Átomos

em Educação


Um átomo é a menor unidade de Matéria que define os elementos químicos . Cada sólido , Líquido , Gás , e o plasma é constituído por neutros ou ionizados Átomos. Os átomos são muito pequenos: o tamanho dos átomos é medido em picometros - trilhonésimos (10 -12 ) de um metro. [ 1 ]
 
Cada átomo é composto de um núcleo feito de um ou mais protões e, geralmente, um número igual ou semelhante de neutrões (com excepção de hidrogénio-1 , que não tem neutrões). Prótons e nêutrons juntos são chamados de núcleos . O núcleo é rodeado por um ou mais electrões . Mais de 99,94% da massa do átomo está no núcleo. [ 2 ] Os prótons têm uma positiva carga elétrica , os elétrons têm uma carga elétrica negativa, e os nêutrons não têm carga elétrica. Se o número de prótons e elétrons são iguais, esse átomo é eletricamente neutro. Se um átomo tem um superávit ou déficit de elétrons em relação aos prótons, então ele tem uma carga positiva ou negativa no geral, e é chamado de íon .
 
Os elétrons de um átomo são atraídos para os prótons em um núcleo atômico por esta força eletromagnética . Os prótons e nêutrons no núcleo são atraídos um ao outro por uma força diferente, a força nuclear , que normalmente é mais forte do que a força eletromagnética repelir os prótons carregados positivamente um do outro. Sob certas circunstâncias, a força eletromagnética repelindo torna-se mais forte do que a força nuclear, e núcleos pode ser ejetado do núcleo, deixando para trás um elemento diferente: decaimento nuclear resultando em transmutação nuclear .
 
O número de prótons no núcleo define o elemento químico do átomo pertence a: por exemplo, todos de cobre átomos contêm 29 prótons. O número de neutrões define o isótopo do elemento. [ 3 ] A electrões (s) influencia os magnéticos propriedades de um átomo. Os átomos podem anexar a um ou mais outros átomos por ligações químicas para formar compostos químicos tais como moléculas . A capacidade dos átomos para associar e dissociar é responsável pela maioria das alterações físicas observadas na Natureza, e é o assunto da disciplina de Química .
 
Nem toda a massa do Universo é composta de átomos. A matéria escura compreende mais do universo do que importa, e é composta não de átomos, mas de partículas de um tipo desconhecido no momento. Além disso, a física clássica de Newton não explica muitas das propriedades e do comportamento dos átomos e das partículas sub-atômicas: o Campo da mecânica quântica foi desenvolvida para melhor fazê-lo.
 
Conteúdo  [ hide ] 
1 História da teoria atômica
1.1 Atoms em Filosofia
1.2 Primeira teoria baseada em evidências
1.3 movimento browniano
1.4 descoberta do elétron
1.5 Descoberta do núcleo
1.6 Descoberta de isótopos
1.7 modelo de Bohr
1.8 Ligação Química explicou
1.9 Novos desenvolvimentos na física quântica
1.10 descoberta do nêutron
1.11 Cisão, Física de alta energia e da matéria condensada
2 Estrutura
2.1 As partículas subatômicas
2.2 Núcleo
2.3 Electron nuvem
3 Propriedades
3.1 Propriedades nucleares
3.2 Mass
3.3 Forma e tamanho
3.4 O decaimento radioativo
3.5 Momento magnético
3.6 Os níveis de energia
3.7 Valence e comportamento de aderência
3.8 Unidos
4 Identificação
5 Origem e Estado atual
5.1 Formação
5.2 Terra
5.3 Formas raras e teóricas
5.3.1 elementos superpesados
5.3.2 matéria exótica
6 Veja também
7 Notas
8 Referências
8.1 Outras referências
9 Fontes
10 Ligações externas
História da teoria atômica
Ver artigo principal: teoria atômica
Átomos em filosofia
Ver artigo principal: Atomism
A idéia de que a matéria é composta de unidades discretas é muito antiga, aparecendo em muitas culturas antigas, como a Grécia e Índia. A palavra "atom", na verdade, foi cunhado por antigos filósofos gregos. No entanto, essas idéias foram fundadas no raciocínio filosófico e teológico, em vez de provas e experimentação. Como resultado, os seus pontos de vista sobre o que os átomos se parecem e como eles se comportam estão incorretos. Eles também não conseguiu convencer a todos, por isso atomismo foi apenas um de uma série de teorias concorrentes sobre a natureza da matéria. Não era até o Século 19 que a idéia foi abraçada e refinada por cientistas, quando a Ciência florescimento da química produzidos descobertas que apenas o conceito de átomos poderiam explicar.
 
Primeira teoria baseada em evidências
 
Vários átomos e moléculas, como representado na John Dalton é um novo sistema de Filosofia Química (1808).
No início dos anos 1800, John Dalton usou o conceito de átomos para explicar por que os elementos sempre reagem em proporções de pequenos números inteiros (a lei de proporções múltiplas ). Por exemplo, há dois tipos de óxido de estanho : um é 88,1% de estanho e 11,9% de oxigénio e o outro é 78,7% de estanho e 21,3% de oxigénio ( de estanho (II), óxido e dióxido de estanho , respectivamente). Isso significa que 100 g de estanho irá combinar tanto com 13,5 g ou 27 g de oxigênio. 13,5 e 27 formam uma proporção de 1: 2, uma proporção de pequenos números inteiros. Este padrão comum em química de Dalton sugeriu que os elementos reagir em múltiplos inteiros Número de unidades discretas, em outras palavras, átomos. No caso de óxidos de estanho, um átomo de estanho vão combinar ou com um ou dois átomos de oxigénio. [ 4 ]
 
Dalton também acreditava teoria atômica poderia explicar por que a Água absorve gases diferentes em diferentes proporções. Por exemplo, ele descobriu que a água absorve o dióxido de carbono muito melhor do que ele absorve nitrogênio . [ 5 ] Dalton hipótese de isso foi devido às diferenças na massa e complexidade das respectivas partículas dos gases. Com efeito, as moléculas de dióxido de carbono (CO 2 ) são mais pesados ​​e maiores que as moléculas de azoto (N 2 ).
 
Movimento browniano
Em 1827, o botânico Robert Brown usou um microscópio para olhar para grãos de poeira que flutuam na água e descobriu que eles se moviam de forma irregular, um fenômeno que ficou conhecido como " movimento browniano ". Isto foi pensado para ser causado por moléculas de água batendo os grãos cerca. Em 1905, Albert Einstein produziu a primeira análise Matemática do movimento. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] físico francês Jean Perrin usou o Trabalho de Einstein para determinar experimentalmente a massa e as dimensões dos átomos, assim, de forma conclusiva verificar teoria atômica de Dalton. [ 9 ]
 
Descoberta do elétron
 
Os Geiger-Marsden experimento
Topo: partículas alfa que passam através do modelo de pudim com o átomo de deflexão negligenciável: Resultados esperados. Inferior: Observado resultados: uma pequena porção das partículas era desviada pela carga positiva concentrada do núcleo.
O físico JJ Thomson mediu a massa dos raios catódicos, mostrando que eles eram feitos de partículas, mas foram cerca de 1.800 vezes mais leve do que o átomo mais leve, de hidrogênio . Por isso, eles não eram átomos, mas uma nova partícula, o primeiro subatômica partícula a ser descoberto, que ele originalmente chamado de " corpúsculos ", mas mais Tarde foi nomeado eletrônica , após partículas postuladas por George Johnstone Stoney em 1874. Ele também mostrou que eles eram idênticos às partículas fora dado por fotoelétricos e materiais radioativos. [ 10 ] foi rapidamente reconhecido que são as partículas que carregam correntes elétricas em fios de metal, e levar a carga elétrica negativa do átomo. Thomson foi dada a 1906 o Prêmio Nobel de Física para este trabalho. Assim, ele derrubou a Crença de que os átomos são indivisíveis e as partículas fundamentais da matéria. [ 11 ] Thomson também postulou incorretamente que a baixa massa, os elétrons carregados negativamente foram distribuídos por todo o átomo em um Mar uniforme de carga positiva. Isso ficou conhecido como o modelo do pudim de Ameixa .
 
Descoberta do núcleo
Em 1909, Hans Geiger e Ernest Marsden , sob a direção de Ernest Rutherford , bombardeou uma folha de metal com partículas alfa para observar como eles se dispersaram. Eles esperavam que todas as partículas alfa para passar direto com pouca deformação, porque o modelo de Thomson disse que as acusações no átomo são tão difusas que os seus campos elétricos não poderiam afetar as partículas alfa muito. No entanto, Geiger e Marsden manchado partículas alfa sendo desviados por ângulos superiores a 90 °, o que era suposto ser impossível, de acordo com o modelo de Thomson. Para explicar isso, Rutherford propôs que a carga positiva do átomo é concentrada num pequeno núcleo no centro do átomo. [ 12 ]
 
Descoberta de isótopos
Ao experimentar com os produtos de decaimento radioativo , em 1913 radioquímico Frederick Soddy descobriu que parecia haver mais de um tipo de átomo em cada posição na Tabela periódica. [ 13 ] O termo isótopo foi cunhado por Margaret Todd como um nome adequado para átomos diferentes que pertencem ao mesmo elemento. JJ Thomson criou uma técnica de separação de tipos de átomos através de seu trabalho em gases ionizados, que posteriormente levou à descoberta de isótopos estáveis ​​. [ 14 ]
 
Modelo de Bohr
 
O modelo de Bohr do átomo, com um elétron tornando instantânea "saltos quânticos" a partir de uma órbita para outra. Este modelo é obsoleto.
Enquanto isso, em 1913, o físico Niels Bohr sugeriu que os elétrons estavam confinados em órbitas bem definidas, quantificadas, e poderia saltar entre estes, mas não poderia Espiral livremente para dentro ou para fora, em estados intermediários como satélites em órbita de um Planeta. [ 15 ] Um elétron deve absorvem e emitem quantidades específicas de energia para fazer a transição entre essas órbitas fixas. Isso explica por que os elétrons não espiral para baixo para o núcleo, e por elementos absorvem e emitem Luz no espectro discreto. [ 16 ]
 
Mais tarde, no mesmo ano, Henry Moseley fornecida evidência experimental adicional a favor da teoria de Niels Bohr . Estes resultados refinado Ernest Rutherford 's e Antonius Van den Broek "modelo s, que propôs que o átomo contém em seu núcleo um número de positivos cargas nucleares , que é igual ao seu número (atômica) na tabela periódica. Até estes experimentos, número atómico não era conhecido por ser uma grandeza física e experimental. Isso é igual à carga nuclear atômico permanece o modelo atômico aceito hoje. [ 17 ]
 
A ligação química explicou
As ligações químicas entre átomos estavam agora explicado, por Gilbert Newton Lewis em 1916, como as interações entre seus elétrons constituintes. [ 18 ] Como as propriedades químicas dos elementos eram conhecidos a repetir-se, em grande medida de acordo com a lei periódica , [ 19 ] em 1919 o químico americano Irving Langmuir sugeriu que isso poderia ser explicado se os elétrons em um átomo foram conectados ou agrupados de alguma maneira. Grupos de elétrons foram pensadas para ocupar um conjunto de camadas eletrônicas sobre o núcleo. [ 20 ]
 
Outros desenvolvimentos na física quântica
O experimento de Stern-Gerlach de 1922 forneceu evidências adicionais da natureza quântica do átomo. Quando um feixe de átomos de prata foi passado através de um campo magnético de forma especial, o feixe foi dividida com base na direcção do momento angular de um átomo, ou centrifugação. Como este sentido é aleatória, o feixe pode ser esperado para se propagar uma linha. Em vez disso, o feixe foi dividido em duas partes, consoante o spin atómica foi orientado para cima ou para baixo. [ 21 ]
 
Em 1924, Louis de Broglie propôs que todas as partículas se comportam de uma forma como ondas. Em 1926, Erwin Schrödinger usou esta idéia para desenvolver um modelo matemático do átomo que descreveu os elétrons como tridimensionais formas de onda em vez de partículas pontuais. Uma consequência da utilização de formas de onda para descrever partículas é que é matematicamente impossível obter valores precisos, tanto para a posição e quantidade de movimento de uma partícula ao mesmo Tempo; Isso ficou conhecido como o princípio da incerteza , formulado por Werner Heisenberg em 1926. Neste conceito, para uma dada precisão na medição de uma posição só se podia obter um intervalo de valores prováveis ​​para momentum, e vice-versa. Este modelo foi capaz de explicar observações do comportamento atômica que os modelos anteriores não podia, como certos estruturais e espectrais padrões de átomos maiores do que o hidrogênio. Assim, o modelo planetário do átomo foi rejeitado em favor de um descrito orbitais atómicas zonas em torno do núcleo, onde um determinado electrões é mais provável de ser observada. [ 22 ] [ 23 ]
 
Descoberta do nêutron
O desenvolvimento do espectrómetro de massa permitiu a massa exacta de átomos de ser medido. O dispositivo utiliza um íman para curvar a trajectória de um feixe de iões, e a quantidade de deflexão é determinada pela Razão da massa de um átomo para a sua carga. O químico Francis William Aston utilizado este instrumento para mostrar que tinha isótopos diferentes massas. A massa atômica destes isótopos variaram por valores inteiros, chamada de toda a regra número . [ 24 ] A explicação para estes diferentes isótopos aguardada a descoberta do neutrão , uma partícula sem carga com uma massa semelhante à de prótons , pelo físico James Chadwick em 1932. Isótopos foram, em seguida, explicado como elementos com o mesmo número de protões, mas diferentes números de neutrões no interior do núcleo. [ 25 ]
 
Cisão, física de alta energia e da matéria condensada
Em 1938, o químico alemão Otto Hahn , um Estudante de Rutherford, nêutrons direcionada para átomos de urânio com a expectativa de obter elementos transurânicos . Em vez disso, seus experimentos químicos mostraram bário como um produto. [ 26 ] Um ano depois, Lise Meitner e seu sobrinho Otto Frisch verificou-se que o resultado de Hahn foram os primeiros experimental de fissão nuclear . [ 27 ] [ 28 ] Em 1944, Hahn recebeu o prêmio Nobel em química. Apesar dos esforços de Hahn, as contribuições de Meitner e Frisch não foram reconhecidos. [ 29 ]
 
Na década de 1950, o desenvolvimento de melhores aceleradores de partículas e detectores de partículas permitiu aos cientistas estudar os impactos de átomos que se deslocam em altas energias. [ 30 ] Os nêutrons e prótons foram encontrados para ser hádrons , ou compostos de partículas menores chamadas quarks . O modelo padrão da física de partículas que foi desenvolvido até agora tem explicado com sucesso as propriedades do núcleo em termos dessas partículas sub-atômicas e as forças que governam as suas interações. [ 31 ]
 
Estrutura
Partículas subatômicas
Ver artigo principal: partícula subatômica
Embora a palavra átomo originalmente designava uma partícula que não pode ser cortado em pequenas partículas, em uso científica moderna do átomo é composto por várias partículas subatómicas . As partículas constituintes de um átomo é o elétron , o próton e do nêutron ; todos os três são férmions . No entanto, o hidrogênio-1 átomo não tem nêutrons eo ion hydron não tem elétrons.
 
O electrão é de longe o menos massiva destas partículas em 9,11 × 10 -31  kg , com um negativo carga eléctrica e um tamanho que é demasiado pequeno para ser medido utilizando técnicas disponíveis. [ 32 ] É a partícula mais leve com um resto positivo massa medida. Em condições normais, os elétrons são ligados ao núcleo de carga positiva pela atração criada a partir de cargas elétricas opostas. Se um átomo tem mais ou menos elétrons do que o seu número atômico, então torna-se, respectivamente, negativa ou positivamente carregada como um todo; um átomo carregado é chamado um ião . Os elétrons são conhecidos desde o final do século 19, principalmente graças ao JJ Thomson ; veja história da física subatômica para mais detalhes.
 
Os prótons têm uma carga positiva e uma massa 1.836 vezes maior do que o elétron, em 1,6726 × 10 -27  kg . O número de prótons em um átomo é chamado de número atômico . Ernest Rutherford (1919) observaram que o nitrogênio sob alfa-bombardeamento de partículas ejeta o que parecia ser núcleos de hidrogênio. Em 1920, ele havia aceitado que o núcleo do hidrogênio é uma partícula distinta dentro do átomo e nomeou- próton .
 
Neutrões não têm carga eléctrica e tem uma massa isenta de 1839 vezes a massa do electrão, [ 33 ] ou 1,6929 × 10 -27  kg , o mais pesado dos três partículas constituintes, mas pode ser reduzida pela energia de ligação nuclear . Prótons e nêutrons (conhecidos coletivamente como nucleons ) têm dimensões-na ordem de comparáveis ​​2,5 × 10 -15  m -embora a "superfície" dessas partículas não é bem definida. [ 34 ] O nêutron foi descoberto em 1932 pelo físico Inglês James Chadwick .
 
No Modelo Padrão da física, os elétrons são verdadeiramente partículas elementares sem estrutura interna. No entanto, ambos os prótons e nêutrons são partículas compostas compostas de partículas elementares chamadas quarks . Existem dois tipos de quark em átomos, tendo cada um uma carga eléctrica fraccionada. Os protões são compostos por dois quarks up (cada um com carga + 2 / 3 ) e um quark para baixo (com uma taxa de - 1 / 3 ). Nêutrons composto por um quark up e dois para baixo quarks. Esta distinção é responsável pela diferença na massa e carga entre as duas partículas. [ 35 ] [ 36 ]
 
Os quarks são mantidos juntos pela interação forte (ou força forte), que é mediada por glúons . Os prótons e nêutrons, por sua vez, são realizadas para o outro no núcleo pela força nuclear , que é um resíduo da força forte que tem um pouco diferentes gama-properties (veja o artigo sobre a força nuclear para mais). O glúons é um membro da Família de bósons , que são partículas elementares que mediam forças físicas. [ 35 ] [ 36 ]
 
Núcleo
Ver artigo principal: núcleo atômico
 
A energia de ligação necessário para uma núcleon para escapar do núcleo, para vários isótopos
Todos os prótons e nêutrons encadernados em um átomo de tornar-se um minúsculo núcleo atômico , e são chamados coletivamente nucleons . O raio de um núcleo é aproximadamente igual a 1,07  3 √ Um  fm , onde A é o número total de núcleos. [ 37 ] Isto é muito menor do que o raio do átomo, o qual é da ordem de 10 5  fm. Os núcleos estão unidos por um potencial atrativo curto alcance chamado a força forte residual . Em distâncias menores do que 2,5 fm esta força é muito mais poderosa do que a força eletrostática que faz com que prótons positivamente carregados para repelir o outro. [ 38 ]
 
Átomos do mesmo elemento ter o mesmo número de protões, o chamado número atómico . Dentro de um único elemento, o número de neutrões podem variar, a determinação do isótopo do mesmo elemento. O número total de prótons e nêutrons determinar a nuclide . O número de neutrões em relação aos protões determina a estabilidade do núcleo, com certos isótopos sofrer decaimento radioactivo . [ 39 ]
 
O próton, o elétron, e nêutrons são classificados como férmions . Os férmions obedecem ao princípio de exclusão de Pauli , que proíbe idênticos férmions, como vários prótons, de ocupar o mesmo estado quântico, ao mesmo tempo. Assim, cada próton no núcleo deve ocupar um estado quântico diferente de todos os outros prótons, eo mesmo se aplica a todos os nêutrons do núcleo e para todos os elétrons da nuvem de elétrons. No entanto, um próton e um nêutron estão autorizados a ocupar o mesmo estado quântico. [ 40 ]
 
Para átomos com baixos números atômicos, um núcleo que tem mais nêutrons do que prótons tende a cair para um estado de energia mais baixo através de decaimento radioativo de forma que a taxa de nêutron-próton está mais perto de um. No entanto, como o número atómico aumenta, uma maior proporção de neutrões é necessário para compensar a repulsão mútua dos protões. Assim, não há núcleos estáveis ​​com números de prótons e nêutrons igualdade acima de número atômico Z = 20 (cálcio) e como Z aumenta, a relação de nêutron-próton de isótopos estáveis ​​aumenta. [ 40 ] O isótopo estável com a maior relação próton-nêutron é lead-208 (cerca de 1,5).
 
 
Ilustração de um processo de fusão nuclear que forma um núcleo de deutério, que consiste de um protão e um neutrão, a partir de dois protões. Um pósitron (e + ) -um antimatéria do elétron-é emitido junto com um elétron neutrino .
O número de prótons e nêutrons no núcleo atômico pode ser modificada, embora isso possa exigir energias muito altas por causa da força forte. A fusão nuclear ocorre quando várias partículas atômicas se juntam para formar um núcleo mais pesado, como através da colisão energética de dois núcleos . Por exemplo, no cerne dos prótons Sun exigem energias de 3-10 keV para superar sua-a repulsão mútua barreira de Coulomb -e se fundem em um único núcleo. [ 41 ] A fissão nuclear é o processo oposto, causando um núcleo para dividir em dois núcleos, geralmente menores através de decaimento radioativo. O núcleo também pode ser modificada através de bombardeio de partículas subatômicas de alta energia ou fótons. Se esta modifica o número de protões em um núcleo, o átomo muda para um elemento químico diferente. [ 42 ] [ 43 ]
 
Se a massa do núcleo na sequência de uma reacção de fusão é menos do que a soma das massas das partículas separadas, então a diferença entre estes dois valores, pode ser emitido na forma de um tipo de energia utilizável (tal como um raio gama , ou a energia cinética de uma partícula beta ), como descrito por Albert Einstein 's equivalência massa-energia fórmula, E  =  mc 2 , onde m é a perda de massa e c é a velocidade da luz . Este défice é parte da energia de ligação do novo núcleo, e que é a perda não-recuperável de energia que faz com que as partículas fundidas em conjunto para permanecer num estado que requer esta energia de separar. [ 44 ]
 
A fusão de dois núcleos que criar núcleos maiores com números atômicos mais baixos do que o Ferro e níquel -a número total nucleon de cerca de 60 é geralmente um processo exotérmico que libera mais energia do que é necessário para trazê-los juntos. [ 45 ] É esta energia processo que faz a fusão nuclear em -releasing Estrelas uma reação auto-sustentável. Para núcleos mais pesados, a energia por ligação nucleon no núcleo começa a diminuir. Isso significa que os processos de fusão produzem núcleos que têm os números atómicos mais elevada do que cerca de 26, e as massas atómicas superiores a cerca de 60, é um processo endotérmico . Estes núcleos mais maciças não pode sofrer uma reação de fusão de produção de energia que pode sustentar o equilíbrio hidrostático de uma Estrela. [ 40 ]
 
Electron nuvem
Artigos principais: orbital atômico e configuração eletrônica
 
Um poço de potencial, mostrando, de acordo com a mecânica clássica , o mínimo de energia V ( x ) necessários para atingir cada posição x . Classicamente, uma partícula com energia E é restringida a uma gama de posições entre x 1 e x 2 .
Os elétrons em um átomo são atraídos para os prótons no núcleo pela força eletromagnética . Isto força os electrões se liga dentro de um electrostática poço de potencial em torno do núcleo mais pequeno, o que significa que uma fonte externa de energia é necessária para o electrão para escapar. Quanto mais perto um electrão é o núcleo, maior é a força de atracção. Assim electrões ligados perto do centro do poço de potencial exigem mais energia para escapar do que aqueles em separações maiores.
 
Os elétrons, como outras partículas, têm propriedades de ambos, partícula e uma onda . A nuvem de electrões é uma região no interior do poço de potencial, em que cada electrão forma um tipo de tridimensional permanente onda -a forma de 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 que um electrão parece estar numa localização particular, quando a sua posição é medida. [ 46 ] Apenas um discreto (ou quantificado conjunto) destes orbitais existir em torno do núcleo , como outros padrões de onda possível decair rapidamente para uma forma mais estável. [ 47 ] orbitais pode ter uma ou mais estruturas de anel ou nó, e diferem uns dos outros em tamanho, forma e orientação. [ 48 ]
 
 
As funções de onda dos primeiros cinco orbitais atómicas. Os três orbitais 2p cada exibir um único angular nó que tem uma orientação e um mínimo no centro.
Arquivo: orbitais atómicas e construction.ogv tabela periódica
Como os átomos são construídos a partir de orbitais de elétrons e link para a tabela periódica
Cada um corresponde orbitais atómicas para um determinado nível de energia do elétron. O elétron pode mudar o seu estado para um maior nível de energia, absorvendo um fóton com energia suficiente para impulsioná-lo para o novo estado quântico. Da mesma forma, por meio de emissão espontânea , um elétron em um estado de energia mais elevado pode cair para um estado de energia mais baixo, enquanto que irradia o excesso de energia como um fóton. Estes valores de energia característicos, definidos pelas diferenças nas energias dos estados quânticos, são responsáveis ​​por linhas espectrais atômicas . [ 47 ]
 
A quantidade de energia necessária para remover ou adicionar um-elétron energia de ligação do elétron -é muito menos do que a energia de ligação dos núcleos . Por exemplo, ele requer apenas 13,6 eV para retirar um estado fundamental elétron de um átomo de hidrogênio, [ 49 ] em comparação com 2,23  milhões de eV para a divisão de um deutério núcleo. [ 50 ] Os átomos são eletricamente neutros, se eles têm o mesmo número de prótons e elétrons. Os átomos que têm num défice ou um excedente de elétrons são chamados de íons . Os electrões que estão mais distantes do núcleo podem ser transferidos para outros átomos próximos ou partilhada entre átomos. Por este mecanismo, os átomos são capazes de se ligar a moléculas e outros tipos de compostos químicos como iónicas e covalentes de rede de cristais . [ 51 ]
 
Propriedades
Propriedades nucleares
Artigos principais: Isótopos , isótopo estável , Lista de nuclídeos e lista de elementos de estabilidade de isótopos
Por definição, quaisquer dois átomos com um número idêntico de protões em núcleos suas pertencem ao mesmo elemento químico . Átomos com números iguais de prótons, mas um número diferente de neutrões são diferentes isótopos do mesmo elemento. Por exemplo, todos os átomos de hidrogênio admitir exatamente um próton, mas isótopos existir sem nêutrons ( hidrogênio-1 , de longe, a forma mais comum, [ 52 ] também chamado prótio), um nêutron ( deutério ), dois nêutrons ( trítio ) e mais de dois nêutrons . Os elementos conhecidos formam um conjunto de números atômicos, a partir do único elemento de prótons de hidrogênio até o elemento de 118 prótons ununoctium . [ 53 ] Todos os isótopos conhecidos de elementos com números atômicos maiores de 82 são radioativos. [ 54 ] [ 55 ]
 
Cerca de 339 nuclídeos ocorrem naturalmente na Terra , [ 56 ] , dos quais 254 (cerca de 75%), não foram observadas à cárie, e são referidos como " isótopos estáveis ​​". No entanto, apenas 90 desses nuclídeos são estáveis ​​para todos decadência, mesmo em teoria . Outra 164 (elevando o total para 254) não foram observados à decadência, apesar de, em teoria, é energicamente possível. Estes também são formalmente classificado como "estável". Um 34 nuclídeos radioativos adicionais têm meia-Vida mais de 80 milhões de anos e são de longa duração suficiente para estar Presente desde o nascimento do sistema solar . Esta coleção de 288 nuclídeos são conhecidos como nuclídeos primordiais . Finalmente, são conhecidos por ocorrer naturalmente um 51 nuclídeos de vida curta adicionais, como produtos de filha de decadência nuclide primordial (como o rádio do urânio ), ou então, como produtos de processos energéticos naturais da Terra, como o bombardeamento de raios cósmicos (por exemplo, carbono-14). [ 57 ] [ nota 1 ]
 
Para 80 dos elementos químicos, pelo menos um isótopo estável existe. Como regra, existe apenas um pequeno número de isótopos estáveis ​​para cada um destes elementos, sendo a média de 3,2 isótopos estáveis ​​por elemento. Vinte e seis elementos têm apenas um único isótopo estável, enquanto que o maior número de isótopos estáveis ​​observados para qualquer elemento é de dez, para o elemento de estanho . Elements 43 , 61 , e todos os elementos numerados 83 ou superior não têm isótopos estáveis. [ 58 ] [ página necessário ]
 
Estabilidade de isótopos é afetada pela relação de prótons para neutrons, e também pela presença de certos "números mágicos" de nêutrons ou prótons que representam fechadas e escudos quântica cheias. Estes escudos quânticos correspondem a um conjunto de níveis de energia dentro do modelo shell do núcleo; conchas recheadas, como o shell cheia de 50 prótons para o estanho, confere estabilidade incomum no nuclide. Dos 254 conhecidos nuclídeos estáveis, apenas quatro têm ambos um número ímpar de prótons e número ímpar de nêutrons: hidrogênio-2 ( deutério ), lítio-6 , boro-10 e nitrogênio-14 . Além disso, apenas quatro ocorre naturalmente, nuclídeos ímpar-ímpar radioativos tem uma meia-vida de mais de um bilhão de anos: o potássio-40 , vanádio-50 , lantânio-138 e tântalo-180m . Mais núcleos ímpar-ímpar são altamente instáveis ​​com relação a decaimento beta , porque os produtos de decaimento são mesmo, mesmo, e são, portanto, mais fortemente ligados, devido a efeitos de emparelhamento nucleares . [ 58 ] [ página necessário ]
 
Massa
Artigos principais: massa atômica e número de massa
A grande maioria da massa de um átomo vem dos prótons e nêutrons que o compõem. O número total destas partículas (chamado "núcleos") num dado átomo é chamado o número de massa . O número de massa é um número inteiro simples, e tem unidades de "núcleos". Um exemplo de uso de um número de massa é "carbono-12", que tem 12 núcleos (seis protões e seis neutrões).
 
A real massa de um átomo em repouso é frequentemente expressa utilizando o aparelho unificado de massa atómica (u), que é também chamado um dalton (Da). Esta unidade é definida como uma décima segunda da massa de um átomo livre de carbono-12 , que é de aproximadamente 1,66 x 10 -27  kg . [ 59 ] O hidrogénio-1 , o isótopo mais leve de hidrogénio e o átomo com a menor massa, tem um peso atômico de 1.007825 u. [ 60 ] O valor deste número é chamado de massa atômica . Um dado átomo tem uma massa atómica aproximadamente igual (dentro de 1%) para os tempos número de massa da massa da unidade de massa atómica. No entanto, este número não será um número inteiro exacta, excepto no caso de carbono-12 (ver abaixo). [ 61 ] O mais pesado átomo estável é de chumbo-208, [ 54 ] com uma massa de 207,976 6 521 u . [ 62 ]
 
Como até mesmo os átomos mais massivas são demasiado leve para trabalhar com diretamente, os químicos, em vez usar a unidade de moles . Um mol de átomos de qualquer elemento sempre tem o mesmo número de átomos (cerca de 6.022 x 10 23 ). Este número foi escolhido de modo que se um elemento tem uma massa atómica de 1 u, mole de átomos desse elemento tem uma massa perto de um Grama. Devido à definição da unidade de massa atómica , cada átomo de carbono-12 tem uma massa atómica de exactamente 12 u, e assim por um mole de carbono-12 átomos pesa exactamente 0,012 kg. [ 59 ]
 
Forma e tamanho
Ver artigo principal: raio atômico
Atoms falta um limite exterior bem definida, assim que suas dimensões são geralmente descritos em termos de um raio atômico . Esta é uma medida da distância para fora para que a nuvem de electrões se estende a partir do núcleo. [ 1 ] No entanto, isso pressupõe que o átomo de apresentar uma forma esférica, o que só é obedecida por átomos no vácuo ou espaço livre. Raios atómicos podem ser derivadas das distâncias entre os dois núcleos, quando os dois átomos são unidas numa ligação química . O raio varia com a localização de um átomo no gráfico atómica, o tipo de ligação química, o número de átomos vizinhos ( número de coordenação ) e uma mecânica quântica propriedade conhecida como centrifugação . [ 63 ] Na tabela periódica dos elementos, átomo tamanho tende a aumentar quando se deslocam para baixo colunas, mas diminuem quando se deslocam ao longo de linhas (esquerda para a direita). [ 64 ] Por conseguinte, o menor dos átomos de hélio é, com um raio de 32  horas , enquanto que um dos maiores é césio a 225 pm. [ 65 ]
 
Quando submetidos a forças externas, como campos eléctricos , a forma de um átomo pode desviar-se de simetria esférica . A deformação depende da magnitude de campo e o tipo de electrões de orbital exterior, como mostrado por -Grupo teórico considerações. Desvios asféricas pode ser provocada por exemplo, cristais , onde grandes campos de Cristal-elétrico pode ocorrer em baixa simetria sítios da rede. Significativos elipsoidais deformações foram recentemente demonstrado que ocorrem para os íons de enxofre [ 66 ] e chalcogen íons [ 67 ] em pirita compostos -tipo.
 
Dimensões atômicos são milhares de vezes menores que os comprimentos de onda de luz (400-700  nm ) para que eles não podem ser vistos através de um microscópio óptico . No entanto, os átomos individuais podem ser observados através de um microscópio de tunelamento . Para visualizar a pequenez do átomo, considerar que um Cabelo Humano típico é de cerca de 1 milhão de átomos de carbono em largura. [ 68 ] Uma única gota de água contém cerca de 2  sextillion ( 2 × 10 21 ) átomos de oxigénio, e o dobro do número de átomos de hidrogênio. [ 69 ] A única quilate de diamante com uma massa de 2 × 10 -4  kg contém cerca de 10 sextilhões (10 22 ) átomos de carbono . [ nota 2 ] Se uma maçã foram ampliadas para o tamanho da Terra, então o átomos da maçã seria aproximadamente o tamanho da maçã originais. [ 70 ]
 
O decaimento radioativo
Ver artigo principal: decaimento radioativo
 
Este diagrama mostra a meia-vida (t meia ) de vários isótopos com protões e Z N neutrões.
Cada elemento tem uma ou mais isótopos instáveis ​​que têm núcleos que são sujeitos a desintegração radioactiva, fazendo com que o núcleo de emitem partículas ou radiação electromagnética. A radioactividade pode ocorrer quando o raio de um núcleo é grande em comparação com o raio da força forte, que só actua ao longo de distâncias da ordem de 1 fm. [ 71 ]
 
As formas mais comuns de decaimento radioativo são: [ 72 ] [ 73 ]
 
Decaimento alfa : este processo é causado quando o núcleo emite uma partícula alfa, que é um núcleo de hélio que consiste de dois protões e dois neutrões. O resultado da emissão é um novo elemento com um menor número atômico .
O decaimento beta (e captura de elétrons ): estes processos são regulados pela força fraca , e resultam de uma transformação de um nêutron em um próton, ou um próton em um nêutron. O nêutron a transição de prótons é acompanhada da emissão de um elétron e um antineutrino , enquanto o próton para transição de nêutrons (exceto na captura de elétrons) provoca a emissão de um pósitron e um neutrino . As emissões de elétrons ou pósitrons são chamados de partículas beta. Decaimento beta aumenta ou diminui o número atômico do núcleo por um. Captura eletrônica é mais comum do que por emissão de pósitrons, porque requer menos energia. Neste tipo de decaimento, um electrão é absorvido pelo núcleo, em vez de um positrões emitidos do núcleo. Um neutrino ainda é emitida neste processo, e um protão muda para um neutrão.
Gama de decaimento : este processo resulta de uma alteração no nível de energia do núcleo para um estado mais baixo, resultando na emissão de radiação electromagnética. O estado animado de um núcleo que resulta na emissão gama usualmente ocorre após a emissão de um alfa ou uma partícula beta. Assim, a decadência gamma geralmente segue alfa ou beta decadência.
Outros mais tipos raros de decaimento radioativo incluem ejeção de nêutrons ou prótons ou núcleos de núcleos de um núcleo, ou mais de uma partícula beta . Um análogo de emissão gama, que permite que os núcleos excitados a perder a energia de uma maneira diferente, é a conversão interna - um processo que produz electrões de alta velocidade, que não são raios beta, seguido de produção de fotões de alta energia que não são raios gama. Algumas grandes núcleos explodir em duas ou mais carregadas fragmentos de massas variadas além de vários nêutrons, em uma decadência chamado espontânea fissão nuclear .
 
Cada um isótopo radioactivo tem um tempo de decaimento característico do período de semi-vida , isto é determinado pela quantidade de tempo necessário para metade de uma amostra de decaimento. Este é um decaimento exponencial processo que diminui progressivamente a proporção dos isótopos restantes 50% por cada meia-vida. Assim, após duas meias-vidas foram passados ​​apenas 25% do isótopo está presente, e assim por diante. [ 71 ]
 
Momento magnético
Artigos principais: Electron momento de dipolo magnético e momento magnético Nuclear
Partículas elementares possuem uma propriedade da mecânica quântica intrínseco conhecido como rotação . Isto é análogo ao momento angular de um objecto que está a girar em torno do seu centro de massa , embora em sentido estrito, estas partículas são acreditados para ser semelhante a ponto e não pode ser dito para ser rotativa. Spin é medido em unidades da redução constante de Planck (h), com elétrons, prótons e nêutrons todos com spin ½ H, ou "spin-½". Em um átomo, os electrões em movimento ao redor do núcleo orbital possuem momento angular para além da sua rotação, enquanto que o próprio núcleo possui momento angular, devido à sua spin nuclear. [ 74 ]
 
O campo magnético produzido por um átomo-seu momento magnético -é determinado por estas várias formas de momento angular, tal como um objecto carregado rotativo classicamente produz um campo magnético. No entanto, a contribuição mais dominante vem de spin do elétron. Devido à natureza dos elétrons para obedecer o princípio de exclusão de Pauli , em que dois elétrons não podem ser encontrados no mesmo estado quântico , vinculado elétrons emparelhar-se com o outro, com um membro de cada par em um spin-se estado e outro em o oposto, spin down estado. Assim, esses spins anulam mutuamente, reduzindo o momento total dipolo magnético a zero em alguns átomos com mesmo número de elétrons. [ 75 ]
 
Em ferromagnéticos elementos, tais como ferro, cobalto e níquel, um número ímpar de electrões leva a um electrão não emparelhado e um momento magnético global líquida. Os orbitais de átomos vizinhos se sobrepõem e um estado de energia mais baixo é conseguida quando os spins dos electrões desemparelhados são alinhados uns com os outros, um processo conhecido como um espontânea interacção de trocas . Quando os momentos magnéticos dos átomos ferromagnéticos estão alinhados, o material pode produzir um campo macroscópica mensurável. materiais paramagnéticos têm átomos com momentos magnéticos que se alinham em direcções aleatórias campo magnético quando não está presente, mas os momentos magnéticos dos átomos individuais alinhados na presença de um campo. [ 75 ] [ 76 ]
 
O núcleo de um átomo não terá rodada quando ele tem até mesmo números de ambos os prótons e nêutrons, mas para outros casos de números ímpares, o núcleo pode ter uma rodada. Normalmente núcleos com spin são alinhados em direcções aleatórias devido a um equilíbrio térmico . No entanto, para certos elementos (tais como xénon-129 ), é possível para polarizar uma proporção significativa dos estados de spin nuclear de modo a que eles estão alinhados na mesma direcção, uma condição denominada hiperpolarização . Isto tem importantes aplicações em Imagens de ressonância magnética . [ 77 ] [ 78 ]
 
Os níveis de energia
 
Estes níveis de energia de elétrons (sem escala) são suficientes para estados fundamentais dos átomos até cádmio (5s 2 4d 10 ) inclusive. Não se esqueça que, mesmo a parte superior do diagrama é menor do que um estado de elétrons não ligado.
A energia potencial de um electrão de um átomo é negativo , a sua dependência da sua posição atinge o mínimo (o mais valor absoluto ) no interior do núcleo, e desaparece quando a distância entre o núcleo tende para o infinito , mais ou menos em uma proporção inversa à distância . No modelo da mecânica quântica, um elétron ligado só pode ocupar um conjunto de estados centrados no núcleo, e cada estado corresponde a um determinado nível de energia ; ver equação de Schrödinger independente do tempo para explicação teórica. Um nível de energia pode ser medida pela quantidade de energia necessária para desvincular o elétron do átomo, e é geralmente dada em unidades de elétron-volts (eV). O menor estado de energia de um elétron ligado é chamado o estado fundamental, ou seja, estado estacionário , enquanto uma transição de elétrons ao maior nível resulta em um estado animado. [ 79 ] A energia do elétron aumenta quando n aumenta, porque o (média) a distância para o núcleo aumenta. A dependência da energia no ℓ não é causado pelo potencial eletrostático do núcleo, mas pela interação entre elétrons.
 
Para um elétron para a transição entre dois estados diferentes , por exemplo, estado de primeiro nível animado (aterrada ionização ), deve absorver ou emitir um fóton a uma energia correspondente a diferença na energia potencial desses níveis, de acordo com Niels Bohr modelo, o que pode ser precisamente calculado pela equação de Schrödinger . Elétrons saltam entre orbitais em uma forma de partícula-like. Por exemplo, se um único fóton atinge os elétrons, apenas um único elétron muda de estado em resposta ao fóton; veja propriedades Electron .
 
A energia de um fotão emitido é proporcional à sua frequência , de forma que estes níveis de energia específicos aparecem como bandas distintas no espectro electromagnético . [ 80 ] Cada elemento tem um espectro característico que pode depender da carga nuclear, subcamadas preenchido por electrões, o electromagnético interações entre os elétrons e outros fatores. [ 81 ]
 
 
Um exemplo de linhas de absorção de um espectro
Quando um contínuo espectro de energia é passado através de um gás ou de plasma , alguns dos fotões são absorvidos pelos átomos, causando electrões para alterar o seu nível de energia. Esses elétrons excitados que permanecem ligados ao seu átomo emitem espontaneamente esta energia como um fóton, que viaja em uma direção aleatória, e assim cair de volta para níveis de energia mais baixos. Assim, os átomos de se comportar como um filtro que forma uma série de escuras bandas de absorção de energia na saída. (Um observador visitar os átomos de vista que não inclui o espectro contínuo no fundo, em vez disso vê uma série de linhas de emissão dos fotões emitidos pelos átomos.) espectroscópicos medições da força e largura de linhas espectrais atómicas permitir que a composição e as propriedades físicas de uma substância a ser determinada. [ 82 ]
 
Um exame detalhado das linhas espectrais revela que alguns exibir uma estrutura fina divisão. Isso ocorre por causa do acoplamento spin-órbita , que é uma interação entre a rotação e movimento do elétron mais externo. [ 83 ] Quando um átomo está em um campo magnético externo, linhas espectrais tornar-se dividida em três ou mais componentes; um fenômeno chamado de efeito Zeeman . Isto é causado pela interacção do campo magnético com o momento magnético do átomo e os seus electrões. Alguns átomos pode ter várias configurações eletrônicas com o mesmo nível de energia, o que, portanto, aparecem como uma única linha espectral. A interacção entre o campo magnético com o átomo desloca estas configurações de electrões para ligeiramente diferentes níveis de energia, resultando em várias linhas espectrais. [ 84 ] A presença de uma fonte externa campo eléctrico pode provocar um deslocamento de divisão e de linhas espectrais comparável ao modificar a energia de electrões níveis, um fenômeno chamado de efeito Stark . [ 85 ]
 
Se um elétron ligado está em um estado animado, um fóton interagindo com a energia adequada pode causar emissão estimulada de um fóton com um nível de energia correspondente. Para que isso ocorra, o elétron deve cair para um estado de energia mais baixo que tem uma diferença de energia combinando a energia do fóton que interagem. O fóton emitido e o fóton interagindo então se mover para fora em paralelo e com fases correspondentes. Ou seja, os padrões de movimento dos dois fotões estão sincronizados. Esta propriedade física é utilizado para fazer os lasers , que podem emitir um feixe coerente de luz de energia em uma banda de frequência estreita. [ 86 ]
 
Valence e comportamento de aderência
Artigos principais: Valence (química) e ligação química
Valência é o poder de combinação de um elemento. Ele é igual ao número de átomos de hidrogênio que átomo pode combinar ou deslocam na formação de compostos. [ 87 ] A camada eletrônica mais externa de um átomo em seu estado não combinada é conhecida como a camada de valência , e os elétrons que shell são chamados de elétrons de valência . O número de electrões de valência determina a ligação com o comportamento de outros átomos. Átomos tendem a reagir quimicamente um com o outro de uma maneira que preenche (ou esvazia) suas conchas exteriores de valência. [ 88 ] Por exemplo, uma transferência de um único electrão entre átomos é uma aproximação útil para ligações que se formam entre os átomos com um electrão mais do que um reservatório cheio, e outras que são de um electrão curto de um escudo integral, tal como acontece no composto de cloreto de sódio e outros sais iónicos químicos. No entanto, muitos elementos exibir várias valências, ou tendências para compartilhar o número de elétrons em diferentes compostos diferentes. Assim, a ligação química entre esses elementos assume muitas formas de partilha de elétrons que são mais do que simples transferência de elétrons. Exemplos incluem o elemento carbono e os compostos orgânicos . [ 89 ]
 
Os elementos químicos são muitas vezes apresentados numa tabela periódica que é disposta para exibir propriedades químicas recorrentes e os elementos com o mesmo número de electrões de valência formar um grupo que está alinhado na mesma coluna da tabela. (As linhas horizontais correspondem ao enchimento de um escudo do quantum dos elétrons.) Os elementos na extremidade direita da Mesa têm a sua casca exterior completamente preenchido com elétrons, o que resulta em elementos quimicamente inertes conhecidos como os gases nobres . [ 90 ] [ 91 ]
 
Unidos
Artigos principais: Estado da matéria e Fase (matéria)
 
Instantâneos que ilustram a formação de um condensado de Bose-Einstein
Quantidades de átomos são encontrados em diferentes estados da matéria que dependem das condições físicas, tais como a Temperatura e pressão . Variando as condições, os materiais podem transitar entre sólidos , líquidos , gases e plasmas. [ 92 ] Dentro de um estado, um material também pode existir em diferentes allotropes . Um exemplo disto é o carbono sólido, o qual pode existir na forma de grafite ou diamante . [ 93 ] allotropes gasosos existem também, tal como o dioxigénio e ozono .
 
Em temperaturas perto de zero absoluto , os átomos podem formar um condensado de Bose-Einstein , em que os efeitos da mecânica quântica de ponto, que normalmente são observados apenas em escala atômica, tornam-se aparentes em uma escala macroscópica. [ 94 ] [ 95 ] Este super-resfriado conjunto de átomos, em seguida, se comporta como um único átomo de super , o que pode permitir o controlo fundamentais do comportamento da mecânica quântica. [ 96 ]
 
Identificação
 
Microscópio de varrimento de tunelamento imagem que mostra os átomos individuais que compõem esse Ouro ( 100 ) de superfície. Os átomos da superfície desviar a maior estrutura de cristal e organizar em colunas de vários átomos de largura, com poços entre eles (Veja reconstrução da superfície ).
O microscópio de tunelamento é um dispositivo para a visualização de superfícies em nível atômico. Ele utiliza o encapsulamento quântico fenómeno, o qual permite que as partículas passam através de uma barreira que, normalmente, seria insuperável. Os electrões através do túnel de vácuo entre dois eléctrodos de metal planares, em cada um dos quais é um adsorvida átomo, proporcionando uma densidade de corrente de túnel, que pode ser medido. Digitalizar um átomo (tomado como a ponta) que se move passando pela outra (a amostra) permite traçado do deslocamento da ponta contra a separação lateral por uma corrente constante. O cálculo mostra a extensão em que as imagens de varredura-tunneling-microscópio de um átomo individual são visíveis. Ela confirma que para baixo viés, as imagens do microscópio as dimensões médias de espaço dos orbitais de elétrons entre os níveis de energia-a de perto embalados nível Fermi densidade local de estados . [ 97 ] [ 98 ]
 
Um átomo pode ser ionizado por remoção de um dos seus electrões. A carga eléctrica faz com que a trajectória de um átomo de dobrar quando ele passa através de um campo magnético . O raio através da qual a trajectória de um ião movendo é ligada pelo campo magnético é determinado pela massa do átomo. O espectrómetro de massa utiliza este princípio para medir o rácio de massa-para-carga de iões. Se uma amostra contiver vários isótopos, o espectrómetro de massa é possível determinar a proporção de cada isótopo na amostra, medindo a intensidade dos diversos feixes de iões. Técnicas para vaporizar átomos incluem a espectroscopia de emissão atómica de plasma indutivamente acoplado e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado , ambos os quais utilizam um plasma para vaporizar amostras para análise. [ 99 ]
 
Um método mais selectiva-área é espectroscopia de perda de energia dos electrões , o qual mede a perda de energia de um feixe de electrões dentro de um microscópio electrónico de transmissão , quando ele interage com uma porção de uma amostra. O tomógrafo átomo-sonda tem resolução sub-nanométrica em 3-D e pode identificar quimicamente átomos individuais utilizando espectrometria de massa de tempo de voo. [ 100 ]
 
Spectra de estados excitados podem ser usados ​​para analisar a composição atômica de distantes estrelas . Luz específica comprimentos de onda contidos na luz observada a partir de estrelas pode ser separada e relacionada com as transições quantificados em átomos de gás livres. Estas cores podem ser replicadas usando uma lâmpada de descarga de gás que contém o mesmo elemento. [ 101 ] O hélio foi descoberta desta forma no espectro dos dom 23 anos antes de ser encontrado na Terra. [ 102 ]
 
Origem e estado atual
Átomos formam cerca de 4% da densidade de energia total do Universo observável , com uma densidade média de cerca de 0,25 átomos / m 3 . [ 103 ] dentro de uma galáxia como a Via Láctea , os átomos têm uma concentração muito mais elevada, com a densidade de matéria do meio interestelar (ISM) variando de 10 5 10 9 átomos / m 3 . [ 104 ] A Sun acredita-se estar dentro da Bolha local , uma região de gás altamente ionizado, então a densidade na vizinhança solar é apenas cerca de 10 3 átomos / m 3 . [ 105 ] forma de estrelas densas nuvens no ISM, e os processos evolutivos de estrelas resultar no enriquecimento constante do ISM com elementos mais maciças do que hidrogênio e hélio. Até 95% dos átomos da maneira leitosa estão concentrados no interior das estrelas e a massa total de átomos de formas cerca de 10% da massa do galáxias. [ 106 ] (O restante da massa é um desconhecido matéria escura .) [ 107 ]
 
Formação
Os elétrons são pensadas para existir no Universo, desde as fases iniciais do Big Bang . Formas núcleos atômicos em nucleossíntese reações. Em cerca de três minutos nucleossíntese do Big Bang produziu a maior parte do hélio , lítio , e deutério no Universo, e talvez alguns dos berílio e boro . [ 108 ] [ 109 ] [ 110 ]
 
Ubiquitousness e estabilidade de átomos depende de sua energia de ligação , o que significa que um átomo possui uma energia mais baixa do que um sistema não ligado do núcleo e electrões. Onde a temperatura é muito maior do que o potencial de ionização , a matéria existe sob a forma de plasma - gás de iões carregados positivamente (possivelmente, núcleos nus) e electrões. Quando a temperatura cai abaixo do potencial de ionização, átomos de tornar-se estatisticamente favorável. Atoms (completos com elétrons ligados) tornou-se a dominar cobrado partículas 380 mil anos após o Big Bang-uma época chamado de recombinação , quando o Universo em expansão resfriado o suficiente para permitir que os elétrons se apegam a núcleos. [ 111 ]
 
Uma vez que o Big Bang, que não produziu carbono ou elementos mais pesados ​​, os núcleos atômicos foram combinados em estrelas por meio do processo de fusão nuclear para produzir mais do elemento hélio , e (através do processo triplo alfa ) a sequência de elementos de carbono até ferro ; [ 112 ] ver nucleossíntese estelar para mais detalhes.
 
Isótopos como o lítio-6, bem como alguns berílio e boro são geradas no espaço por meio de fragmentação e desprendimento de raios cósmicos . [ 113 ] Este ocorre quando um protão de alta energia atinge um núcleo atómico, causando um grande número de núcleos a ser ejectado.
 
Elementos mais pesados ​​que o ferro foram produzidos em supernovas através do processo-r e em estrelas AGB através do processo-s , sendo que ambos envolvem a captura de nêutrons por núcleos atômicos. [ 114 ] Elementos como chumbo formado em grande parte por meio do decaimento radioativo do mais pesado elementos. [ 115 ]
 
Terra
A maioria dos átomos que compõem a Terra e seus habitantes estavam presentes na sua forma actual na nebulosa que desabou fora de uma nuvem molecular para formar o Sistema Solar . O resto são o resultado do decaimento radioativo, e sua proporção em relação pode ser usado para determinar a idade da Terra através de datação radiométrica . [ 116 ] [ 117 ] A maior parte do hélio na crosta da Terra (cerca de 99% do hélio a partir de poços de gás, como mostrado pela sua menor abundância de hélio-3 ) é um produto do decaimento alfa . [ 118 ]
 
Existem alguns átomos de rastreamento na Terra que não estavam presentes no início (ou seja, não "primordial"), nem são resultados de decaimento radioativo. O carbono-14 é gerado continuamente por raios cósmicos na atmosfera. [ 119 ] Alguns átomos em Terra foram artificialmente gerado deliberadamente ou como subprodutos de reatores ou explosões nucleares. [ 120 ] [ 121 ] Dos elementos transurânicos -os com números atômicos maiores que 92 só de plutónio e neptunium ocorrem naturalmente na Terra. [ 122 ] [ 123 ] elementos Transuranic têm vidas mais curtas radioativas do que a idade atual da Terra [ 124 ] e, portanto, quantidades identificáveis ​​destes elementos já há muito deteriorado, com exceção de vestígios de plutônio-244 , possivelmente depositados por poeira cósmica. [ 125 ] depósitos naturais de plutónio e neptunium são produzidos por captura de nêutrons em minério de urânio. [ 126 ]
 
A terra contém aproximadamente 1,33 × 10 50 átomos. [ 127 ] Embora um pequeno número de átomos independentes de gases nobres existentes, tais como de árgon , néon , e hélio , 99% de atmosfera está ligado sob a forma de moléculas, incluindo dióxido de carbono e diatómico oxigênio e nitrogênio . Na superfície da Terra, a esmagadora maioria dos átomos se combinam para formar vários compostos, incluindo a água , Sal , silicatos e óxidos . Os átomos também podem se combinar para criar materiais que não consistem de moléculas discretas, incluindo cristais e líquido ou sólido metais . [ 128 ] [ 129 ] Esta forma de matéria atômica arranjos em rede que não possuem o tipo particular de pequena escala interrompido ordem associada à matéria molecular . [ 130 ]
 
Formas raras e teóricas
Elementos superpesados
Ver artigo principal: elemento Transuranium
Enquanto isótopos com números atómicos mais elevados do que chumbo (82) são conhecidas por serem radioactivos, uma " Ilha de estabilidade "tem sido proposto para alguns elementos com os números atómicos acima de 103. Estes elementos superpesados ​​podem ter um núcleo que é relativamente estável face decaimento radioactivo. [ 131 ] O candidato mais provável para um átomo de superheavy estável, unbihexium , tem 126 prótons e 184 nêutrons. [ 132 ]
 
Matéria exótica
Ver artigo principal: matéria exótica
Cada partícula de matéria tem um correspondente antimatéria partícula com carga elétrica oposta. Assim, o positrão é um carregado positivamente antielétron e o antiproton é um equivalente com carga negativa de um protão . Quando a matéria e antimatéria correspondente partícula se encontram, elas se aniquilam mutuamente. Devido a isso, juntamente com um desequilíbrio entre o número de partículas de matéria e antimatéria, este são raros no universo. As primeiras causas deste desequilíbrio ainda não são totalmente compreendidos, embora as teorias da bariogênese pode oferecer uma explicação. Como resultado, não há átomos antimateria foram descobertas na natureza. [ 133 ] [ 134 ] No entanto, em 1996, a contraparte antimatéria do átomo de hidrogénio ( antihydrogen ) foi sintetizado no CERN laboratório em Genebra . [ 135 ] [ 136 ]
 
Outros átomos exóticas foram criadas através da substituição de um dos prótons, nêutrons ou elétrons com outras partículas que têm a mesma carga. Por exemplo, um electrão pode ser substituído por um mais maciça de muões , formando um átomo de muonico . Estes tipos de átomos pode ser usado para testar as previsões fundamentais da física. [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ]



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