Química Geral ⇒ Espaço entre partículas subatômicas

[Woody]

Olá senhores!
Em um átomo, temos basicamente prótons, neutrons e elétrons. Mas o que existem nos "espaços vazios"? Não acredito e não consigo imaginar que a elétrosfera seja totalmente preenchida, pois se fosse, um átomo então deveria ser uma esfera maciça, o que não é o caso. Mas então, o que existe nesses supostos "espaços vazios" e de que são feitos esses espaços?

[Planck]

Olá, Woody!

Uma excelente indagação. Inicialmente, apenas uma comparação para estabelecer uma noção: Se o átomo fosse do tamanho de um campo de golfe, o núcleo seria apenas o buraco que a bola entra. Um átomo de carbono, por exemplo, tem [tex3]10^{-8}[/tex3]

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[tex3]10^{-8}[/tex3]

centímetros. Mas seu núcleo tem apenas uma trilionésima parte do centímetro ([tex3]10^{-12}[/tex3]

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[tex3]10^{-12}[/tex3]

). A eletrosfera, na verdade, corresponde a uma "nuvem" eletrônica, um mar de possibilidades onde o elétron pode ser encontrado, em determinados níveis eletrônicos. Um nível eletrônico é constituído por orbitais atômicos:

Orbitales_d.jpg (24.97 KiB) Exibido 1658 vezes

Entretanto, os orbitais não representam a posição exata do elétron no espaço, que não pode ser determinada devido à sua natureza ondulatória; apenas delimitam uma região do espaço na qual a probabilidade de encontrar o elétron é mais alta, definida por uma função de onda, no caso do átomo de hidrogênio, é assim:

200px-HAtomOrbitals.png (37.1 KiB) Exibido 1658 vezes

Os prótons e os nêutrons também não são corpos sólidos, mas são formados de diminutas partículas que, por sua vez, giram em círculos no interior do átomo. Entretanto, já se sabe que não existe um único núcleo central, pois cada átomo possui três concentrações de massas desse tipo. Esse corpos internos são chamados quarks. Que proporção do volume de um próton ou de um nêutron tem quarks? Não sabemos a resposta.

O núcleo é, na verdade, uma estrutura extremamente turbulenta, cujas partículas se movem e interagem sem cessar. Nessa agitação ininterrupta, há movimentos caóticos, que desafiam qualquer previsão. É o mundo da física quântica. Além disso, acontecem interações entre partículas subatômicas que constituem o núcleo.

Essa é uma breve explicação sobre o átomo. Há muito mais nos bastidores e muitos aspectos que desconhecemos e estamos investigando.

[Woody]

Obrigado pela dedicação em dar uma resposta tão estruturada e bem escrita, Plank!

Esse é exatamente o problema para mim. A nuvem eletrônica possui uma densidade relacionada à probabilidade de se encontrar um elétron em certo ponto de sua eletrosfera, isso, a partir da função de onda - o seu quadrado. Como você bem exemplificou, o núcleo do átomo de carbono é muito pequeno em relação à todo o átomo. Só o núcleo de um átomo de carbono, possui 6 prótons, que obviamente, são ainda menores que o núcleo como um todo. Os elétrons por sua vez, são ainda menores que os prótons, sendo a massa de um próton, aproximandamente 1836 vezes a massa de um elétron.

Como o núcleo é pequeno em relação à todo o átomo - ainda tendo como base um átomo de carbono - a eletrosfera é um espaço muito grande, este, que é destinado aos elétrons, que são extremamente pequenos. Dessa forma, tudo leva à crer que há MUITOS espaços vazios na eletrosfera, o que é o X da questão, e o que ainda continua um mistério para mim. Imaginar o vazio total é um pouco complicado, e eu não sei se o vácuo e esse suposto vazio são sinônimos perfeitos.

Me corrija se eu tiver cometido algum ou se houver alguma lógica incoerente. Sou novo no forúm e ainda não sei muito bem como funciona as respostas e se devo dar alguma qualificação à sua, e nem mesmo sei como respondê-la diretamente ou se há como fazer isso, talvez eu esteja respondendo de forma errada.

[Planck]

A nuvem eletrônica possui uma densidade relacionada à probabilidade de se encontrar um elétron em certo ponto de sua eletrosfera, isso, a partir da função de onda - o seu quadrado.

Acredito que seja por isso que Einstein não gostava da Física Quântica - risos. O interessante (e assustador) é que o elétron pode estar em qualquer um desses pontos permitidos pela configuração do orbital. Ou seja, é um mar de possibilidades de lugares que o famigerado elétron pode ou não estar e, além disso, sabendo a posição do elétron, não podemos saber sua velocidade e vice-versa.

Com o desenvolvimento da Física Quântica e algumas descobertas experimentais, ficou constatado que elétrons orbitando o núcleo não podem ser totalmente descritos como partículas, o que nos leva a dualidade partícula-onda. Desse modo, o elétron possui as seguintes propriedades:

Como onda:

1. O elétron não orbita o núcleo igual um planeta orbita o Sol, mas sim, como ondas estacionárias. Assim, a energia mais baixa possível que um elétron pode receber é análogo à frequência fundamental de uma onda em uma corda. Estados de energia mais elevados são semelhantes aos harmônicos dessa frequência fundamental.
2. Os elétrons nunca estão em um ponto único, embora a probabilidade de interagir com o elétron em um único ponto possa ser encontrada a partir da função de onda do elétron. A carga no elétron atua como se fosse espalhada no espaço em uma distribuição contínua, proporcional em qualquer ponto à magnitude quadrada da função de onda do elétron.

Como partícula:

1. O número de elétrons que orbitam o núcleo pode ser apenas um inteiro.
2. Os elétrons saltam entre os orbitais como partículas. Por exemplo, se um único fóton atinge os elétrons, apenas um único elétron muda de estado em resposta ao fóton.
3. Os elétrons retêm propriedades parecidas com partículas, tais como: cada estado de onda tem a mesma carga elétrica que sua partícula de elétrons. Cada estado de onda tem um único spin discreto (spin up ou spin down) dependendo de sua superposição.

Além disso, entre os elétrons e o suposto núcleo, há fótons sendo constantemente trocados e entre elétrons e elétrons também. É assim que a força entre duas partículas carregadas surge. Como sempre há algumas forças presentes entre duas partículas/corpos, sempre existem tais partículas de troca presentes. Mesmo no espaço desprovido de qualquer partícula/corpo material, há flutuações de vácuo que dão origem a fótons, que, no entanto, são novamente aniquilados (quase instantaneamente). Abaixo segue uma demonstração melhor da função de onda para o átomo de Hidrogênio:

Hydrogen_Density_Plots.png (673.91 KiB) Exibido 1646 vezes

Ademais, uma ótima pergunta e apontamentos muito interessantes!

Sobre as resposta no fórum

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viewtopic.php?f=50&t=57121#p150102

[Woody]

Obrigado pela resposta, Plank!

Suas observações e os dados trazidos com certeza contribuiram para minha visão do mundo quântico e de sua natureza, por mais que ainda seja uma visão um tanto que superficial. Espero continuar construindo esse conhecimento instigante sobre a mecânica quântica, e um dia poder concluir que sei um pouco desse mar de possibilidades e incertezas.

Deixarei o tópico aberto para quaisquer outras respostas. Sintam-se à vontade para novos comentários!