Núcleo atômico

O núcleo atômico é a região central do átomo, onde estão localizados os prótons e os nêutrons. Tal região é muito pequena em comparação ao tamanho do átomo, porém concentra boa parte da sua massa. Dessa forma, pode-se dizer que o núcleo é denso e positivo. O núcleo é mantido coeso por meio da força nuclear forte.

O núcleo atômico possui uma estabilidade que varia ao longo da Tabela Periódica, de modo que átomos mais pesados apresentam mais nêutrons em seus núcleos para compensarem o aumento das forças repulsivas. Mesmo assim, não existem núcleos atômicos estáveis quando há mais do que 83 prótons nele. O núcleo, por conter os prótons, serve para identificar à qual elemento químico o átomo pertence.

Leia também: Átomo — detalhes sobre a unidade básica de construção da matéria

Resumo sobre o núcleo atômico

• O núcleo atômico é a região central do átomo.
• Ele é composto por duas partículas: os prótons, de caráter positivo, e os nêutrons, que não possuem carga elétrica.
• O núcleo é muito pequeno em comparação ao átomo, mas concentra quase toda sua massa.
• O núcleo é mantido coeso por meio da força nuclear forte.
• O núcleo auxilia na identificação do átomo, pois o número de prótons indica à qual elemento químico a espécie atômica pertence.

O que é núcleo atômico?

O núcleo atômico é a região central do átomo, muito pequeno, denso e de carga positiva. Ele foi observado no ano de 1908, a partir de observações experimentais propostas pelo físico neozelandês Ernest Rutherford e realizadas pelos seus alunos Hans Geiger e Ernest Marsden.

Atualmente, sabe-se que o núcleo atômico é composto por duas partículas subatômicas: os prótons, de caráter positivo, e os nêutrons, os quais são eletricamente neutros. 

Composição do núcleo atômico

O núcleo atômico é composto por duas partículas: os prótons, de carga positiva, e os nêutrons, que são eletricamente neutros. Ambos possuem uma massa muito semelhante, sendo o nêutron ligeiramente mais pesado.

Como sendo partículas constituintes do núcleo, os prótons e nêutrons podem ser chamados de núcleons.

Principais características do núcleo atômico

O núcleo é muito pequeno em relação ao átomo. As estimativas apontam que seu diâmetro é na faixa dos 10⁻¹⁴ m, sendo 100 000 vezes menor do que o átomo. Contudo, quase toda massa do átomo está presente no núcleo, visto que prótons e nêutrons possuem uma massa que é cerca de 1836 vezes maior do que a do elétron (9,109 × 10⁻³¹ kg). Assim sendo, a densidade de um núcleo atômico qualquer é de cerca de 2 × 10¹⁷ kg/m³.

Apesar de denso, um núcleo atômico possui forças de atração intensas, as quais superam as forças de repulsão de natureza coulombianas existentes entre prótons (que possuem cargas de mesmo sinal). Núcleons estão em uma distância muito próxima, na faixa de 2 fm (femtômetro, 10⁻¹⁵ metros), e, nesse cenário, há dominância de uma força de atração muito forte, a qual supera as forças repulsivas coulombianas, conhecida como “força nuclear forte” (ou apenas força forte). A força nuclear forte não tem esse nome à toa: é a mais intensa das forças fundamentais da natureza. Dessa forma, o núcleo atômico consegue se manter íntegro.

A força nuclear forte independe da carga elétrica da partícula, ou seja, as forças atrativas próton-próton, nêutron-nêutron ou próton-nêutron são exatamente as mesmas. Contudo, a força forte só é significativa em distâncias muito pequenas. Quando a distância entre as partículas nucleares supera os 3 fm (femtômetro, 10⁻¹⁵ metros), ela já se torna insignificante. Além disso, elétrons não estão suscetíveis às forças fortes, apenas um tipo específico de partículas subatômicas que hoje são conhecidas como hádrons (além dos prótons e dos nêutrons, temos os píons, os káons e os híperons, por exemplo).

Uma outra característica interessante dos núcleos atômicos é que a sua massa total é um pouco menor do que a massa dos seus constituintes somados de maneira isolada. Por exemplo, um núcleo de hélio-4, que é composto por 2 prótons e por 2 nêutrons, possui uma massa atômica igual a 4,0026 u.m.a. Contudo, o somatório das massas atômicas de 2 prótons e de 2 nêutrons é igual a 4,0032 u.m.a. A perda de massa possui relação com uma liberação de energia que ocorre quando os prótons e os nêutrons se ligam para a formação do núcleo. Tal quantidade de massa pode ser, inclusive, determinada pela equação de Einstein (E = m × c²).

Essa energia liberada é chamada de energia de ligação nuclear e possui relação direta com a estabilidade do núcleo. As energias de ligação nuclear são próximas de 10⁸ kJ/mol, o que significa que são cerca de um milhão de vezes maiores do que as energias de ligações químicas (como iônica e covalente). Assim sendo, a energia de ligação nuclear justifica a grande quantidade de energia liberada em processos de fissão nuclear e de fusão nuclear.

A partir da energia de ligação nuclear, é possível estimar que os núcleos são estáveis quando o número de prótons é igual ao número de nêutrons, ou seja, A = 2 × Z (onde A é o número de massa do átomo, o somatório da quantidade de prótons e de nêutrons, enquanto Z é o número atômico, ou seja, numericamente igual ao número de prótons). Isso é verdade para núcleos leves, como por exemplo ⁴He, ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O e ²⁴Mg, por exemplo, mas, em núcleos pesados, a maior quantidade de prótons faz com que as forças repulsivas próton-próton são mais intensas.

Consequentemente, nêutrons extras são necessários para maior estabilidade nuclear em átomos mais pesados. Dessa forma, a estabilidade nuclear para núcleos mais pesados ocorre quando A ≥ 2 × Z, em que é percebido que a razão mais interessante de número de nêutrons pelo número de prótons é na faixa de 1,4. Por isso, percebe-se que a razão ideal nêutron/próton varia de 1,0 até 1,4 conforme os átomos vão se tornando mais pesados. Dos átomos existentes, cerca de 260 núcleos estáveis existem.

Mesmo assim, sabe-se que não existem núcleos estáveis para Z > 83, o que quer dizer que se desintegram (ou decaem) de maneira espontânea, em um fenômeno conhecido como radioatividade. Núcleos instáveis decaem sucessivamente até resultarem em núcleos estáveis. Uma maior quantidade de nêutrons e uma maior repulsão próton-próton permitem um maior afastamento dos núcleons, o que, por sua vez, causa uma queda na intensidade da força nuclear forte (vale lembrar que elas são de curta distância).

Vale ainda dizer que a maioria dos núcleos atômicos estáveis possuem números pares de prótons e de nêutrons. Do lado oposto, uma quantidade muito pequena de núcleos atômicos estáveis possui números ímpares de prótons e de nêutrons.

Por fim, núcleos atômicos podem ser classificados de acordo com o seu número de núcleons.

• Núcleos isótopos: são núcleos atômicos distintos que possuem o mesmo número de prótons, mas diferente número de nêutrons. Exemplo: ²³⁵U e ²³⁸U.
• Núcleos isótonos: são núcleos atômicos distintos que possuem o mesmo número de nêutrons, mas diferente número de prótons. Exemplo: ²³Na e ²⁴Mg.
• Núcleos isóbaros: são núcleos atômicos distintos que possuem o mesmo número de massa (somatório entre prótons e nêutrons), mas diferentes números de prótons e de nêutrons. Exemplo: ¹⁴N e ¹⁴C.

Veja também: O que é raio atômico?

Função do núcleo atômico

O núcleo atômico funciona para identificação da espécie atômica, graças ao parâmetro conhecido como número atômico (Z), o qual foi trazido pelo cientista Henry Moseley. O número atômico é numericamente igual ao número de prótons contido em um núcleo do átomo, e, além disso, não existem elementos diferentes com a mesma quantidade de prótons. O número atômico foi de grande importância para a Tabela Periódica, que não só permitiu a melhor organização e a descoberta de novos elementos, como foi possível demonstrar que as propriedades periódicas possuem relação com o número atômico.

Outro parâmetro importante obtido pelos núcleons é o número de massa, representado pela letra A, cuja expressão é:

A = p + n

Ou

A = Z + n

O número de massa traz uma leitura acerca da massa dos diversos núcleos atômicos em função de suas partículas constituintes.

O núcleo atômico é ainda importante para manter a coesão atômica. Vale lembrar que os elétrons, não localizados no núcleo, mantêm-se na estrutura atômica por conta da força de atração que existe entre eles (que possuem carga negativa) e do núcleo (que possui carga positiva).

Qual é a estrutura do átomo?

Basicamente, o átomo é, atualmente, entendido como sendo uma estrutura composta por duas regiões: o núcleo e a eletrosfera.

No núcleo, que corresponde a 1/100 000 do tamanho do átomo, mas que concentra mais de 99,9% da sua massa, estão localizados os prótons, de caráter positivo, e os nêutrons, que não possuem carga. Já na eletrosfera, estão os elétrons, cuja carga é negativa.

O átomo é eletricamente neutro, assim, a dimensão das cargas positivas é sempre igual à dimensão das cargas negativas.

Confira também: Estrutura atômica — mais detalhes sobre a estrutura básica de um átomo

Exercícios resolvidos sobre núcleo atômico

Questão 1

(Unieva) Considere o seguinte experimento: um feixe de partículas alfa (núcleos de hélio) é disparado contra uma fina folha de ouro. A maioria das partículas alfa atravessa a folha sem desvio, mas algumas sofrem desvios significativos ou são refletidas de volta.

Com base nesse experimento e na teoria atômica atual, qual das seguintes afirmações é verdadeira?

A) Os átomos são maciços e indivisíveis.

B) O núcleo do átomo é pequeno e denso em comparação com o tamanho do átomo.

C) Os elétrons estão uniformemente distribuídos em todo o átomo.

D) Os prótons e os elétrons têm massas iguais.

Resolução:

Alternativa B.

O núcleo atômico corresponde a 1/100 000 do tamanho do átomo, concentrando quase toda sua massa nesse pequeno espaço, uma vez que é composto por prótons e por nêutrons, os quais possuem uma massa semelhante e cerca de 1836 vezes maior do que a do elétron.

Questão 2

(UFRGS) O gráfico abaixo indica o valor da energia de ligação média por núcleon versus o número de núcleons (número de massa), para núcleos atômicos. Por núcleon, entende-se um componente do núcleo atômico, próton ou nêutron. A energia (nas ordenadas) é informada em MeV (10⁶ elétron-volts).

Observando o gráfico, pode-se chegar a conclusões sobre reações nucleares que liberam grande quantidade de energia potencialmente aproveitável, as chamadas fissão e fusão nucleares.

Assinale a alternativa que apresenta uma afirmação correta a respeito dessas reações.

A) A fusão nuclear ocorre pela união de determinados núcleos localizados no final da curva (à direita).

B) A fissão nuclear ocorre pela quebra de determinados núcleos localizados no início da curva (à esquerda).

C) A fusão nuclear ocorre pela quebra de determinados núcleos localizados no final da curva (à direita).

D) A fissão nuclear ocorre pela união de determinados núcleos localizados no início da curva (à esquerda).

E) A fusão nuclear ocorre pela união de determinados núcleos localizados no início da curva (à esquerda).

Resolução:

Alternativa E.

O gráfico mostra que, até o ⁵⁶Fe, a energia de ligação média por núcleon é crescente, decaindo levemente em seguida até os dados apresentados (235U e 238U). Isso quer dizer que os átomos leves são mais propensos à fusão, uma vez que a união desses dois núcleos irá acarretar um núcleo atômico com energia de ligação média por núcleon muito maior. Para átomos mais pesados, entretanto, a fissão é mais provável, já que essa energia de ligação é mais fraca, favorecendo a ruptura nuclear.

Assim, conforme demonstrado pelo gráfico, a fissão ocorre para átomos mais à direita, enquanto a fusão ocorre para átomos mais à esquerda.

Fontes

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

KÓNYA, J.; NAGY, N. M. Basic Concepts. In: Nuclear and Radiochemistry. 2a ed. Cap. 2, p. 11-24, Amsterdã, Holanda: Elsevier, 2018.

NIST STANDART REFERENCE DATABASE. CODATA Internationally recommended 2018 values of the Fundamental Physics Constants. Disponível em: https://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html.

UNIVERSITY OF NORTH IOWA. Structure of Atomic Nuclei. Disponível em: https://faculty.chas.uni.edu/~shand/Mod_Phys_Lecture_Notes/Chap8_Structure_Atomic_Nuclei_Notes_s12.pdf.