Exercícios: O modelo quântico e as partículas subatómicas

Indique a carga elétrica (positiva, negativa ou nula) e a localização no átomo (núcleo ou nuvem eletrônica) do próton, do nêutron e do elétron. Quais das três partículas têm massa praticamente igual? Qual é cerca de $2000$ vezes mais leve do que as outras duas?

As usinas nucleares utilizam como combustível o urânio-235, enquanto o urânio mais abundante na natureza é o urânio-238; ambos têm número atômico $Z = 92$. A figura representa os dois núcleos.

1. a) Explique o que são isótopos de um elemento.
2. b) Calcule quantos nêutrons há no núcleo de cada um destes dois isótopos do urânio.

O iodo é um oligoelemento essencial que se adiciona ao sal de cozinha; o seu isótopo mais comum possui $Z = 53$ e $A = 127$.

1. a) Calcule o número de prótons, nêutrons e elétrons de um átomo neutro de iodo.
2. b) Escreva o seu símbolo na notação ${}^{A}_{Z}\text{X}$.

Em radioterapia contra o câncer utiliza-se o cobalto-60, uma fonte radioativa com $Z = 27$.

1. a) Escreva o símbolo do cobalto-60 com a notação ${}^{A}_{Z}\text{X}$.
2. b) Calcule o número de prótons, nêutrons e elétrons, considerando o átomo neutro.
3. c) Que diferença existe entre o cobalto-60 e o cobalto-59, o isótopo estável do mesmo elemento?

Calcule os prótons, nêutrons e elétrons de cada uma destas espécies e responda depois:

1. a) ${}^{40}_{20}\text{Ca}^{2+}$
2. b) ${}^{37}_{17}\text{Cl}^{-}$
3. c) ${}^{35}_{17}\text{Cl}$

1. d) Quais delas são isótopos entre si? Por quê?
2. e) Quais têm o mesmo número de elétrons?

Desafio do tema. Como sabemos o que existe dentro da matéria se não conseguimos ver um átomo? Investigue a escala atômica e a transição do modelo de Thomson para o quântico por meio de um experimento caseiro.

1. Medição experimental: Corte 5 quadrados de folha de alumínio de lados crescentes ($L = 5,0\text{ cm}$; $8,0\text{ cm}$; $10,0\text{ cm}$; $12,0\text{ cm}$; $15,0\text{ cm}$), com incerteza de $\pm 0,1\text{ cm}$. Meça a massa de cada um em uma balança de precisão ($\pm 0,01\text{ g}$).

2. Tratamento de dados: Construa uma tabela com área ($A = L^2$), massa ($m$) e incertezas associadas. Represente o gráfico de $m$ em função de $A$. A partir do coeficiente angular e da densidade do alumínio ($2,70\text{ g/cm}^3$), calcule a espessura da folha e estime quantos átomos empilhados ela contém ($d \approx 0,28\text{ nm}$).

3. Proposta fundamentada: Redija um relatório breve: explique por que as partículas $\alpha$ de Rutherford atravessavam quase todas folhas semelhantes com desvios mínimos enquanto algumas sofriam grandes desvios ou ressaltavam, e por que razão estes grandes desvios refutaram o modelo de Thomson, e justifique como o modelo quântico atual descreve esse volume atômico por meio de orbitais e probabilidade eletrônica.

Será valorizado:

• Rigor na coleta de medições, tabela com incertezas e gráfico linear.

• Correção no cálculo da espessura e na estimativa de camadas atômicas.

• Coerência científica ao contrastar os modelos clássicos e o modelo quântico.