Segundo o modelo atômico aceito atualmente o átomo é formado por elétrons, prótons e nêutrons. Identifique as afirmações corretas e corrija aquelas incorretas.
(a) Os elétrons são portadores de carga elétrica negativa e fazem parte do núcleo atômico.
(b) Os nêutrons são formados por prótons e elétrons e por isso sua carga elétrica é nula.
(c) O elétron e o próton são considerados partículas elementares.
(d) O elétron é uma particula elementar, mas o próton é formado por 3 quarks.
(e) Os prótons e os nêutrons formam o núcleo atômico e são responsavéis pela neutralidade elétrica deste.

Passo 1

O enunciado pede que eu identifique quais afirmações (a) a (e) estão corretas segundo o modelo atômico aceito hoje e que eu corrija as que estiverem incorretas. As afirmações fornecidas são:
(a) Os elétrons são portadores de carga elétrica negativa e fazem parte do núcleo atômico.
(b) Os nêutrons são formados por prótons e elétrons e por isso sua carga elétrica é nula.
(c) O elétron e o próton são considerados partículas elementares.
(d) O elétron é uma particula elementar, mas o próton é formado por 3 quarks.
(e) Os prótons e os nêutrons formam o núcleo atômico e são responsavéis pela neutralidade elétrica deste.
Vou trabalhar item por item, explicando a teoria necessária e corrigindo o que for preciso.

Passo 2

Visão geral rápida e essencial do modelo atômico moderno (para entender os itens):
  • O átomo é formado por um núcleo pequeno e muito denso (onde estão os nucleons) e por uma “nuvem” de elétrons ao redor.
  • Nucleons = prótons e nêutrons; eles ocupam o núcleo.
  • Elétrons formam os orbitais eletrônicos fora do núcleo e é a distribuição deles que determina as propriedades químicas e a neutralidade do átomo.
  • Prótons e nêutrons são partículas compostas (não-elementares): cada um é formado por quarks ligados pela interação forte (QCD).
  • Elétrons pertencem à família dos léptons e, no estado atual da física, são considerados partículas elementares (não têm subestrutura conhecida).

Passo 3

Detalhe sobre elétrons (para julgar (a) e (d)):
  • Propriedade chave: o elétron é portador de carga elétrica negativa; sua carga é convencionalmente -e, onde e é a magnitude da carga elementar.
  • Localização: elétrons NÃO fazem parte do núcleo; eles ocupam regiões ao redor do núcleo chamadas orbitais ou nuvem eletrônica.
  • Natureza: o elétron é uma partícula elementar (um lépton). Isso significa que atualmente não se considera que ele seja formado por partes menores.
Exemplo simples para fixar: num átomo neutro de hidrogênio há um próton no núcleo e um elétron na nuvem; o elétron não está no núcleo.

Passo 4

Composição de prótons e nêutrons com quarks (para julgar (b), (c), (d) e (e)):
  • Próton: é composto por três quarks no estado mais simples: dois quarks “up” e um quark “down”. Os cargas dos quarks são +\tfrac{2}{3}\,e para cada up e -\tfrac{1}{3}\,e para cada down. Somando:
+\tfrac{2}{3}e + \tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e = +e.
Logo o próton tem carga total +e.
  • Nêutron: é composto por três quarks também: um quark up e dois quarks down. Somando suas cargas:
+\tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e - \tfrac{1}{3}e = 0.
Portanto o nêutron é eletricamente neutro, mas isso se deve à soma das cargas dos quarks, não ao fato de ser “feito de prótons e elétrons”.
  • Natureza: prótons e nêutrons são partículas compostas (hadrons); eles não são elementares. Eles são mantidos juntos no núcleo pela força nuclear forte (mediada por glúons entre quarks e por troca efetiva de mésons entre nucleons).

Passo 5

Por que a carga do nêutron é zero — explicação didática:
  • A carga elétrica do nêutron vem da soma das cargas dos seus quarks (veja a conta em Passo 4). Não é necessário haver elétrons “dentro” do nêutron para que ele seja neutro.
  • A ideia antiga (pré-modelo de quarks) de “nêutron = próton + elétron” foi descartada porque não explica propriedades como massa, spin e porque a separação dessas partículas não preservaria leis de conservação observadas; o modelo de quarks é o que explica de forma consistente os dados experimentais.

Passo 6

Quem é elementar e quem não é — resumindo para (c) e (d):
  • Elétron: sim, partícula elementar (lépton).
  • Próton: não, não é partícula elementar; é composto por 3 quarks (é um hádron).
    Portanto afirmar que “o elétron e o próton são considerados partículas elementares” é incorreto porque o próton NÃO é elementar.

Passo 7

Sobre o núcleo e a neutralidade elétrica do átomo (para (e)):
  • O núcleo é formado por prótons (carga positiva) e nêutrons (sem carga). O número de prótons Z determina a carga positiva total do núcleo: +Z e.
  • A neutralidade elétrica do ÁTOMO inteiro ocorre quando o número de elétrons na nuvem eletrônica é igual ao número de prótons Z, resultando em carga total zero. Ou seja, a neutralidade do átomo não é “devida” aos prótons e nêutrons no núcleo equilibrando-se mutuamente; os nêutrons não neutralizam carga positiva (eles são neutros) — a neutralidade vem do balanço entre prótons (no núcleo) e elétrons (fora do núcleo).

Passo 8

Análise e correção direta de cada item (explicando por que está certo ou errado e dando a forma correta):
(a) A primeira parte está correta: elétrons têm carga negativa ( -e). A segunda parte está errada: elétrons NÃO fazem parte do núcleo atômico; eles ocupam a nuvem eletrônica fora do núcleo. Correção: “Os elétrons são portadores de carga elétrica negativa e orbitam ao redor do núcleo atômico (não fazem parte do núcleo).”
(b) Incorreto. Nêutrons NÃO são formados por prótons e elétrons. A carga nula do nêutron resulta da soma das cargas dos quarks que o compõem: um up ( +\tfrac{2}{3}e) e dois down (cada um -\tfrac{1}{3}e), cuja soma é 0. Correção: “Os nêutrons são partículas compostas por quarks (um up e dois down) e, por isso, têm carga elétrica nula.”
(c) Incorreto. O elétron é uma partícula elementar, mas o próton não é elementar; o próton é composto por quarks. Correção: “O elétron é uma partícula elementar; o próton é uma partícula composta (um hádron).”
(d) Correto. O elétron é partícula elementar e o próton é formado por 3 quarks (na composição mais simples: u,u,d). Posso acrescentar: esses quarks são ligados pela interação forte mediada por glúons.
(e) Parcialmente incorreto por causa da segunda parte. É correto que prótons e nêutrons formam o núcleo atômico. Está errado dizer que eles são responsáveis pela neutralidade elétrica do núcleo/átomo — o núcleo tem carga positiva igual ao número de prótons; a neutralidade do átomo resulta do número de elétrons igual ao número de prótons. Correção: “Os prótons e nêutrons formam o núcleo atômico; entretanto, a neutralidade elétrica do átomo como um todo é alcançada quando o número de elétrons é igual ao número de prótons.”

Resposta

(a) Incorreta. Correção: Os elétrons são portadores de carga elétrica negativa ( -e) e orbitam ao redor do núcleo atômico; eles não fazem parte do núcleo.
(b) Incorreta. Correção: Os nêutrons não são formados por prótons e elétrons; são compostos por quarks (um up e dois down) cuja soma de cargas é zero.
(c) Incorreta. Correção: O elétron é partícula elementar, mas o próton não é; o próton é uma partícula composta.
(d) Correta. O elétron é partícula elementar e o próton é formado por 3 quarks (composição u,u,d no estado mais simples).
(e) Incorreta. Correção: Prótons e nêutrons formam o núcleo atômico; a neutralidade elétrica do átomo ocorre quando o número de elétrons é igual ao número de prótons.

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