núcleo atómico - Wikilingue - Encydia
O núcleo atómico é a parte central de um átomo, onde se concentra mais de 99.99% da massa total e tem ónus positiva.
Está formado por protones e neutrones (denominados nucleones) que se mantêm unidos por médio da interacção nuclear forte. A quantidade de protones no mesmo determina o elemento químico ao que pertence. Os núcleos atómicos com o mesmo número de protones mas diferente número de neutrones denominam-se isótopos.
A existência do núcleo atómico foi deduzida do experimento de Rutherford.
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História
A descoberta dos elétrons foi a primeira indicação da estrutura interna dos átomos. A começos do século XX o modelo aceitado do átomo era o de JJ Thomson's "pudín de passas" modelo no qual o átomo era uma grande bola de ónus positiva com os pequenos elétrons carregados negativamente incorporado dentro da mesma. Por aquele então, os físicos tinham descoberto também três tipos de radiaciones procedentes dos átomos : alfa, beta e radiación gama. Os experimentos de 1911 realizados por Lise Meitner e Otto Hahn, e por James Chadwick em 1914 mostraram que o espectro de decaimiento beta é contínuo e não discreto. Isto é, os elétrons são expulsados do átomo com uma faixa de energias, em vez das quantidades discretas de energia que se observa em raios gama e decaimiento alfa. Isto parecia indicar que a energia não se conservava nestes decaimiento. Posteriormente descobriu-se que a energia sim se conserva, com a descoberta dos neutrinos.
Em 1906 Ernest Rutherford publicou "O atraso da partícula alfa da rádio quando atravessa a matéria", em Philosophical Magazine (12, p. 134-46). Hans Geiger ampliou este trabalho em uma comunicação à Royal Society (Proc. Roy. Soc. 17 de julho de 1908) com experimentos e Rutherford tinha-se feito passar ar através das partículas α, papel de alumínio e papel de alumínio dourado. Geiger e Marsden publicaram trabalhos adicionais em 1909 (Proc. Roy. Soc. A82 p. 495-500) e ampliaram ainda mais o trabalho na publicação de 1910 por Geiger (Proc. Roy. Soc. Fevereiro 1, 1910). Em 1911 -2 Rutherford explicou ante a Royal Society os experimentos e propôs a nova teoria do núcleo atómico.
Por essas mesmas datas (1909) Ernest Rutherford realizou um experimento no que Hans Geiger e Ernest Marsden, baixo seu supervisión dispararam partículas alfa (núcleos de helio) em uma delgada lâmina de ouro. O modelo atómico de Thomson predizia que a das partículas alfa deviam sair da lâmina com pequenos desvios de suas trajectórias estão. No entanto, descobriu que algumas partículas se dispersam a grandes ângulos, e inclusive completamente para atrás em alguns casos. Esta descoberta em 1911 , levou ao modelo atómico de Rutherford, em que o átomo está constituído por protones e elétrons. Assim, o átomo do nitrógeno-14 estaria constituído por 14 protones e 7 elétrons.
O modelo de Rutherford funcionou bastante bem até que os estudos levadas a cabo por Franco Rasetti, no Institute of Technology de Califórnia em 1929 . Em 1925 sabia-se que os protones e elétrons tem um espín de 1 / 2, e no modelo de Rutherford nitrógeno - 14 os 14 protones e seis dos elétrons deveriam cancelar suas contribuições ao espín total, se estimando um espín total de 1 / 2. Rasetti descoberto, no entanto, que o nitrógeno - 14 tem um espín total unidade.
Em 1930 Wolfgang Pauli não pôde assistir a uma reunião em Tubinga , e em seu lugar enviou uma carta famoso com a clássica introdução "Queridos Senhoras e senhores radiactivos ". Em sua carta Pauli sugeriu que talvez existia uma terceira partícula no núcleo, que a baptizou com o nome de "neutrones". Sugeriu que era mais ligeiro que um elétron e sem ónus eléctrico, e que não interactuaba facilmente com a matéria (e por isso ainda não se lhe tinha detectado). Esta hipótese permitia resolver tanto o problema da conservação da energia na desintegração beta e o espín de nitrógeno - 14, a primeira porque os neutrones levavam a energia não detectada e o segundo porque um elétron extra se acoplava com o elétron sobrante no núcleo de nitrógeno - 14 para proporcionar um espín de 1. Enrico Fermi redenominó em 1931 os neutrones de Pauli como neutrinos (em italiano pequeno neutro) e uns trinta anos depois se demonstrou finalmente que um neutrinos realmente se emitem no decaimiento beta.
Em 1932 James Chadwick deu-se conta de que a radiación que de que tinha sido observado por Walther Bothe, Herbert L. Becker, Irène e Jean Frédéric Joliot-Curie era em realidade devido a umas partículas que ele chamou o neutrón. No mesmo ano Dimitri Ivanenko sugeriu que os neutrones eram, de facto partículas de espín 1 / 2, que existiam no núcleo e que não existem elétrons no mesmo, e Francis Perrin sugeriu que os neutrinos são partículas nucleares, que se criam durante o decaimiento beta. Fermi publicou 1934 uma teoria dos neutrinos com uma sólida base teórica. No mesmo ano Hideki Yukawa propôs a primeira teoria importante da força para explicar a forma em que o núcleo mantém junto.
Descrição do núcleo
Forma e tamanho do núcleo
Os núcleos atómicos são bem mais pequenos que o tamanho típico de um átomo (entre 10 mil e 100 mil vezes mais pequenos). Ademais continenen mais de 99% da massa com o qual a densidade mássica do núcleo é muito elevada. Os núcleos atómicos têm algum tipo de estrutura interna, por exemplo os neutrones e protones parecem estar a orbitar um arredor dos outros, facto que se manifesta na existência do momento magnético nuclear. No entanto, os experimentos rebelam que o núcleo se parece muito a uma esfera ou elipsoide compacto de 10-15 m (= 1 fm), no que a densidade parece praticamente constante. Naturalmente a rádio varia segundo o número de protones e neutrones, sendo os núcleos mais pesados e com mais particulas algo maiores. A seguinte fórmula dá a rádio do núcleo em função do número de nucleones A :.
Onde 
A densidade de ónus eléctrica do núcleo é aproximadamente constante até a distância 
e depois decae rapidamente até praticamente 0 em uma distnacia 
de acordo com a fórmula:
Onde r é a distância radial ao centro do núcleo atómico.
As aproximações anteriores são melhores para núcleos esféricos, ainda que a maioria de núcleos não parecem ser esféricos como revela que possuam momento cuadrupular diferente de zero. Este momento cuadrupolar manifesta-se na estrutura hiperfina dos espectros atómicos e faz que o campo eléctrico do núcleo não seja um campo coulombiano com simetría esférica.
Estabilidade do núcleo
Os núcleos atómicos comportam-se como partículas compostas a energias suficientemente baixas. Ademais, a maioria de núcleos atómicos por embaixo de um verdadeiro peso atómico e que ademais apresentam um equilíbrio entre o número de neutrones e o número de protones (número atómico) são estáveis. No entanto, sabemos que os neutrones isolados e os núcleos com demasiados neutrones (ou demasiados protones) são instáveis.
A explicação desta estabilidade dos núcleos reside na existência dos piones. Isoladamente os neutrones podem sofrer via interacção débil a seguinte desintegração:
(1)
No entanto, dentro do núcleo atómico a cercania entre neutrones e protones faz que sejam bem mais rápidas, via interacção forte as reacções:
(2)
Isto faz que continuamente os neutrones do núcleo se transformem em protones, e alguns protones em neutrones, isto faz que a reacção () mal tenha tempo de acontecer, o que explica que os neutrones dos núcleos atómicos sejam bem mais estável que os neutrones isolados. Se o número de protones e neutrones se desequilabra, abre-se a possibilidade de que na cada momento tenha mais neutrones e seja mais fácil a ocorrência da reacção ().
Modelos de estrutura do núcleo atómico
Em 1808 o químico inglês John Dalton propõe uma nova teoria sobre a constituição da matéria. Segundo Dalton toda a matéria está formada por átomos indivisibles e invisíveis, estes a sua vez se para formar compostos em proporções inteiras fixas e consantes. De facto Dalton propôs a existência dos átomos como uma hipótese para explicar porqué os átomos só se combinanban em certas combinações concretas. O estudo dessas combinações levou-lhe a poder calcular os pesos atómicos. Para Dalton a existência do núcleo atómico era desconhecida e considerava-se que não existiam partes mais pequenas.
Em 1897 Joseph John Thomson foi o primeiro em propor um modelo estrutural interno do átomo. Thomson foi o primeiro em identificar o elétron como partícula subatómica de ónus negativa e concluiu que «se os átomos contêm partículas negativas e a matéria se apresenta com neutralidade de ónus, então devem existir partículas positivas». É bem como Thomson postuló que o átomo deve ser uma esfera compacta positiva na qual encontrar-se-iam incorporados os elétrons em diferentes lugares, de maneira que a quantidade de ónus negativa seja igual ao ónus positivo.
Assim nem o modelo atómico de Dalton nem o de Thomson incluíam nenhuma descrição do núcleo atómico. A noção de núcleo atómico surgiu em 1911 quando Ernest Rutherford e seus colaboradores Hans Geiger e Ernest Marsden, utilizando um faz de radiación alfa, bombardearam folhas laminadas metálicas muito delgadas, colocando um ecrã de sulfuro de zinco a seu ao redor, substância que tinha a qualidade de produzir destellos com o choque das partículas alfa incidentes. A folha metálica foi atravessada pela maioria das partículas alfa incidentes; algumas delas seguiram em linha recta, outras foram desviadas de seu caminho, e o mais surpreendente, muito poucas rebotaron contra a lâmina.
À luz da fórmula dispersión usada por Rutherford:
(1)
Onde:
, sendo 
a constante dieléctrica do vazio e 
, é o ónus eléctrico do centro dispersor.
, é a energia cinética inicial da partícula alfa incidente.
é o parámetro de impacto.
Os resultados do experimento requeriam parámetros de impacto muito pequenos, e por tanto que o núcleo estivesse concentrado na parte central, o núcleo de ónus positiva, onde estaria concentrada a massa do átomo. com isso explicava o desvio das partículas alfa (partículas de ónus positiva). Os elétrons encontrar-se-iam em uma estrutura externa girando em órbitas circulares muito afastadas do núcleo, o que explicaria o passo maioritário das partículas alfa através da lamina de ouro.
Em 1913 Niels Bohr postula que os elétrons giram a grandes velocidades ao redor do núcleo atómico. Os elétrons dispõem-se em diversas órbitas circulares, as quais determinam diferentes níveis de energia. O elétron pode aceder a um nível de energia superior, para o qual precisa "absorver energia. Para voltar a seu nível de energia original é necessário que o elétron emita a energia absorvida ( por exemplo em forma de radiación).
Comummente existem dois modelos diferentes descrever o núcleo atómico:
- O modelo da gota de água
- O modelo de capas
Ainda que ditos modelos são mútuamente excluyentes em suas hipóteses básicas tal como foram formulados originalmente, A. Bohr e Mottelson construíram um modelo misto que combinava fenomenológicamente características de ambos modelos.
Modelo da gota líquida
Este modelo não pretende descrever a complexa estrutura interna do núcleo senão só as energias de enlace entre neutrones e protones bem como alguns aspectos dos estados excitados de um núcleo atómico que se refletem nos espectros nucleares. Foi inicialmente proposto por Bohr (1935) e o núcleo em analogia com uma massa de fluído clássico composto por neutrones e protones e uma força central columbiana repulsiva proporcional ao número de protones Z e com origem no centro da gota.
Desde o ponto de vista cuantitativo observa-se que a massa de um núcleo atómico é inferior à massa dos componentes indiviudales (protones e neutrones) que o formam. Esta não conservação da massa está ligada com a equação 
de Einstein, pela qual parte da massa está em forma de energia de ligazón entre ditos componentes. Cuantiativamente tem-se a seguinte equação:[1]
Onde:
são respectivamente a massa do núcleo, a massa de um protón e a massa de um neutrón.
são respectivamente o número atómico (que coincide com o número de protones), o número mássico (que coincide com o número de nucleones) e A-Z por tanto coincide com o número de neturones.
é a energia de enlace entre todos os nucleones.
O modelo da gota de água pretende descrever a energia de enlace B a partir de considerações geométricas e interpreta a energia dos estados excitados dos núcleos como rotações ou vibrações semiclásicas da "gota de água" que representa o núcleo. Em concreto neste modelo a energia de enlace representa-se como B :[2]
Onde:
este termo representa o efeito favorável do volume.
este termo representa o efeito desfavorável da superfície.
representa o efeito da repulsión coulombiana entre protones.
representa o facto de que os núcleos "equilibrados" com um número similar de protones e neutrones são mais estáveis.
representa o facto de que os núcleos com um número par de protones e neutrones, são mais estáveis que os que têm um número ímpar de ambas espécies. Matematicamente o termo vem dado por:
Modelo de capas
Este é um modelo que trata de capturar parte da estrutura interna refletida tanto no momento angular do núcleo, como em seu momento angular. Ademais o modelo pretende explicar porqué os núcleos com um "número mágico" de nucleones (neutrones e protones) resultam mais estáveis (os números mágicos são 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126).
A explicação do modelo é que os nucleones se agrupam em capas". A cada capa está formada por um conjunto de estados cuánticos com energias similares, a diferença de energia entre duas capa é grande comparada com as variações de energia dentro da cada capa. Assim dado que os nucleones são fermiones um núcleo atómico terá as capas de menor energia cheia pelo que os nucleones não podem cair a capas inferiores já cheias. As capas aqui devem entender em um sentido abstrato e não como capas físicas como as capas de uma cebolla, aliás a forma geométrica de de o espaço ocupado por um nucleón em um determinado estado de uma capa se interpenetra com o espaço ocupado por nucleones de outras capas, de maneira análoga a como as capas electrónicas se interpenetran em um átomo.
Referências
Bibliografía
- C. Sánchez do Rio (2003). «Estrutura dos núcleos atómicos», C. Sánchez do Rio (ed.). Física cuántica, Edições Pirâmide, pp. 882-899. ISBN 978-84-368-1656-3.
Veja-se também
Modelo:ORDENAR:Nucleo atomico
mhr:Атом том
