Sala Feynman
Feynman Lectures on Physics

A matéria é composta de átomos

Se, em algum cataclismo, todo o conhecimento científico fosse destruído e apenas uma sentença fosse passada adiante para as próximas gerações de criaturas, que enunciado conteria mais informações em menos palavras?
Acredito que seja a hipótese atômica (ou o fato atômico, ou como quiser chamá-lo) de que
"todas as coisas compõem-se de átomos --- pequenas partículas que se deslocam em movimento perpétuo, atraindo umas às outras quando estão a uma certa distância, mas repelindo-se quando comprimidas umas contra as outras".
Nessa única sentença, você verá, existe uma enorme quantidade de informação sobre o mundo, bastando que apliquemos um pouco de imaginação e raciocínio.

Para ilustrar o poder da idéia atômica, suponhamos que temos uma gota de água com 0,6 mm de lado a lado. Se a olharmos de perto, veremos apenas água; água homogênea, contínua. Mesmo que a ampliemos com o melhor microscópio ótico disponível--- quase duas mil vezes ---, a gota d'água terá cerca de 12 m  transversalmente, quase tão grande como uma sala, e se olhássemos bem de perto, ainda veríamos água relativamente homogênea --- mas aqui e ali pequenas criaturas em forma de bolas de futebol americano nadando para lá e para cá. Muito interessantes. São paramécios.
Nesse ponto, você poderá ficar tão curioso com os paramécios, com seus cílios serpeantes e corpos retorcidos, que nem prosseguirá, exceto talvez para ampliar ainda mais o paramécio e olhá-lo por dentro. Este é um objeto para a biologia, mas no momento vamos em frente e examinemos ainda mais detidamente o próprio material aquático, ampliando-o outras duas mil vezes.
Agora, a gota d'água se estende cerca de 24 km  transversalmente e, vista bem de perto, revela uma espécie de aglomerado, algo que já não tem uma aparência homogênea --- um pouco semelhante a uma multidão em um jogo de futebol vista a uma grande distância. Para ver em que consiste essa aglomeração, ampliaremos a gota outras 250 vezes e veremos algo semelhante ao que mostra a Fig. 1. 

É um retrato da gota ampliada um bilhão de vezes, mas idealizada de várias formas. Em primeiro lugar, a partículas estão desenhadas de maneira simples com contornos um tanto nítidos, o que é inexato. Segundo, para fins de simplicidade, estão esboçadas quase esquematicamente em uma disposição bidimensional, embora se movam em três dimensões. Observe que há dois tipos de "bolhas" ou círculos para representar os átomos de oxigênio (pretos) e hidrogênio (brancos), e que cada oxigênio possui dois hidrogênios ligados a ele. (Cada pequeno grupo de um oxigênio com seus dois hidrogênios denomina-se uma molécula.) O quadro é ainda mais idealizado pelo fato de que as partículas reais na natureza estão continuamente zigue-zagueando e saltando, girando e serpenteando ao redor umas das outras. Você terá de imaginá-lo como um quadro dinâmico, e não estático. Outra coisa que não pode ser ilustrada em um desenho é o fato de que as partículas estão "agarradas umas às outras" --- de que se atraem mutuamente, esta é atraída por aquela etc. O grupo todo está "colado", por assim dizer. Por outro lado, as partículas não se comprimem entre si. Se você tentar comprimir duas delas perto demais, elas se repelirão.

Os átomos tem 1 ou  2 x 10^-8cm de raio. Ora, 10^-8cm denomina-se um angströn (apenas mais um nome), de modo que dizemos que têm 1 ou 2 angströns (Å) de raio. Outra forma de lembrar seu tamanho é esta: se uma maçã for ampliada até o tamanho da Terra, os átomos da maçã terão aproximadamente o tamanho da maçã original.

Agora imagine essa grande gota d'água com todas essas partículas zigue-zagueantes agarradas e seguindo de perto umas às outras. A água mantém seu volume; ela não se desintegra, devido à atração das moléculas entre si. Se a gota estiver em declive, onde pode se mover de um lugar para outro, a água fluirá, mas não desaparecerá --- as coisas não se desfazem simplesmente --- devido à atração molecular, as forças de coesão.
Ora, o movimento zigue-zagueante é o que representamos como calor; quando aumentamos a temperatura, aumentamos o movimento. Se aquecermos a água, o zigue-zague aumentará e o volume entre os átomos aumentará, e, se o aquecimento prosseguir, chegará um momento em que a atração entre as moléculas não será suficiente para mantê-las coesas e elas se afastarão e ficarão separadas umas das outras. Claro está que é assim que produzimos vapor a partir da água --- aumentando a temperatura; as partículas se afastam devido ao aumento do movimento. Na Fig. 2 , temos um quadro do vapor.

Este quadro do vapor tem uma falha: à pressão atmosférica normal, haveria apenas poucas moléculas em um quadro inteiro e, certamente, não chegaria a haver três nesta figura. A maioria dos quadrados deste tamanho não conteria nenhuma --- mas acidentalmente temos duas e meia ou três neste quadro (melhor do que em um quadro totalmente branco). No caso do vapor, vemos as moléculas características mais claramente do que no caso da água. Para fins de simplicidade, as moléculas estão desenhadas de modo que haja um ângulo de 120^o entre o oxigênio e os hidrogênios. Na verdade, o ângulo é de 105^o 3' , e a distância entre o centro de um hidrogênio e o centro do oxigênio é de 0,957 Å, de modo que conhecemos esta molécula muito bem.

Vejamos algumas das propriedades do vapor ou de qualquer outro gás. As moléculas, estando separadas entre si, saltarão contra as paredes. Imagine um quarto com um número de bolas de tênis (umas cem) saltando para lá e para cá em movimento perpétuo. Ao bombardearem a parede, esta é empurrada. (É claro que teríamos que empurrar a parede de volta ao lugar.) Isto significa que o gás aplica uma 'força nervosa' que nossos sentidos grosseiros (já que não fomos ampliados um bilhão de vezes) sentem apenas um empurão comum. Para confinar um gás, temos de aplicar uma pressão. A Fig. 3  mostra um recipiente convencional para conter gases, um cilindro com um pistão.

Não faz nenhuma diferença quais são os formatos das moléculas de água; para fins de simplicidade, as desenharemos como bolas de tênis ou pontinhos. Essas coisas estão em perpétuo movimento em todas as direções. Tantas delas atingem o pistão de cima o tempo todo que, para evitar que seja pouco a pouco arrancado do cilindro por essas constantes pancadas, teremos de segurar o pistão com certa força, o que definimos como sendo a pressão (na verdade, a pressão vezes a área é a intensidade da força). Claramente, a intensidade da força é proporcional à área, pois, se aumentarmos a área mas mantivermos o mesmo número de moléculas por centímetro cúbico, aumentaremos o número de colisões com o pistão na mesma proporção do aumento da área.

Agora ponhamos o dobro de moléculas no tanque para dobrar a densidade, e deixemos que tenham a mesma velocidade, ou seja, a mesma temperatura. Então, com uma grande aproximação, o número de colisões terá dobrado e, como cada uma será tão "vigorosa" como antes, a pressão será proporcional a densidade. Se considerarmos a verdadeira natureza da força entre os átomos, seria de esperar uma ligeira diminuição na pressão devido à atração entre os átomos e um ligeiro aumento devido ao volume finito que ocupam. Não obstante, com uma excelente aproximação, se a densidade for suficientemente baixa para que não haja muitos átomos, a pressão será proporcional à densidade.

Podemos ver também outra coisa. Se aumentarmos a temperatura sem alterar a densidade do gás, ou seja, se aumentarmos a velocidade dos átomos, o que acontecerá com a pressão? Bem, os átomos colidirão com mais força por estarem se movendo com mais rapidez e, além disso, colidirão com mais freqüência, de modo que a pressão aumentará. Veja como são simples as idéias da teoria atômica.

Consideremos outra situação. Suponhamos que o pistão se mova para dentro, de modo que os átomos sejam lentamente comprimidos em um espaço menor. O que acontece quando um átomo atinge um pistão em movimento? Evidentemente, ganha velocidade com a colisão. Se você acertar uma bola de pingue-pongue com uma raquete, por exemplo, constatará que ela se afastará com mais velocidade do que antes de bater na raquete. (Exemplo especial: se um átomo estiver parado e o pistão o atingir, certamente se moverá.) Assim, os átomos estão "mais quentes" quando se afastam do pistão do que antes de atingi-lo. Portanto, todos os átomos que estão no recipiente terão ganho velocidade. Isto significa que, quando comprimimos um gás lentamente, a temperatura do gás aumenta. Assim, sob compressão lenta, um gás aumentará de temperatura, e sob expansão lenta diminuirá de temperatura.

Retornemos a nossa gota d'água e olhemos em outra direção. Suponhamos que diminuímos a temperatura de nossa gota d'água. Suponhamos que o zigue-zague das moléculas dos átomos da água esteja paulatinamente diminuindo. Sabemos que há força de atração entre os átomos, de modo que, após algum tempo, eles não conseguirão ziguezaguear tão bem. O que acontecerá em temperaturas muito baixas é mostrado na Fig. 4; as moléculas se fixam em um novo padrão que é gelo.

Este diagrama esquemático do gelo está errado por ser em duas dimensões, mas está certo qualitativamente. O ponto interessante é que o material tem um lugar definido para cada átomo, e é fácil ver que, se de algum modo mantivéssemos todos os átomos em uma extremidade da gota em certo arranjo, cada átomo em certo lugar, então, devido à estrutura das interconexões, que é rígida, a outra extremidade a quilômetros de distância (em nossa escala ampliada) terá uma localização definida. Assim, se segurarmos uma ponta de gelo em uma extremidade, a outra extremidade resistirá à tentativa de separação, ao contrário da água, cuja estrutura se desfaz devido ao ziguezague crescente que faz com que os átomos se desloquem de formas diferentes. A diferença entre os sólidos e os líquidos é que, em um sólido, os átomos estão dispostos em certo tipo de arranjo, denominado arranjo cristalino, e não tem uma posição aleatória a longas distâncias; a posição dos átomos em um lado do cristal é determinada pela de outros átomos a milhões de átomos de distância no outro lado do cristal. A Fig. 4  é um arranjo inventado para o gelo, não é o arranjo verdadeiro. Uma das características corretas é que existe uma parte da simetria que é hexagonal. Observe que, se virarmos a figura 120^o ao redor de um eixo, ela voltará a si mesma. Assim, existe uma simetria no gelo que explica a aparência de seus seis lados no floco de neve. Outra coisa que podemos ver na Fig. 4  é o porque do gelo diminuir de volume ao se derreter. O padrão específico do gelo aqui mostrado possui muitos 'buracos', como acontece com a estrutura do gelo verdadeiro. Quando a organização se desfaz, esses buracos podem ser ocupados por moléculas. A maioria das substâncias simples, com exceção da água e de alguns tipos de metal, se expande ao derreter, porque os átomos estão comprimidos no cristal sólido e, com o derretimento, precisam de mais espaço para zigue-zaguearem, mas uma estrutura aberta desmorona, como no caso da água.

Embora o gelo possua uma forma cristalina "rígida", sua temperatura pode mudar --- o gelo possui "calor". Se quisermos, poderemos mudar a "quantidade de calor". O que é esse "calor" no caso do gelo? Os átomos não estão quietos. Estão ziguezagueando e vibrando. Assim, embora o cristal tenha uma ordem definida --- uma estrutura definida ---, todos os átomos estão vibrando 'no lugar'. À medida que aumentamos a temperatura, vibram com amplitude crescente, até se lançarem para fora do lugar. Isto se chama, popularmente, derretimento. À medida que diminuímos a temperatura, a vibração vai diminuindo até que, a zero absoluto, os átomos atingem a vibração mínima possível, mas não zero. Essa vibração mínima que os átomos podem ter não é suficiente para 'derreter' uma substância, com uma exceção: o hélio. O hélio simplesmente diminui os movimentos atômicos o máximo possível; porém, mesmo a zero absoluto, ainda há movimento suficiente para evitar que congele. Mesmo a zero absoluto, o hélio não congela, a não ser que a pressão seja aumentada a ponto de os átomos se comprimirem mutuamente. Se aumentarmos a pressão, poderemos fazer com que ele se solidifique.

Anterior: Introdução
Próximo: Processos atômicos
Lista geral: Conteúdo