ESTRUTURAS FUNDAMENTAISBiofísica

Prof. Carlos Frederico Rodrigues.

Estrutura atômica• No século XIX, os cientistas aceitavam a idéia de que os

elementos químicos eram formados de átomos. No entanto, além do conhecimento de que o átomo era uma unidade extremamente pequena de matéria, quase nada se sabia sobre sua natureza.

• A descoberta do elétron e a concepção de que todos os átomos contêm elétrons constituíram o primeiro passo importante para se entender a estrutura atômica. Os elétrons possuem carga elétrica negativa, enquanto que os próprios átomos são eletricamente neutros. Portanto, cada átomo deve possuir matéria carregada positivamente para contrabalançar a carga negativa de seus elétrons.

Estrutura atômica• Rutherford concebeu um modelo no qual o átomo era

constituído por um núcleo minúsculo, positivamente carregado e rodeado pelos elétrons que giram em seu redor, semelhante ao sistema planetário, que tem o sol como núcleo.

• A carga do núcleo deve ser positiva e igual à soma da carga negativa dos elétrons constituintes do átomo, uma vez que o átomo como um todo é neutro.

• Bohr observou que existia uma falha no modelo de Rutherford, pois era esperado pela teoria eletromagnética que um elétron numa trajetória circular, e portanto acelerado, ao redor do núcleo, emita radiação eletromagnética. Conseqüentemente, o movimento orbital de um elétron seria instável, porque à medida que fosse perdendo energia deveria espiralar até cair no núcleo. E não é isso que ocorre na realidade e portanto, a teoria eletromagnética não se aplicava nesse caso.

Estrutura atômica

• Na descrição do mundo submicroscópico se fez necessário desenvolver uma nova teoria, denominada de quântica, para poder-se explicar os fenômenos observados. Essa teoria será usada para explicar o átomo de Bohr.

• O primeiro conceito quântico de Bohr afirma que um elétron pode girar em torno de seu núcleo indefinidamente, sem irradiar energia. Essa órbita é chamada de órbita estacionária.

• Quando o elétron se encontra no estado mais baixo de energia é dito que o átomo está no seu estado fundamental.

Estrutura atômica• Quando o elétron se encontra em estados superiores, diz-se

que o átomo está no estado excitado.

• Quando o átomo se encontra no estado fundamental, é necessário uma quantidade de energia para separá-lodo átomo. Essa energia é chamada energia de ionização do átomo de hidrogênio.

• O segundo conceito quântico de Bohr afirma: radiação eletromagnética é emitida ou absorvida quando o elétron faz uma transição de uma órbita estacionária a outra. Por outro lado, enquanto a órbita do elétron permanecer a mesma, o átomo não perderá nem ganhará energia. Portanto, quando um elétron passa de um nível de energia para outro, a energia perdida ou ganha é emitida ou absorvida sob forma de um único fóton de freqüência f.

A estrutura do núcleo• O núcleo do átomo é constituído de partículas

denominadas hádrons, cujos mais familiares são os prótons e nêutrons e serão as únicas tratadas aqui.

• Qual a força que mantém os prótons juntos no interior do núcleo? A força que os mantém é denominada de força nuclear ou interação forte, e é aproximadamente cem vezes mais forte que a força eletrostática que os repele.

• Cada elemento químico tem um número específico de prótons no núcleo, porém, o número de nêutrons pode variar para cada elemento. Os núcleos de um dado elemento com número diferente de nêutrons são chamados isótopos do elemento. Estes podem ser instáveis ou estáveis.

Estrutura do núcleo

• Os núcleos dos isótopos instáveis estão em níveis energéticos excitados e podem dar origem à emissão espontânea de uma “partícula” , passando desse núcleo em estado excitado para outro, em nível energético menos excitado ou fundamental.

• A esse fenômeno dá-se o nome de desintegração ou decaimento nuclear (ou radioativo). Os isótopos instáveis são portanto radioativos, e conhecidos como radioisótopos.

Decaímento radioativo.

• Uma fonte radioativa contém muitos átomos e não há modo de dizer quando um dado núcleo irá se desintegrar.

• Em média, pode-se predizer que após um dado intervalo de tempo, chamado meia-vida ( T1/2 ), metade dos núcleos ( ou dos átomos) terão se desintegrado. Na próxima meia-vida, metade dos átomos remanescente irá sofrer desintegração e assim sucessivamente.

• Cada radioisótopo tem uma meia vida característica que pode variar de segundos a muitos milhões de anos.

Estrutura da matéria. • Átomos podem em condições adequadas de energia se unir para formar as

moléculas. Essas moléculas têm características próprias e diferentes dos átomos que as constituem.

• Os átomos podem se ligar para formar moléculas através de vários tipos de ligações. São elas iônicas, covalentes , pontes de hidrogênio, por forças de Van der Waals e hidrofóbicas.

• Um exemplo de iônica é a formação da molécula de cloreto de potássio KCl.

• Uma ligação covalente é caracterizada pelo compartilhamento de elétrons por dois átomos. Um exemplo, é a formação de uma molécula de Cl2 a partir de dois átomos de cloro.

• Nas pontes de hidrogênio um átomo de hidrogênio é compartilhado por dois átomos .

• Quando dois átomos se encontram muito próximos podem interagir, por ligações fracas, devido às suas cargas elétricas flutuantes (a carga líquida do átomo é nula). A força que realiza esta interação é denominada força de Van der Waals.

Estados físicos da matéria. • Uma coleção de moléculas pode existir tanto no estado

sólido, como no líquido ou gasoso, dependendo da grandeza das interações intermoleculares e da energia cinética média por molécula ou seja da temperatura.

• A uma temperatura mais alta (ponto de ebulição), a maioria das moléculas tem energia suficiente para livrar-se completamente das forças intermoleculares, caracterizando o estado gasoso.

• Mesmo a temperaturas abaixo do ponto de ebulição as moléculas perto da superfície do líquido ocasionalmente armazenam energia acima da energia cinética média e escapam da superfície. Este processo, chama-se de evaporação.