1.8: O Universo dos Muito Pequenos

A discussão anterior provavelmente impressionou você de que o universo é extraordinariamente grande e extraordinariamente vazio. Em média, é 10.000 vezes mais vazio do que a nossa galáxia. No entanto, como vimos, até mesmo a galáxia é principalmente um espaço vazio. O ar que respiramos tem cerca de\(10^{19}\) átomos em cada centímetro cúbico — e geralmente pensamos no ar como um espaço vazio. No gás interestelar da galáxia, há cerca de um átomo em cada centímetro cúbico. O espaço intergaláctico é preenchido de forma tão escassa que, para encontrar um átomo, em média, precisamos pesquisar um metro cúbico de espaço. A maior parte do universo está fantasticamente vazia; lugares densos, como o corpo humano, são tremendamente raros.

Até mesmo nossos sólidos mais conhecidos são principalmente espaciais. Se pudéssemos desmontar esse sólido, peça por peça, acabaríamos por alcançar as minúsculas moléculas das quais ele é formado. As moléculas são as menores partículas nas quais qualquer matéria pode ser dividida, mantendo suas propriedades químicas. Uma molécula de água (\(\ce{H2O}\)), por exemplo, consiste em dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio unidos.

As moléculas, por sua vez, são construídas de átomos, que são as menores partículas de um elemento que ainda podem ser identificadas como esse elemento. Por exemplo, um átomo de ouro é a menor peça de ouro possível. Quase 100 tipos diferentes de átomos (elementos) existem na natureza. A maioria deles é rara e apenas alguns representam mais de 99% de tudo com o qual entramos em contato. Os elementos mais abundantes no cosmos hoje estão listados na Tabela\(\PageIndex{1}\); pense nessa tabela como os “maiores sucessos” do universo quando se trata de elementos.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Os elementos cosmicamente abundantes

Elemento	Símbolo	Número de átomos por milhão de átomos de hidrogênio
Hidrogênio	H	1.000.000
Hélio	Ele	80.000
Carbono	C	450
Azoto	N	92
Oxigênio	O	740
Neon	Ne	130
Magnésio	Mg	40
Silício	Si	37
Enxofre	S	19
Ferro	Fe	32
Essa lista de elementos é organizada em ordem do número atômico, que é o número de prótons em cada núcleo.

Todos os átomos consistem em um núcleo central com carga positiva cercado por elétrons carregados negativamente. A maior parte da matéria em cada átomo é encontrada no núcleo, que consiste em prótons positivos e nêutrons eletricamente neutros, todos unidos firmemente em um espaço muito pequeno. Cada elemento é definido pelo número de prótons em seus átomos. Assim, qualquer átomo com 6 prótons em seu núcleo é chamado de carbono, qualquer um com 50 prótons é chamado de estanho e qualquer um com 70 prótons é chamado de itérbio. (Para obter uma lista dos elementos, consulte o Apêndice K.)

A distância de um núcleo atômico até seus elétrons é tipicamente 100.000 vezes o tamanho do próprio núcleo. É por isso que dizemos que mesmo a matéria sólida é principalmente espaço. O átomo típico é muito mais vazio do que o sistema solar até Netuno. (A distância da Terra ao Sol, por exemplo, é de apenas 100 vezes o tamanho do Sol.) Essa é uma das razões pelas quais os átomos não são como sistemas solares em miniatura.

Surpreendentemente, os físicos descobriram que tudo o que acontece no universo, do menor núcleo atômico aos maiores superaglomerados de galáxias, pode ser explicado pela ação de apenas quatro forças: gravidade, eletromagnetismo (que combina as ações de eletricidade e magnetismo) e duas forças que atuam no nível nuclear. O fato de existirem quatro forças (e não um milhão, ou apenas uma) intrigou físicos e astrônomos por muitos anos e levou à busca por uma imagem unificada da natureza.

Simulação Phet: Construindo um átomo

Para construir um átomo, partícula por partícula, confira esta animação guiada para construir um átomo.