Prótons no núcleo do átomo – Por que eles não sofrem repulsão?

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Desde o final do Ensino Fundamental, ainda nas aulas de Ciências, os jovens alunos aprendem a subdivisão básica do átomo. A maioria deles decorou bem que o “átomo pode ser subdividido em : prótons, elétrons e nêutrons”, e que os “prótons e os nêutrons ficam no núcleo, e os elétrons na eletrosfera”. Também aprendem que os prótons possuem carga positiva, os elétrons carga negativa, e os nêutrons não possuem carga. Até ai está tudo certo, e de fato, esta é a estrutura básica, tanto do modelo atômico de Bohr, quanto do modelo atômico Quântico, sendo a única diferença na interpretação de como é a eletrosfera.

Quando o aluno chega no Ensino Médio, ele tem a oportunidade de rever esse conceito de uma maneira mais aprofundada, como por exemplo, aprende o conceito de níveis de energia e distribuição eletrônica. Mas existem algumas indagações sobre a estrutura do átomo que normalmente são simplesmente passadas por cima. Na verdade existem várias, mais algumas são um tanto quanto básicas. Por exemplo, todos nós sabemos que cargas de sinais opostos se atraem, enquanto cargas de sinais iguais se repelem (por que mesmo?). Com base nisto compreendemos que os elétrons estão sendo constantemente atraídos pelo núcleo, devido a essa atração eletrostática. Vale ressaltar que a interação eletrostática, principalmente em curtas distâncias, é bem forte. Para termos uma ideia disso, os livros didáticos sempre colocam uma comparação macroscópica para a distância núcleo-elétron do átomo de hidrogênio segundo o modelo de Bohr.

Caso o núcleo fosse do tamanho de uma moeda, e esta fosse colocada no centro de um estádio de futebol,  o elétron estaria circulando na arquibancada. E mesmo numa distância dessas proporções o núcleo é capaz de atrair fortemente esse elétron.

Como os prótons e os elétrons possuem exatamente o mesmo valor para sua carga (1,60 x 10-19 C, a carga elementar), a mesma intensidade da atração eletrostática, deveria ser a mesma da repulsão eletrostática. E, como a carga é a mesma, o fator que determina a intensidade da atração/repulsão é a distância entre os pontos de carga. Coerente isto? Acho que sim.  Então … partindo desse pressuposto como verdadeiro, vamos filosofar …

Vamos voltar então a comparação macroscópica dos livros didáticos. Se um próton do tamanho de uma moeda tem a capacidade de atrair um elétrons lá na arquibancada, o que aconteceria se colocássemos uma outra moeda-próton ao lado da que está no centro do campo? O que deveria acontecer? Repulsão, e repulsão das grandes! Para termos uma ideia, se um próton tem força suficiente para atrair um elétron da “arquibancada”, ele vai ter força suficiente para repelir o próton vizinho até, pelo menos, a “arquibancada”. Mas não observamos isso … na verdade conhecemos um núcleo denso, e coeso, cheio de prótons, um do ladinho do outro. Como isso é possível? A carga positiva do próton não repele a do outro próton? Não, obviamente não é isso. Mas por que não vemos essa repulsão então?

Quando isso é indagado pelo aluno, normalmente tem-se a resposta-padrão – “É para isso que servem os nêutrons!”

Isso significa que os nêutrons são capazes de reduzir, ou mesmo eliminar a repulsão eletrostática. Agora sejamos coerentes. A força eletrostática é tão forte que, apesar da distância, os elétrons sofrem atração do núcleo, como a mera presença do nêutron vai distanciar um próton do outro a fim de eliminar a repulsão? Isso é impossível! Imagine um núcleo de hélio, com dois prótons e dois nêutrons. Se imaginarmos cada um deles com uma “bolinha”, sempre um próton estará ao lado do outro próton, e não será a distância aumentada pelo nêutron que vai impedir a repulsão! Não sei para vocês, mas eu nunca aceitei muito bem essa conversa do nêutron. Então, porque o núcleo mantém sua coesão e estabilidade? A resposta está na física, mais especificamente na física moderna.

Que um próton repele o próton vizinho via repulsão eletrostática é um fato (ou então o eletromagnetismo está “furado”). A única forma de impedir a fragmentação do núcleo é a existência de uma outra força, mais intensa que a repulsão eletrostática, que seja capaz de manter um próton ligado ao outro. Mas isso existe? Sim, e é uma das forças fundamentais da natureza, ao lado da força eletromagnética, da força gravitacional, e da Força Fraca. Estou falando da Força Nuclear Forte, ou simplesmente Força Forte (nome sugestivo não?).

Para termos uma ideia, a Força Forte é 100 vezes mais intensa que a força eletromagnética, e ela é a responsável por manter os prótons e os nêutrons coesos para formar o núcleo. Sabiam disso? Bom … poucos sabem, afinal, o átomo de Bohr, que nasceu em 1913, já existia antes dessa força ser postulada (apenas na década de 30). Mas é um argumento bem mais sólido que o “milagroso” papel dos nêutrons. Como ela funciona?

A compreensão dessa força fundamental só melhorou um pouco na década de 70, com o desenvolvimento de uma nova área da física chamada de Cromodinâmica Quântica. É óbvio que não vamos entrar em detalhes, e que vamos buscar apenas a informação necessária para explicar a coesão nuclear. Sob a óptica da Cromodinâmica Quântica os prótons e os nêutrons não são partículas fundamentais. Isto significa que eles podem ser subdivididos! É … o átomo definitivamente não faz jus ao significado de seu nome (indivisível). Os prótons e os nêutrons, são formados por partículas menores ainda, chamadas de quarks. Cada próton/nêutron é formado por três quarks. O quark tem carga fracionária, de forma que a combinação de quarks para o nêutron tem a carga anulada, enquanto os quarks do próton apresentam carga resultante.

Cada trinca de quarks interage entre si através da Força Nuclear Forte, e esta força é mediada entre os quarks através de outras partículas chamadas glúons. A transmissão dos glúons entre os quarks mantém a estabilidade do próton/nêutron. Este efeito é a Força Nuclear Forte. Tudo bem … mas e a estabilidade no núcleo? Bom … a Força Nuclear Forte é bem forte, como já vimos, mas seu alcance é curto. Ela existe dentro do próton/nêutron (que também são conhecidos como hádrons). Porém, um resquício dessa força, vai além do diâmetro do próton/nêutron . De forma que esse resquício, interage com o resquício emitido pelo próton/nêutron vizinho. E assim todos eles interagem atrativamente entre si, através da Força Nuclear Forte, que supera a repulsão eletrostática. Pode-se dizer que a estabilidade próton-próton é um efeito secundário da atração quark-quark. Essa força também explica porque o nêutrons estão ligados um com o outro, apesar de não apresentarem carga elétrica, afinal eles também estão submetidos aos efeitos da Força Nuclear Forte. Legal não é?

Poderíamos terminar todo o ensino médio sem essa informação e “mesmo assim sermos felizes”, mas é muito bom sabermos das coias, como elas de fato são. Eu considero essa explicação muito interessante, mas infelizmente ela é simplesmente passada por alto. Também acho um excelente ponto em comum da química com a física, e poderia ser usado para despertar no aluno a importância da interdisciplinaridade. Outro ponto interessante eu indaguei no começo do post. Sabemos que cargas de sinais opostos se atraem, e de sinais iguais se repelem. Mas e ai? É só isso, é por que é? Não existe nenhuma modelo que explique isso? Continuem acompanhando o blog que em breve escreverei sobre isso aqui na Seção Filosofando a Química. 

E vocês? Concordam comigo? Gostaram do segundo post do Filosofando a Química (ou nesse caso seria Filosofando a Física? rsrsrsr). Então se gostaram deixem seu comentário, sua sugestões, e compartilhem para tentarmos chegar ao maior número possível de interessados pela química.

Fonte principal:

Jearl Walker, et al. Fundamentos da Física Óptica e Física Moderna, 2012.LTC.

  • Yasmin Riscado

    muito interessante sua explicação, vim em busca solucionar uma outra duvida, mas adquiri muito conhecimento nesse post, mas minha dúvida continua sendo: Se foi estabelecido que o núcleo possui cargas positivas, e também as cargas positivas sofrem atração pelas negativas através da força eletrostática, então qual é o motivo do eletrón orbitar no núcleo, ao invés de ser atraído pelo mesmo?

  • Matheus Ferreira

    Parabéns meu amigo, de uns tempos pra cá venho me interessando um pouco sobre Astronomia, e me deparei q para compreender Astronomia preciso entender melhor a Física, Química e Matemática. E nessas minhas duvidas precisei de uma explicação bem rigorosa sobre átomos. Nossa seu texto foi absolutamente proveitoso. Muito obrigado pela oportunidade de aprender tanto em um único artigo. Rs. Parabéns excelente explicação. Texto Fantástico.
    Ass: Matheus Ferreira

  • Raul Silva

    Qual a origem dessa força forte? Posso formar um núcleo de eletrons e neutrons da mesma forma?A força forte vem da troca de glúons entre os quarks?

  • Fernanda T.

    Adorei a explicação, bastante esclarecedora! Estava com dúvida sobre esse assunto e perguntei isso ao meu prof. de Física, mas ele falou sobre uma partícula chamada Méson Pi, ela tb tem a ver com a força nuclear forte?? Obg

  • fernanda

    Se é a força forte que controla a repulsão (ou não repulsão ), para que servem os neutrons?

    • Antonio Florencio

      Os nêutrons também são constituídos de quarks, e a mesma força forte que atrai os prótons entre si, atrai os nêutrons entre si, e atrai os nêutrons aos prótons. Eles permitem mais interações fortes, sem repulsão eletrostática. Mas isso não tem nada a ver com o conceito popular que os nêutrons impedem a repulsão servindo de “escudo” entre as cargas positivas.

      • fernanda

        Então os neutrons servem pra contribuir para a quantidade de força forte e evitar a repulsão?

  • thepenguinsoficial

    Gostei muito da sua explicação mas algo ainda me causa duvida, se um proton repele outro proton, como chegariam perto o suficiente para formar um nucleo? Pois é so depois de muito proximos que existe a força forte, não é?

  • Amanda

    Uauu professor!! Muito bom!! Estava justamente com esse tipo de dúvida, querendo saber o porquê lógico e correto dessas coisas que aprendermos muitas vezes de forma superficial. E antes mesmo de terminar a leitura já estava pensando “e por que as cargas iguais repelem e as contrárias se atraem?” Disso todo mundo sabe, o diferencial é saber o porquê. Obrigada!!!

  • Rick

    Adorei, sua abordagem é muito boa, faz jus ao nome “Filosofando a química”, perfeito,

  • Katy

    Muito interessante.. teu blog é ótimo, tuas explicações são muito boas. Nunca tinha ouvido falar da Força Forte, e achei interessantíssima. Mas você comentou também sobre a Força Fraca… comentar e não explicar é tortura pra uma curiosa, sabia? Kk será que não poderia explicar a Força Fraca em um post futuro, também? Vlw!