O mundo é feito de átomos

Coluna Física sem Mistério
Publicada no Ciência Hoje-On line
17/09/2010

Se, em algum cataclisma, todo o conhecimento científico for destruído e só uma frase puder ser passada para a próxima geração, qual seria a afirmação que conteria maior quantidade de informação na menor quantidade de palavras? Eu acredito que seria a hipótese atômica de que todas as coisas são feitas de átomos..."

Richard Feynman (1918-1988)

em The Feynman Lectures on Physics

Neste mês estamos no final do inverno (que para algumas regiões do Brasil foi muito quente) e no começo da primavera. Em alguns lugares, como no campus da universidade em que trabalho (Universidade Federal de São Carlos – UFSCar) muitos ipês começam a florir. São amarelos e brancos e fazem contraste com muitas outras árvores que estão sem folhas, devido à seca que dura muito tempo.

Sem dúvida é um belo espetáculo. Se pararmos para pensar, poderemos lembrar de outras belas visões que encontramos em nosso mundo, como as Cataratas do Iguaçu, a praia de Copacabana, o pantanal mato-grossense, Fernando de Noronha, apenas para citar alguns lugares no Brasil.

Ao observar o céu, com auxílio de telescópios, podemos ter acesso a visões de objetos espetaculares, como Saturno e seus anéis, belas nebulosas, como a de Órion, e galáxias maravilhosas, como a de Andrômeda.

Como podemos encontrar tanta beleza no universo? Como é possível haver toda essa diversidade? Talvez a resposta mais simples a essa questão seja que todas essas coisas são simplesmente feitas de átomos.

A ideia de que as coisas são feitas de alguns elementos fundamentais vem desde a Grécia antiga. Filósofos como Anaximandro, que viveu no século 6 a.C., imaginavam que tudo era composto por uma substância primordial denominada Apeiron, que seria uma ‘massa geradora’ dos seres, contendo em si todos os elementos.  Outros, como Anaxímenes (588-524 a.C.), acreditavam que o ar era a substância primordial.

Mas, por volta do século 4 a.C., surgiu o conceito de átomo. Demócrito (460-370 a.C.), discípulo Leucipo (século 5 a.C), propunha que tudo o que existe (inclusive a própria alma que animaria os seres vivos) seria constituído por um turbilhão de infinitos átomos de diversos formatos movendo-se ao acaso e se chocando.

A partir desses choques e movimentos ao longo do tempo, esses átomos se uniriam por suas características, formando as diversas substâncias que encontramos na natureza.

 

Da antiguidade à era moderna

A palavra átomo em grego quer dizer ‘não divisível’ (a = não; tomo = parte). Embora o conceito fosse interessante, ele foi superado por outras ideias na antiguidade, como o princípio segundo o qual tudo é composto a partir de cinco elementos fundamentais: terra, água, ar e fogo para os objetos terrestres, e o éter para os objetos celestes.

Um dos grandes problemas para o conceito do átomo era que estes deveriam se mover no vazio, algo que era de difícil concepção para muitos filósofos – entre eles Aristóteles, que construiu a sua visão de universo baseado nos cinco elementos e não no conceito de átomo.

No começo do século 19, em 1803, o químico inglês John Dalton (1766-1844) resgatou a ideia do átomo como uma pequena esfera, com massa definida e propriedades características de cada elemento químico. Dessa maneira, ele poderia explicar as reações químicas pelo arranjo de átomos, que seriam, para ele, as menores partículas indivisíveis que constituem a matéria.

No final do século 19, o modelo do átomo foi novamente modificado. Em 1897, J. J. Thompson descobriu o elétron, uma minúscula partícula de carga elétrica negativa. Thompson então imaginou que o átomo seria composto por um ‘caroço duro’ positivo e que os elétrons estariam incrustados nesse ‘caroço’ e poderiam ser arrancados quando se aplicasse, por exemplo, um potencial elétrico sobre o átomo.

Alguns anos depois, Ernest Rutherford realizava experimentos de colisões de partículas alfa (núcleos de átomos de hélio) em uma fina folha de ouro quando percebeu que algumas partículas atravessavam com facilidade, enquanto outras eram ricocheteadas, como se colidissem com algo mais denso. Dessa forma, ele descobriu que o átomo parecia ter praticamente toda a sua massa concentrada em uma pequena região, enquanto os elétrons estariam muito afastados desse núcleo.

Atualmente sabemos que o núcleo do átomo é cerca de 100 mil vezes menor que a região na qual ficam os elétrons. O tamanho típico de um átomo é na ordem de 0.1 nanômetro (um nanômetro é um milionésimo de um milímetro).

 

O que faz cada átomo

O núcleo é composto por prótons, que têm aproximadamente mil vezes a massa do elétron, mas com carga positiva; e por nêutrons, que têm massa similar à do próton, mas sem carga elétrica. É a partir da interação eletromagnética que os elétrons interagem com os prótons no núcleo atômico, e pela interação nuclear forte entre os prótons e nêutrons que se mantém o núcleo coeso.

Existem 92 tipos de átomo naturais. O menor deles é o hidrogênio, que contém apenas um próton no seu núcleo, e o maior é o urânio, que tem 92 prótons e 146 nêutrons. Já foram produzidos cerca de 26 átomos artificiais, mas eles não são estáveis e rapidamente se desintegram em outros menores.

O que diferencia um átomo do outro é essencialmente o número de prótons que cada um contém. Por exemplo: o gás oxigênio que respiramos do ar é uma molécula composta por dois átomos de oxigênio (que contém oito prótons e oito nêutrons).

Já o carbono, que está presente em inúmeras substâncias, em particular nos seres vivos, formando diversas moléculas orgânicas, tem seis prótons e seis nêutrons.

O carbono se apresenta também como a grafite utilizada no lápis para escrever e os famosos diamantes que tanto nos fascinam. A grafite é negra e mole, e o diamante é duro e reflete a luz de uma maneira maravilhosa (daí vem a sua beleza). A diferença entre a grafite e o diamante é apenas a disposição dos átomos de carbono nas suas estruturas.

O mesmo elemento químico, quando arranjado de diferentes formas, produz diferentes propriedades físicas. Esse fenômeno é conhecido como alotropia. O carbono apresenta outras estruturas, como a das bucky balls, nas quais 60 átomos de carbono ficam dispostos como se formassem uma bola de futebol.

Nesta configuração, os átomos de carbono podem apresentar propriedades magnéticas e supercondutoras, além de suportar grandes tensões (os supercondutores são materiais que em baixas temperaturas conduzem corrente elétrica sem perda de energia. As bobinas das máquinas de ressonância magnética são feitas com esses materiais).

 

Tecnologia em escala atômica

Atualmente, com o avanço científico e tecnológico, sabemos não apenas que a matéria é feitas de átomos, mas também podemos manipular a matéria em escala atômica e produzir novas coisas.

A chamada nanotecnologia, que é a tecnologia na escala do nanômetro, vem permitindo o desenvolvimento de novos materiais que são aplicados nos mais diversos ramos. Alguns exemplos são a produção de computadores mais rápidos e baratos, ou a criação de remédios que curam inúmeras doenças.

Em um futuro próximo, será possível produzir máquinas feitas de apenas alguns átomos. Esses nanodispositivos poderão ser inseridos no organismo, por exemplo, para atacar vírus ou bactérias no nível molecular ou na regeneração de células danificadas.

Os átomos de carbono também estão presentes nos ipês amarelos e brancos que floriam nesta semana na UFSCar. São idênticos aos dos diamantes mais caros ou aqueles que estão nos detritos que formam os anéis de Saturno. Os de oxigênio estão também nessas árvores, nos cristais de gelos que formam algumas nuvens, na água que cai nas Cataratas do Iguaçu e em muitas das belas nebulosas que observamos no céu.

Saber que as coisas são feitas de átomos talvez tenha sido uma das mais importantes descobertas da humanidade. Quando vemos que a natureza pode combiná-los de forma a produzir belos espetáculos, percebemos mais ainda como esse conhecimento é valioso.

Adilson de Oliveira
Departamento de Física
Universidade Federal de São Carlos