Estrutura da Matéria - Faça o que se pede:
Estrutura elementar dos átomos: valor da carga e da massa do (i) elétron, (ii) do próton, (iii) do nêutron e (iv) da partícula alfa.

Passo 1

O enunciado pede, para cada uma das partículas abaixo, os valores da carga e da massa:
(i) elétron; (ii) próton; (iii) nêutron; (iv) partícula alfa.
Vou apresentar para cada uma: (A) a carga elétrica em coulombs e em múltiplos da carga elementar; (B) a massa em quilogramas e em unidades de massa atômica ( \mathrm{u}). Esses são os dados que preciso fornecer.

Passo 2

Entendendo a carga elétrica básica (a “ferramenta” que vou usar).
  • A carga elementar é a menor carga elétrica observada como carga de um próton (positiva) em módulo e do elétron (negativa) em módulo. A partir das definições do SI, a carga elementar tem valor exato
e = 1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C}.
  • Convenções de sinal que usarei: o elétron tem carga -e, o próton tem carga +e, o nêutron tem carga 0, e a partícula alfa (núcleo de hélio, ^4\mathrm{He}^{2+}) tem carga +2e.
    Isso já responde a parte “carga em múltiplos de e”; depois eu multiplico por e para obter coulombs.

Passo 3

Entendendo as massas e unidades.
  • A unidade de massa atômica unificada \mathrm{u} (uma massa atômica unificada) é conveniente para massas de partículas e átomos. Um valor prático que usarei é
1\\ \mathrm{u} = 1,66053906660\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}.
  • Vou dar as massas em quilogramas (SI) e também em \mathrm{u} para facilitar comparação com tabelas químicas. Para converter massa em quilogramas para \mathrm{u} faço a divisão m(\mathrm{u}) = \dfrac{m(\mathrm{kg})}{1\\ \mathrm{u\\ in\\ kg}}. Vou mostrar esse cálculo para cada partícula (passo a passo).

Passo 4

Elétron — carga e massa (explicação e contas).
  • Carga: por convenção o elétron tem carga negativa igual a -1 vezes a carga elementar. Então
\text{carga do elétron} = -e = -1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C}.é
  • Massa: valor aceito experimentalmente (CODATA) para a massa do elétron em quilogramas é
m_e = 9,1093837015\times10^{-31}\\ \mathrm{kg}.
  • Converter para \mathrm{u}: divido por 1\\ \mathrm{u} em kg:
m_e(\mathrm{u})=\dfrac{9,1093837015\times10^{-31}}{1,66053906660\times10^{-27}} \approx 5,48579909070\times10^{-4}\\ \mathrm{u}.
Observação didática rápida: o elétron é muito leve comparado a prótons e nêutrons (cerca de 5{,}5\times10^{-4}\\ \mathrm{u}), por isso a massa de átomos é dominada pelos nucleons.

Passo 5

Próton — carga e massa (explicação e contas).
  • Carga: o próton tem carga positiva igual a +e:
\text{carga do próton} = +e = +1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C}.ó
  • Massa: valor experimental (CODATA)
m_p = 1,67262192369\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}.
  • Converter para \mathrm{u}:
m_p(\mathrm{u})=\dfrac{1,67262192369\times10^{-27}}{1,66053906660\times10^{-27}} \approx 1,007276466621\\ \mathrm{u}.
Comentário: o próton tem massa aproximadamente 1{,}0073\\ \mathrm{u}, ligeiramente maior que 1\\ \mathrm{u} porque a definição de \mathrm{u} é baseada no carbono-12.

Passo 6

Nêutron — carga e massa (explicação e contas).
  • Carga: o nêutron é eletricamente neutro:
\text{carga do nêutron} = 0\\ \mathrm{C}.ê
  • Massa: valor experimental (CODATA)
m_n = 1,67492749804\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}.
  • Converter para \mathrm{u}:
m_n(\mathrm{u})=\dfrac{1,67492749804\times10^{-27}}{1,66053906660\times10^{-27}} \approx 1,00866491588\\ \mathrm{u}.
Comentário: o nêutron é ligeiramente mais massivo que o próton; essa diferença tem papel em decaimentos e estabilidade nuclear.

Passo 7

Partícula alfa — carga e massa (explicação e contas).
  • O que é a partícula alfa: é o núcleo do átomo de hélio-4 ( ^4\mathrm{He}^{2+}), composto por 2 prótons e 2 nêutrons. Portanto sua carga é
\text{carga da partícula alfa} = +2e = +2\times 1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C} = +3,204353268\times10^{-19}\\ \mathrm{C}.í
  • Massa: experimentalmente a massa do núcleo de hélio-4 (partícula alfa) é conhecida; um valor prático é
m_\alpha = 6,6446573357\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}.
  • Converter para \mathrm{u}:
m_\alpha(\mathrm{u})=\dfrac{6,6446573357\times10^{-27}}{1,66053906660\times10^{-27}} \approx 4,001506179127\\ \mathrm{u}.
Comentário didático: a massa do núcleo alfa é um pouco menor que a soma das massas de 2 prótons mais 2 nêutrons, porque parte da massa está “convertida” na energia de ligação nuclear (principio E=mc^2). Por isso o valor é cerca de 4{,}0015\\ \mathrm{u}, não exatamente 4\\ \mathrm{u}.

Passo 8

Resumo interpretativo rápido (para a prova).
  • Quando pedirem “carga”, diga sempre o múltiplo de e (ex.: -e, +e, 0, +2e) e também apresente em coulombs usando e=1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C}.
  • Quando pedirem “massa”, é útil dar em quilogramas (SI) e em \mathrm{u}; para converter use 1\\ \mathrm{u}=1,66053906660\times10^{-27}\\ \mathrm{kg} e faça a divisão mostrada acima.
  • Se faltar tempo na prova, memorizar ordens de grandeza ajuda: m_e\sim 9{,}11\times10^{-31}\\ \mathrm{kg}, m_p\sim1{,}673\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}, m_n\sim1{,}675\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}, m_\alpha\sim6{,}645\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}.

Resposta

(i) elétron: carga =-e=-1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C};\quad massa m_e=9,1093837015\times10^{-31}\\ \mathrm{kg}=5,48579909070\times10^{-4}\\ \mathrm{u}
(ii) próton: carga =+e=+1,602176634\times10^{-19}\\ \mathrm{C};\quad massa m_p=1,67262192369\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}=1,007276466621\\ \mathrm{u}
(iii) nêutron: carga =0\\ \mathrm{C};\quad massa m_n=1,67492749804\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}=1,00866491588\\ \mathrm{u}
(iv) partícula alfa: carga =+2e=+3,204353268\times10^{-19}\\ \mathrm{C};\quad massa m_\alpha=6,6446573357\times10^{-27}\\ \mathrm{kg}=4,001506179127\\ \mathrm{u}

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