O núcleo atômico é a minúscula região central do átomo, com carga elétrica positiva, onde se concentra quase toda a sua massa.
Embora represente apenas uma fração do tamanho total do átomo, sua influência é crucial na definição das propriedades químicas e físicas dos elementos.
Partículas subatômicas do núcleo
O núcleo é composto de prótons e nêutrons, conhecidos coletivamente como núcleons. Os prótons têm carga elétrica positiva, enquanto os nêutrons são eletricamente neutros. No entanto, nos núcleos de hidrogênio mais simples (hidrogênio-1), apenas um próton é encontrado, sem nêutrons.
Cada elemento químico é definido pelo seu número atômico (Z), que corresponde ao número de prótons do núcleo e determina sua carga elétrica total. Além disso, o número de massa (A) é a soma de prótons e nêutrons, fornecendo uma medida aproximada da massa nuclear.
Composição do núcleo e sua estrutura
Quase toda a massa do átomo se encontra no núcleo, uma vez que os elétrons, embora essenciais para as interações químicas, possuem massa desprezível em comparação aos prótons e nêutrons. O tamanho do núcleo varia dependendo do elemento: de cerca de 1,75 femtômetros (fm) no núcleo do hidrogênio a 15 fm nos elementos mais pesados, como o urânio.
Os números fundamentais que descrevem o núcleo atômico são:
- Número atômico (Z): número de prótons.
- Número de nêutrons (N): número de nêutrons no núcleo.
- Número de massa (A): soma de prótons e nêutrons, A = Z + N.
Forças nucleares e ligações entre prótons
A presença de prótons carregados positivamente gera uma forte repulsão eletrostática dentro do núcleo. No entanto, uma força muito mais forte, conhecida como força nuclear forte, mantém os núcleons unidos. Esta força é de curto alcance, mas suficiente para neutralizar a repulsão entre os prótons.
A energia de ligação nuclear, responsável por manter o núcleo unido, é liberada nas reações de fusão nuclear. Nestes processos, quando as ligações nucleares são quebradas, a energia é gerada de acordo com a equação de Einstein:
E=mc 2
Esta relação descreve como a perda de massa durante essas reações é convertida em energia.
Exemplos de núcleos atômicos em energia nuclear
No campo da energia nuclear, alguns núcleos atômicos são essenciais devido às suas propriedades únicas:
- Urânio-235: Este isótopo de urânio é fundamental para reatores nucleares e armas nucleares. O seu núcleo, composto por 92 protões e 143 neutrões, é altamente físsil, o que significa que pode dividir-se em núcleos mais pequenos quando bombardeado com neutrões, libertando uma enorme quantidade de energia.
- Plutônio-239: Produzido artificialmente, é outro núcleo crucial para a fissão nuclear. Possui 94 prótons e 145 nêutrons, e é utilizado tanto em reatores quanto em armas nucleares devido à sua alta capacidade de liberação de energia.
- Deutério (Hidrogênio-2): É um isótopo de hidrogênio usado em experimentos de fusão nuclear, onde se combina com trítio (Hidrogênio-3) para liberar energia limpa. Esta reação é a base da pesquisa em reatores de fusão, como o ITER.
Modelos atômicos e a evolução da teoria do átomo
A compreensão da estrutura atômica evoluiu consideravelmente ao longo do tempo. Os marcos mais relevantes são destacados abaixo:
- Modelo Dalton (1808): John Dalton propôs que toda matéria é composta de átomos indivisíveis e invisíveis. Este modelo não contemplava a existência do núcleo atômico.
- Modelo Thomson (1897): Joseph John Thomson descobriu o elétron e sugeriu que os átomos têm uma estrutura interna. Ele postulou um modelo no qual partículas negativas (elétrons) são distribuídas em uma massa positiva, conhecido como “modelo do pudim de ameixa”.
- Modelo Rutherford (1911): Ernest Rutherford descobriu o núcleo atômico por meio do famoso experimento com folha de ouro. Ele determinou que os átomos têm um núcleo central pequeno e denso cercado por elétrons.
- Modelo Bohr (1913): Niels Bohr refinou o modelo de Rutherford, propondo que os elétrons orbitam o núcleo em níveis de energia definidos. Este modelo introduziu conceitos quânticos ao descrever órbitas eletrônicas.
Símile didático para entender as dimensões
Para entender as proporções do núcleo em relação ao resto do átomo, imagine um gigantesco estádio de futebol, como o Camp Nou, completamente vazio.
No centro do estádio colocamos uma pequena bolinha de gude. Essa pequena esfera representa o núcleo atômico, a parte central do átomo onde está concentrada quase toda a sua massa. Embora seja incrivelmente pequeno comparado ao tamanho total do estádio, é a peça mais importante, pois contém os prótons e nêutrons que determinam as propriedades do átomo.
O resto do estádio, todo aquele enorme espaço vazio, simboliza a região por onde se movem os elétrons. Os elétrons são minúsculas partículas carregadas negativamente que giram em torno do núcleo como abelhas pairando em torno de uma flor. Embora ocupem muito espaço, pesam tão pouco que sua massa mal contribui para o átomo total.