(a) Quais são as três partículas fundamentais que compõem um átomo?
(b) Qual delas é responsável pela condução de corrente elétrica nos metais?
(c) Explique por que metais são bons condutores de eletricidade.

Passo 1

O enunciado faz três perguntas claras:
(a) Quais são as três partículas fundamentais que compõem um átomo?
(b) Qual dessas partículas é responsável pela condução de corrente elétrica nos metais?
(c) Explique por que metais são bons condutores de eletricidade.
Informações implícitas que usaremos (não veio nada a mais no enunciado):
  • Espera-se identificação das partículas do átomo e explicação física básica sobre condução elétrica em metais.

Passo 2

Responder (a): listar as três partículas e descrever cada uma com suas propriedades essenciais (carga, massa relativa e localização no átomo), sem pular etapas.
  • Próton: é uma partícula com carga elétrica positiva. Sua carga elétrica é +e, onde e é a carga elementar. Numericamente, \displaystyle e=1,602\times10^{-19}\\ \text{C}, portanto a carga do próton é \displaystyle +e=+1,602\times10^{-19}\\ \text{C}. A massa do próton é aproximadamente \displaystyle m_p=1,67\times10^{-27}\\ \text{kg}. Os prótons ficam no núcleo do átomo.
  • Nêutron: é uma partícula sem carga elétrica (neutra). Sua carga é 0. A massa do nêutron é da mesma ordem do próton, aproximadamente \displaystyle m_n\approx1,67\times10^{-27}\\ \text{kg}. Os nêutrons também ficam no núcleo, junto com os prótons, e ajudam a manter a estabilidade nuclear.
  • Elétron: é uma partícula com carga elétrica negativa -e (ou seja, -1,602\times10^{-19}\\ \text{C}). A massa do elétron é muito menor que a do próton ou do nêutron: \displaystyle m_e=9,11\times10^{-31}\\ \text{kg}, isto é, cerca de 1/1836 da massa do próton. Os elétrons ocupam a “região ao redor” do núcleo (às vezes chamada de nuvem eletrônica, níveis ou orbitais).
Observação de entendimento: o átomo tem núcleo (prótons + nêutrons) e uma região eletrônica (elétrons). Isso já responde (a) com detalhes úteis para a parte (c).

Passo 3

Responder (b): indicar qual partícula conduz corrente e explicar por que, passo a passo.
  • Corrente elétrica é movimento ordenado de cargas elétricas. Podemos ter corrente de cargas positivas movendo-se num sentido ou cargas negativas movendo-se no sentido oposto; o importante é que haja carga livre e móvel.
  • Nos átomos, os prótons e nêutrons estão presos no núcleo; eles não se movem livremente através do material. Portanto não são os responsáveis pela condução macroscópica.
  • Os elétrons, em particular em metais, podem se mover relativamente livremente através da estrutura do material. Por isso, a partícula responsável pela condução de corrente elétrica nos metais é o elétron.

Passo 4

Agora vou explicar didaticamente por que metais têm elétrons que conseguem se mover — ou seja, por que são bons condutores. Vou fazer isso em duas camadas: (1) imagem física intuitiva e (2) um modelo simples (Drude) que mostra as quantidades relevantes.
Intuição qualitativa (camada 1)
  • Num metal, muitos átomos estão bem próximos e suas camadas eletrônicas externas se sobrepõem. Isso permite que alguns elétrons não fiquem “ligados” a um átomo só, mas fiquem delocalizados por todo o material — costuma-se chamar isso de “mar de elétrons” ou elétrons livres.
  • Esses elétrons delocalizados podem responder a um campo elétrico externo movendo-se em direção ordenada (pequeno deslocamento médio), produzindo corrente elétrica.
  • Já os íons positivos remanescentes (os núcleos com as camadas internas de elétrons) ficam presos numa rede cristalina e não se movem livremente; eles formam a estrutura fixa que os elétrons atravessam.
Analogia rápida e leve: pense no metal como um clube com cadeiras (íons positivos) e muitas bolas (elétrons) rolando pelo salão. Se alguém empurra as bolas (campo elétrico), elas se deslocam e transportam “informação de empurrão” — que é a corrente.

Passo 5

Modelo simples quantitativo (Drude) — passo a passo e sem pular etapas
Objetivo: mostrar por que disponibilidade de elétrons móveis e sua massa/tempo de colisão determinam a condutividade.
  1. Imagine que existem n elétrons móveis por unidade de volume num metal. Cada elétron tem carga q=-e e massa m_e.
  2. Aplique um campo elétrico uniforme \mathbf{E}. Um elétron sente uma força \mathbf{F}=q\mathbf{E}. Como q=-e, a força aponta no sentido oposto a \mathbf{E}, mas isso não altera o raciocínio sobre corrente (só o sinal).
  3. Entre colisões com íons da rede, um elétron acelera com \displaystyle a=\frac{qE}{m_e}. Se o tempo médio entre colisões é \tau (tempo de vida livre médio), a velocidade média adquirida entre colisões — chamada velocidade de arraste ou drift — é
v_d \approx a\,\tau = \frac{qE}{m_e}\,\tau.
Aqui explicando variáveis: v_d é a velocidade de arraste média (m/s), q é a carga do elétron ( q=-e), E é o módulo do campo elétrico (V/m), m_e é a massa do elétron e \tau é o tempo médio entre colisões (s).
  1. A densidade de corrente elétrica J (corrente por área, A/m ^2) é dada pelo número de portadores por volume vezes carga por portador vezes velocidade média:
J = n\,q\,v_d.
Substituindo v_d do passo anterior:
J = n\,q\,\frac{qE}{m_e}\,\tau = \frac{n q^2 \tau}{m_e}\,E.
  1. Definimos condutividade elétrica \sigma como relação entre J e E:
J=\sigma E.
Comparando com a expressão anterior obtemos
\sigma = \frac{n q^2 \tau}{m_e}.
Novamente, variáveis: \sigma é condutividade (S/m), n é densidade de elétrons móveis (m^{-3}), q carga do elétron ( -e, mas aparece ao quadrado), \tau tempo médio entre colisões e m_e massa do elétron.
Interpretação física desta fórmula:
  • Quanto maior n (mais elétrons livres), maior \sigma — isso explica por que metais com muitos elétrons de valência são bons condutores.
  • Quanto maior \tau (menos colisões, maior liberdade média entre dispersões), maior \sigma. Colisões acontecem por vibração térmica e impurezas, por isso a resistência aumenta com temperatura e impurezas.
  • A massa pequena m_e ajuda os elétrons a responder rápido ao campo, favorecendo maior \sigma.

Passo 6

Conectando tudo de forma prática e motivadora (resumo estilo “na prova faça assim”)
  • Para responder (a) basta listar e caracterizar: próton ( +e, núcleo), nêutron ( 0, núcleo), elétron ( -e, nuvem eletrônica). Se pedirem números, cite \displaystyle m_e=9,11\times10^{-31}\\ \text{kg}, \displaystyle m_p\approx1,67\times10^{-27}\\ \text{kg}, e e=1,602\times10^{-19}\\ \text{C}.
  • Para (b) responda direto: elétrons. Explique em uma frase: prótons e nêutrons estão presos no núcleo; apenas elétrons (em particular os elétrons de valência/delocalizados) se movem livremente no metal.
  • Para (c) explique em duas linhas com suporte do modelo: metais têm elétrons delocalizados (mar de elétrons) com alta densidade n. Pelo modelo de Drude, \sigma=\dfrac{n q^2 \tau}{m_e}, então alta densidade de elétrons e tempo médio entre colisões suficientemente grande geram alta condutividade. Acrescente que aumentos de temperatura reduzem \tau (mais vibração dos íons), aumentando a resistência — isso é observado experimentalmente.
Força extra de incentivo: se na prova pedirem “explique por que” use a combinação de argumento qualitativo (elétrons delocalizados) + uma frase com a fórmula de condutividade para mostrar entendimeto técnico. Isso costuma agradar o avaliador porque mostra conceito + modelagem simples.

Resposta

(a) Prótons, nêutrons e elétrons.
(b) Elétrons.
(c) Porque nos metais há elétrons de valência delocalizados (um “mar de elétrons”) que podem mover-se livremente sob um campo elétrico; isso gera corrente. No modelo simples de Drude a condutividade é \displaystyle \sigma=\frac{n q^2 \tau}{m_e}, logo alta densidade de elétrons móveis n e tempo médio entre colisões \tau relativamente grande tornam os metais bons condutores.

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