Atualização: Este artigo foi atualizado em 11 de setembro de 2017 por Rachel Ross, Contribuinte da Live Science.
Magine plopping an atom down on a scale. Enquanto você faz isso, células da pele que são trilhões de átomos espessos descamamam da sua mão e tremem ao redor dela, enterrando-a em uma pilha de doppelgangers atômicos. Entretanto, a humidade e as partículas atmosféricas disparam, saltando para dentro e para fora da escala e enviando a sua agulha sensível ao átomo chicoteando para trás e para a frente como um limpa pára-brisas. E já agora, como conseguiu isolar um único átomo em primeiro lugar?
Um momento de reflexão mostra que não se pode pesar um átomo numa balança tradicional.
Em vez disso, há mais de um século que os físicos utilizam um instrumento chamado espectrómetro de massa. Inventado em 1912 pelo físico J.J. Thomson e melhorado incrementalmente, ele funciona assim: Primeiro, os físicos “ionizam” um gás de átomos disparando um feixe de partículas no gás, o que ou adiciona elétrons aos átomos nele contidos ou elimina alguns de seus elétrons, dependendo do tipo de feixe de partículas utilizado. Isto dá aos átomos – agora conhecidos como “iões” – uma carga eléctrica líquida negativa ou positiva.
Próximo, os iões são enviados através de um tubo no qual são sujeitos a campos eléctricos e magnéticos. Ambos os campos exercem uma força sobre os iões, e as forças das duas forças são proporcionais à carga dos iões (os átomos neutros não sentem as forças). A força elétrica faz com que os íons mudem de velocidade, enquanto a força magnética curva seu caminho.
Os íons são então coletados por “copos de Faraday” na extremidade do tubo, gerando uma corrente nos fios ligados aos copos. Ao medir onde e quando o fluxo de íons atinge as taças de Faraday, os físicos podem determinar o quanto eles devem ter acelerado, e em que direção, como resultado das forças elétricas e magnéticas. Finalmente, através da segunda lei de Newton, F=ma, rearranjada como m=F/a, os físicos dividem a força total que actua sobre os iões pela aceleração resultante para determinar a massa dos iões.
A massa do electrão também foi determinada utilizando um espectrómetro de massa – nesse caso, os electrões foram simplesmente enviados através do próprio instrumento. Essa medida permite aos físicos determinar a massa de um átomo quando este 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 seja 1,660538921(73) × 10-27 kg, onde os dígitos parentéticos não são conhecidos com total certeza. Isso é suficientemente preciso para a maioria dos fins.
Boas vibrações
Outra forma de se encontrar a massa de um átomo é medindo sua freqüência de vibração e resolvendo ao contrário, 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 poucas maneiras, incluindo a interferometria atômica, na qual ondas atômicas são coerentemente divididas e posteriormente recombinadas, de acordo com Alex Cronin, professor associado do departamento de física da Universidade do Arizona; e pentes de freqüência, que usam a espectrometria para medir as 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 e v é a frequência). A energia pode então ser usada com a famosa equação de Einstein, E = mc2, para resolver para a massa do átomo quando ela é rearranjada para m = E/c2.
Uma terceira maneira de medir a massa de um átomo é descrita num artigo de 2012 publicado em Nature Nanotechnology por J. Chaste, et al. Este método envolve o uso de nanotubos de carbono a baixas temperaturas e em vácuo e medir como a frequência de vibração muda dependendo da massa das partículas a eles ligadas. Esta escala pode medir massas 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 trincheira. O nanotubo foi depenado como uma corda de guitarra, e isto produziu uma frequência de vibração natural que foi depois comparada com os padrões de vibração quando o nanotubo entrou em contacto com outras partículas. A quantidade de massa que está sobre o nanotubo irá alterar a frequência que é produzida.
Ye olde mass
E antes dos dias dos espectrômetros de massa, quando os químicos estavam confusos sobre o que era mesmo um átomo? Então, eles mediam principalmente os pesos dos átomos que compunham vários elementos em termos de suas massas relativas, ao invés 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, independentemente do gás que era. Este fato útil permitiu aos químicos comparar os pesos relativos de volumes iguais de diferentes gases para determinar as massas relativas dos átomos que os compõem.
mediram 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 XIX, os químicos usaram outros meios para aproximar o número de átomos em um determinado volume de gás – aquela famosa constante conhecida como número Avogadro – começaram a produzir estimativas aproximadas da massa de um único átomo, pesando o volume do gás inteiro e dividindo pelo número.
A diferença entre peso atômico, massa e número
Muitas pessoas usam os termos peso e massa de forma intercambiável, e mesmo a maioria das balanças oferece opções em unidades como libras e quilos. E embora massa e peso estejam relacionados, eles não são a mesma coisa. Ao discutir os átomos, muitas pessoas usam o peso atômico e a massa atômica de forma intercambiável, embora também não sejam a mesma coisa.
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 prótons e nêutrons que sua massa é insignificante. O átomo de carbono-12, que ainda hoje é usado como padrão, contém seis prótons e seis nêutrons para uma massa atômica de doze amu. Isótopos diferentes do mesmo elemento (mesmo elemento com quantidades diferentes de nêutrons) não têm a mesma massa atômica. Carbono-13 tem uma massa atômica de 13 amu.
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 relação das massas atômicas dos isótopos naturais de um elemento em relação ao de um duodécimo da massa de carbono-12. Para elementos como berílio ou flúor que têm apenas um isótopo natural, a massa atómica é igual ao peso atómico.
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 para ser cerca de 12,01. O peso atómico é muito semelhante à massa de carbono-12 devido ao facto da maioria do carbono na natureza ser feita do isótopo carbono-12.
O peso atómico de qualquer átomo pode ser encontrado multiplicando a abundância de um isótopo de um elemento pela massa atómica do elemento e depois somando os resultados. Esta equação pode ser usada com elementos com dois ou mais isótopos:
- Carbon-12: 0,9889 x 12,0000 = 11,8668
- Carbon-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 discute medidas relacionadas aos átomos: número atômico. O número atómico é definido pelo número de prótons de 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 tem sempre um número atómico de 6 e o urânio tem sempre um número atómico de 92.
Relato adicional de Rachel Ross, Contribuinte da Ciência Viva.