Imagine colocar um átomo em uma escala

Ao fazer isso, as células da pele com a espessura de trilhões de átomos se descamam de sua mão e caem ao redor dela, enterrando-a em uma pilha de cópias atômicas. Enquanto isso, umidade e partículas atmosféricas disparam, saltando dentro e fora da escala e enviando sua agulha magnética sensível ao átomo chicoteando para frente e para trás como um limpador de pára-brisa. E, a propósito, como você conseguiu isolar um único átomo em primeiro lugar?

Uma réplica de um espectrômetro de massa usado pelo físico JJ Thompson na década de 1910. Crédito da imagem: Creative Commons | Jeff Dahl

Um momento de reflexão mostra que você não pode pesar um átomo em uma escala tradicional.

Em vez disso, os físicos por mais de um século usaram um instrumento chamado espectrômetro de massa. Inventado em 1912 pelo físico JJ Thomson e aprimorado incrementalmente, funciona assim: primeiro, os físicos "ionizam" um gás de átomos disparando um feixe de partículas no gás, que adiciona elétrons aos átomos ou remove alguns de seus elétrons, dependendo do tipo de feixe de partículas usado. Isso dá aos átomos, agora conhecidos como "íons" - uma carga elétrica líquida negativa ou positiva.

Em seguida, os íons são enviados por um tubo no qual são submetidos a campos elétricos e magnéticos. Ambos os campos exercem uma força sobre os íons, e as intensidades das duas forças são proporcionais à carga dos íons (os átomos neutros não sentem as forças). A força elétrica faz com que os íons mudem de velocidade, enquanto a força magnética dobra seu caminho.

Os íons são então coletados por "copos de Faraday" na extremidade do tubo, gerando uma corrente em fios presos aos copos. Medindo onde e quando o fluxo de íons atinge os copos de Faraday, os físicos podem determinar o quanto eles devem acelerar e em que direção, como resultado das forças elétricas e magnéticas. Por último, por meio da segunda lei do movimento de Newton, F=ma, reorganizada como m=F/a, os físicos dividem a força total que atua sobre os íons por sua aceleração resultante para determinar a massa dos íons.

A massa do elétron também foi determinada usando um espectrômetro de massa, nesse caso, os elétrons foram simplesmente enviados através do próprio instrumento. Essa medição permite aos físicos determinar a massa de um átomo quando ele tem o número correto de elétrons, em vez de uma escassez ou excesso deles.

Usando um espectrômetro de massa, os físicos determinaram que a massa de um átomo de hidrogênio é 1,660538921 (73)×10^-27 quilogramas, onde os dígitos entre parênteses não são conhecidos com certeza completa. Isso é preciso o suficiente para a maioria dos propósitos.

Boas vibrações

Outra maneira de encontrar a massa de um átomo é medindo sua frequência de vibração e resolvendo inversamente, de acordo com o artigo de Jon R. Pratt de 2014 no Journal of Measurement Science. 

A vibração de um átomo pode ser determinada de algumas maneiras, incluindo a interferometria atômica, na qual as ondas atômicas são divididas de forma coerente e posteriormente recombinadas, de acordo com Alex Cronin, professor associado do departamento de física da Universidade do Arizona; e pentes de frequência, que usam espectrometria para medir vibrações. A frequência pode então ser usada com a constante de Planck para encontrar a energia do átomo (E = hv, onde h é a constante de Planck ev é a frequência). A energia pode então ser usada com a famosa equação de Einstein, E = mc², para resolver a massa do átomo quando ela é reorganizada em m = E/c². 

Uma terceira maneira de medir a massa de um átomo é descrita em um artigo de 2012 publicado na Nature Nanotechnology por J. Chaste, et al. Este método envolve o uso de nanotubos de carbono em baixas temperaturas e no vácuo e a medição de como a frequência de vibração muda dependendo da massa das partículas anexadas a eles. Esta escala pode medir massas de até um yoctograma, menos que a massa de um único próton (1,67 yoctogramas).

O teste foi com um nanotubo de carbono de 150 nanômetros suspenso sobre uma vala. O nanotubo foi puxado como uma corda de violão, e isso produziu uma frequência de vibração natural que foi então comparada aos padrões de vibração quando o nanotubo entrou em contato com outras partículas. A quantidade de massa que está no nanotubo altera a frequência que é produzida. 

Sua velha massa

E antes dos dias dos espectrômetros de massa, quando os químicos estavam confusos sobre o que um átomo era? Em seguida, eles mediram principalmente os pesos dos átomos que compunham vários elementos em termos de suas massas relativas, em vez de suas massas reais. Em 1811, o cientista italiano Amedeo Avogadro percebeu que o volume de um gás (a uma dada pressão e temperatura) é proporcional ao número de átomos ou moléculas que o compõem, independente de qual gás seja. Este fato útil permitiu aos químicos comparar os pesos relativos de volumes iguais de gases diferentes para determinar as massas relativas dos átomos que os compõem.

Eles mediram os pesos atômicos em termos de unidades de massa atômica (amu), onde 1 amu era igual a um duodécimo da massa de um átomo de carbono-12. Quando, na segunda metade do século 19, os químicos usaram outros meios para aproximar o número de átomos em um determinado volume de gás, aquela famosa constante conhecida como número de Avogadro, eles começaram a produzir estimativas grosseiras da massa de um único átomo, pesando o volume de todo o gás, e dividindo pelo número.

A diferença entre peso atômico, massa e número

Muitas pessoas usam os termos peso e massa alternadamente, e até mesmo a maioria das balanças oferece opções em unidades como libras e quilogramas. E embora massa e peso estejam relacionados, eles não são a mesma coisa. Ao discutir sobre átomos, muitas pessoas usam peso atômico e massa atômica alternadamente, embora também não sejam exatamente a mesma coisa.

A massa atômica é definida como o número de prótons e nêutrons em um átomo, onde cada próton e nêutron tem uma massa de aproximadamente 1 amu (1,0073 e 1,0087, respectivamente). Os elétrons dentro de um átomo são tão minúsculos em comparação com os prótons e nêutrons que sua massa é desprezível. O átomo de carbono-12, que ainda é usado como padrão hoje, contém seis prótons e seis nêutrons para uma massa atômica de doze amu. Diferentes isótopos do mesmo elemento (mesmo elemento com diferentes quantidades de nêutrons) não têm a mesma massa atômica. O carbono-13 tem uma massa atômica de 13 amu.

O peso atômico, ao contrário do peso de um objeto, não tem nada a ver com a atração da gravidade. É um valor sem unidade que é uma razão das massas atômicas dos isótopos de ocorrência natural de um elemento em comparação com um duodécimo da massa do carbono-12. Para elementos como berílio ou flúor, que têm apenas um isótopo de ocorrência natural, a massa atômica é igual ao peso atômico. 

O carbono tem dois isótopos que ocorrem naturalmente - carbono-12 e carbono-13. As massas atômicas de cada um são 12,0000 e 13,0034, respectivamente, e conhecendo suas abundâncias na natureza (98,89 e 1,110 por cento, respectivamente), o peso atômico do carbono é calculado em cerca de 12,01. O peso atômico é muito semelhante à massa do carbono-12 devido à maioria do carbono na natureza ser feito do isótopo do carbono-12.

O peso atômico de qualquer átomo pode ser encontrado multiplicando a abundância de um isótopo de um elemento pela massa atômica do elemento e, em seguida, adicionando os resultados. Esta equação pode ser usada com elementos com dois ou mais isótopos:

• Carbono-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668 
• Carbono-13: 0,0111 x 13,0034 = 0,1443
• 11,8668 + 0,1443 = 12,0111 = peso atômico do carbono

E ainda há um terceiro valor que é usado quando se discutem medidas relacionadas aos átomos: o número atômico. O número atômico é definido pelo número de prótons em um elemento. Um elemento é definido pelo número de prótons que o núcleo contém e não tem nada a ver com quantos isótopos o elemento possui. O carbono sempre tem um número atômico 6 e o ??urânio sempre tem um número atômico 92.

Recursos adicionais

• Conferência Nacional de Laboratórios de Padrões Internacionais: Como Pesar Tudo, de Átomos a Maçãs, Usando o SI Revisado
• Física APS: Mais potência para interferometria atômica
• Khan Academy: número atômico, massa atômica e isótopos

Junte-se aos nossos Canais Espaciais para continuar falando sobre o espaço nas últimas missões, céu noturno e muito mais! Siga-nos no facebook e no twitter. E se você tiver uma dica, correção ou comentário, informe-nos aqui ou pelo e-mail: gaiaciencia@gaiaciencia.com.br

Referência:

WOLCHOVER, Natalie. How Do You Weigh an Atom? Live Science, 11, set. 2017. Disponível em: <https://www.livescience.com/20581-weigh-atom.html>. Acesso em: 12, set. 2021.

Marcello Franciolle F T I P E
Founder - Gaia Ciência

Marcello é fundador da Gaia Ciência, que é um periódico científico que foi pensado para ser uma ferramenta para entender o universo e o mundo em que vivemos, com temas candentes e fascinantes sobre o Universo e Ciências da Terra para inspirar e encantar as pessoas. Ele é graduando em Administração pelo Centro Universitário N. Sra. do Patrocínio (CEUNSP) – frequentou a Universidade de Sorocaba (UNISO); graduação em Análise de Sistemas e onde participou do Encontro de Pesquisadores e Iniciação Científica (EPIC). Suas paixões são literatura, filosofia, poesia e claro ciência.