de hidrogênio e observar essa função de onda. A técnica consistia em excitar o átomo com lasers e fazer vários frames das imagens de forma a capturar como a posição do elétron se propagava. O átomo estava no segundo nível de energia e uma mistura do momento angular igual a 0 e igual a 1.

E essas são as imagens obtidas do átomo de hidrogênio. Você pode até comparar com o que a teoria diz sobre os orbitais no segundo nível de energia e momento angular igual a zero, confirmando que essa é a aparência que um átomo tem. Desenhar um átomo se torna ainda mais difícil quando nós temos que lidar com orbitais tridimensionais.

Então, talvez seja melhor a gente continuar mantendo apenas o modelo de Bohr, mas se nós quisermos realmente nos aproximar de como um átomo parece, eu sugiro pegar uma dessas imagens. E é com elas que nós podemos ver a beleza da mecânica quântica, onde reina o domínio da probabilidade. É incrível pensar que em um século nós conseguimos fazer imagens de um átomo, algo que desde a antiguidade sempre foi uma grande pergunta.

Eu espero que agora vocês saibam como um átomo se parece na vida real. Sei lá, esse é um tipo de conhecimento útil. Muito obrigado e até a próxima!