Os átomos são 99% feitos de espaço vazio?

Aprofundando em uma das questões mais populares da física: os átomos são realmente espaço vazio?
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Modelo atômico de Bohr
O modelo atômico de Bohr para o átomo de nitrogênio.

O equívoco do “átomo vazio” é ensinado incorretamente por livros de ciências de nível elementar, sendo baseado na falsa imagem dos elétrons como bolas. Nesta visão, o átomo se consiste em bolas de elétrons girando em torno do núcleo atômico que, por sua vez, é composto por várias outras bolas unidas — os prótons e nêutrons. Nesta imagem, o espaço entre os elétrons e o núcleo é, portanto, um espaço vazio. Embora esta imagem (o modelo de Bohr) seja simples de imaginar e ser ensinada, mostrou-se errada há quase um século.

Durante a maior parte do século passado, reconhecemos que esses modelos (o modelo de Rutherford e, posteriormente, de Bohr) são parecidos demais com partículas pontuais para descrever o que realmente está ocorrendo no mundo quântico. Os elétrons ocupam níveis de energia discretos, mas isso não se traduz em órbitas semelhantes a planetas. Em vez disso, os elétrons de um átomo se comportam mais como uma nuvem: uma névoa difusa que se espalha por um determinado volume de espaço.

A natureza ondulatória da matéria

Quando você vê ilustrações modernas dos orbitais atômicos, elas basicamente mostram a forma de onda dos elétrons individuais.

Orbitais atômicos
Cada orbital s (laranja), cada um dos orbitais p (azul), os orbitais d (amarelo) e os orbitais f (roxo) podem conter apenas dois elétrons cada: um spin up e um spin down em cada um.

NOTA: Veja mais sobre spins e orbitais atômicos na matéria sobre matéria degenerada.

É verdade que uma grande porcentagem da massa do átomo está concentrada em seu minúsculo núcleo, mas isso não significa que o resto do átomo esteja vazio. Em vez disso, implica que o resto do átomo tem densidade relativamente baixa.

Se você enviasse um fóton ou partícula de alta energia para lá para interagir com um elétron, com certeza poderia definir sua posição com precisão. Mas é aqui que a mecânica quântica engana a maioria de nós: o ato de enviar aquela partícula de alta energia para lá muda de maneira fundamental o que está acontecendo dentro do próprio átomo. Isso faz com que o elétron passe a se comportar como uma partícula (pelo menos no momento dessa interação) em vez de como uma onda.

Mas até que tal interação ocorra, o elétron tem agido como uma onda o tempo todo. Quando você tem um átomo isolado em temperatura ambiente, ou uma cadeia de átomos ligados em uma molécula, ou mesmo em um corpo humano inteiro, eles não estão agindo como partículas individuais com pontos bem definidos, em vez disso, eles estão agindo como ondas, e o elétron está realmente localizado em todo esse volume de ~1 angstrom, em vez de em um local específico semelhante a um ponto.

A “nuvem de elétrons”

A melhor maneira de pensar sobre um elétron é como uma “névoa”, ou uma “nuvem”, espalhada por todo o espaço ao redor de um núcleo atômico. Quando dois ou mais átomos estão unidos em uma molécula, suas nuvens de elétrons se sobrepõem e a extensão do elétron no espaço fica ainda mais difusa. Quando você pressiona sua mão contra outra superfície, as forças eletromagnéticas dos elétrons nessa superfície empurram os elétrons em suas mãos, fazendo com que as nuvens de elétrons se distorçam e se deformem.

Estrela de nêutrons
Uma estrela de nêutrons é formada através da captura de elétrons, transformando prótons em nêutrons e causando o colapso da estrela.

Além disso, curiosamente, os elétrons no átomo se espalham para se sobrepor ao próprio núcleo. Essa sobreposição elétron-núcleo possibilita o efeito de captura eletrônica, onde um próton no núcleo pode reagir com um elétron e se transformar em um nêutron — fenômeno já conhecido como uma das etapas avançadas da evolução estelar e uma das razões de existência das supernovas tipo II.

Isso é contraintuitivo, claro, porque estamos muito acostumados a pensar nos constituintes fundamentais da matéria em termos de partículas. Mas é melhor pensar neles como quanta: comportando-se como partículas em condições de alta energia, mas se comportando como ondas em condições de baixa energia. Quando lidamos com átomos em condições terrestres normais, eles são como ondas, com quanta individuais ocupando grandes volumes de espaço por conta própria.

Por fim: átomos são espaços vazios?

Átomo de hidrogênio
O átomo de hidrogênio. Imagem: STODOLNA et al., 2013.

Os átomos não são espaços vazios simplesmente porque não existe espaço puramente vazio. Em vez disso, o espaço é preenchido com uma grande variedade de partículas e campos, como os fótons virtuais portadores da força eletromagnética. Eliminar todas as partículas e campos de um certo espaço não tornará o espaço completamente vazio porque novas partículas ainda surgirão devido à energia do vácuo. Além disso, o campo de Higgs não pode ser eliminado. Mesmo se ignorarmos todo tipo de campo e partícula, exceto elétrons, prótons e nêutrons, descobriremos que os átomos ainda não estão vazios.

Dentro do seu corpo, você não é um espaço vazio. Você é, sobretudo, uma série de nuvens de elétrons, todas unidas pelas leis da mecânica quântica que governam todo o Universo.

Referências

  • EISBERG, R., RESNICK, R. Física Quântica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Rio de Janeiro, Elsevier: 1979.
  • STODOLNA, A. S., et al. Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States. Physical Review Letters, v. 110, n. 21, 2013. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.213001.

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HOSTI, B. P. Os átomos são 99% feitos de espaço vazio?. Espaço-Tempo, 2023. Disponível em: https://www.espacotempo.com.br/os-atomos-sao-99-feitos-de-espaco-vazio. Acesso em: 23 jul. 2024.

Brunno Pleffken Hosti

Professor. Graduado em Física pela Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR). Extensão em Astrofísica pelo IAG/USP e pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Pesquisador nas áreas de astrofísica observacional e espectroscopia.

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