apresentaÇÃo - professor.ufabc.edu.brprofessor.ufabc.edu.br/~hueder.paulo/estrutura da...

Hueder Paulo Moisés de Oliveira

[email protected]

BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

APRESENTAÇÃO

1

Bibliografia

ATKINS, P. W., JONES, Loretta. Princípios de Química:

Questionando a vida moderna e o meio ambiente. 5ª

ed. : Bookman, 2012.

MAHAN, B. M., MYERS, R. J. Química: Um curso

universitário. 4ª ed. : Edgard, Blücher, 1998.

Tipler, R.A. Llewellyn e P.A. Física Moderna. 6ª ed. :

GEN-LTC, 2010.

Nussenzveig, H. M., Curso de Física Básica 2. 4ª ed. :

Edgard, Blücher, 1998.

Complementares: ATKINS, P., Físico Química. 7ª ed. : LTC, 2002. vol. 1.

ATKINS, P., de PAULA, J., FRIEDMANN, R. Quanta, Matéria e Mudança: Uma Abordagem

Molecular para a Físico Química. : LTC, 2010. vol. 1.

MCQUARRIE, D. A; SIMON, J. D. Physical chemistry: a molecular approach. University Science

Books, 1997.

2

Calendário

3

Calendário

4

Semana Aulas expositivas

1

07/06

• Introdução ao curso (Informações sobre

provas, conceitos);

• Macro ao micro;

• Teoria atômica.

2

11/06

14/06

• Teoria atômica (continuação).

• Hipótese atômica;

• Equações químicas;

• Substâncias químicas

3

21/06

• Comportamento dos gases;

Calendário


4

25/06

28/06

• Evidências do elétron.

• Revisão de ondas;

• Radiatividade;

• Modelos atômicos.

5

05/07

• Dualidade onda-partícula;

• Função de onda;

5

Calendário

6


6

09/07

12/07

• Orbitais atômicos;

• Spin do elétron, princípio da exclusão de Pauli

e regras de seleção;

• Prova 1

7

19/07

• Átomos multi-eletrônicos;

• Distribuição eletrônica;

• Tabela periódica.

8

23/07

26/08

• Ligações químicas (Parte I).

• Interações Moleculares;

Calendário


9

02/08 • Ligações Químicas (Parte II): TLV e TOM.

10

06/08

09/08

• Prova 2

• Prova Substitutiva

11

16/08 • REC

7

Datas Importantes

• Prova 1: 12/07/2018

• Prova 2: 09/08/2018

• Substitutiva (falta justificada): 13/08/2018

• Recuperação para os alunos que ficaram com

conceito D e F: 16/08/2018

• Conceito final: MF = (P1+P2+REC)/3

Média final (MP): (P1+P2)/2

8

Média = média simples do aproveitamento provas

Avaliações

Balizador para os Conceitos:

Aproveitamento nas avaliações (%)

A 85 a 100

B 70 a 85

C 50 a 70

D 40 a 50

F < 40

O Reprovado por faltas (> 4 faltas)

9

Informações sobre a Disciplina

Assistente pedagógica: Maria Cecília Oliveira Facebook: mariacecilia.oliveira.56

Email: [email protected]

Página Geral da Disciplina: (listas, informações de monitoria, etc...) no Tidia.

???

Horário de atendimento (Professor): ??? sala 1005 do Bloco B. Plantão de dúvidas (Cecília): Quintas-feiras às 15h na sala S502 do Bloco B

10

mailto:[email protected]

http://m

Estimativa da Dedicação Mínima Necessária ao Curso

Presença nas aulas;

Leitura dos capítulos estudados em sala de aula do

Atkins e Tipler (se necessário dos livros

complementares);

Resolução dos exercícios dos livros e das listas;

Plantão de dúvidas com a Cecília.

11

Objetivos

GERAIS: Relacionar propriedades

macroscópicas da matéria com sua

estrutura atômico molecular.

ESPECÍFICOS:

• Compreender o desenvolvimento

histórico da construção do

conhecimento científico;

• Comparar e avaliar a aplicação de

diferentes modelos relacionados à

atomicidade da matéria;

• Familiarizar o discente com o

comportamento quântico da matéria.

É do estudo

constante que

surgem as

dúvidas e o

aprendizado...

12

Por

exemplo...

Por que

existe uma

“mancha

clara”, de

formato

alongado,

no céu? Do

que ela é

feita? Como

surgiu?

Desde sempre, o ser humano olha ao seu redor e faz

perguntas...

13

Muitas respostas que

foram dadas a estas

perguntas são

profundamente ligadas à

cultura e história dos

povos, às suas crenças

religiosas e sua

organização social. Estas

respostas não são apenas

respostas, são crenças,

são compromissos sociais,

e são arte.

14

Hoje, temos uma

explicação diferente...

...aprendemos que o sol é apenas uma entre uma

infinidade de estrelas que se aglomeram em galáxias. A

faixa iluminada no céu é a imagem que temos de nossa

galáxia, vista de dentro. 15

A Ciência

A CIÊNCIA é uma forma de abordar questões como essa.

Porém, ela procura primar pela objetividade, pela clareza e

pela precisão.

É uma tradição de pensamento em que estas qualidades são

buscadas e valorizadas, e onde a verificação experimental

é considerada como o argumento fundamental para a

verdade.

16

A Ciência

A CIÊNCIA nasce de uma característica fundamental do

espírito humano: a CURIOSIDADE.

Além disso, a ciência também é muito ÚTIL e permite

aprimorar nossa TECNOLOGIA.

17

A Ciência

Para atender aos critérios de objetividade,

clareza e precisão, a MATEMÁTICA tornou-

se uma ferramenta básica da CIÊNCIA.

Galileu Galilei

(1564-1642)

“O livro da natureza é escrito em

caracteres matemáticos.”

A ciência permite ao conhecimento humano ultrapassar

seus próprios limites físicos.

18

https://www.bing.com/images/search?q=galileu+galilei&FORM=IARRTH&ufn=Galileu+Galilei&stid=8a38a1e6-e995-85d3-a5a9-9e71008bdd09&cbn=EntityAnswer&cbi=0&FORM=IARRTH

A Ciência

A ciência consegue estender a compreensão do ser

humano para estruturas extremamente grandes e

pequenas.

19

Método Científico

20

Método Científico

21

Notação Científica

Para conseguir lidar com números muito grandes e muito

pequenos, é conveniente utilizar a notação científica.

10-3 = 0,001

10-2 = 0,01

10-1 = 0,1

100 = 1

101 = 10

102 = 100

103 = 1000

22


23


Exercícios

1. Mediram, experimentalmente, o período e o comprimento

de um pêndulo simples, obtendo-se os seguintes resultados:

2

1

0,5990 10 0,05 cm

15,55 10 0,001 s

L

T

Utilizando a equação do pêndulo simples, calcule o valor da

aceleração da gravidade (g) em m/s2.

2L

Tg

24


Solução:

2

-1

0,5990 10 cm 59,90cm

59,90cm 100 0,5990m

15,55 10 s 1,555s

2

2

2

2

2

4

4 0,599m

1,555s

9,7797m/s

Lg

T

g

g

25


Exercícios

2. A dependência da resistência de um resistor metálico com

a temperatura é dada por:

0

1

0

1

0,140 0,002 º

20,0 0,1

R R T

C

R

Calcule a resistência (R) do resistor quando o intervalo de

temperatura é:

Resposta:

40,00 0,05 ºT C

21,32 10R 26

Viagem do

macrocosmo ao

microcosmo

27

1026 m

Limites do universo

observável

100.000.000.000.000.000.000.000.000 m

cem milhões de bilhões de bilhões de metros

90 bilhões de anos-luz

28

Nessa distância, nós poderíamos ver toda a Via Láctea e outras

galáxias também

1022 m 10.000.000.000.000.000.000.000 m

dez mil bilhões de bilhões de metros

29

Nosso sol parece bem pequeno

1016 m 10.000.000.000.000.000 m

dez milhões de bilhões de metros

1 ano-luz

30

A Terra aparece pequena

108 m 100.000.000 m

cem milhões de metros

31

Vista típica de um satélite Flórida,EUA

106 m 1.000.000 m = 1.000 Km

mil quilômetros

32

Neste ponto seria possível

pular de pára-quedas

103 m 1.000 m = 1 Km

um quilômetro

33

Vista que temos

quando olhamos

para o chão.

100 m 1 metro

34

Nessa

distância é possível

observar a estrutura da

folha

10-2 m 1 centímetro

35

As células estão

definidas e nós podemos observar a união entre

elas

10-4 m 0,1mm - 100 mícrones

36

O núcleo da célula

começa a ficar vísivel

10-6 m 1 mícron

37

A cadeia de DNA pode ser

visualizada

10-8 m 10 nanômetros

38

Enxergamos as moléculas que

compõem o DNA.

10-9 m 1 nanômetro

39

Enxergamos o átomo de carbono!

10-10 m 1 Angstron

40

Um espaço imenso entre o núcleo e os elétrons. Vê-se o núcleo, pequeno, ao centro.

10-12 m 1.000 férmios

41

Enxergamos com clareza o

núcleo do átomo de carbono.

10-14 m 10 férmios

42

Examinando os quarks.

Limite atual do nosso conhecimento

10-16 m 0,1 fermi – 100 attometros

43

1026 m 10-16 m

42 ordens de magnitude!

44

Gás – Ar Ionizado – Plasma

Líquido – Água Sólido – Rocha; Metal

Macromoléculas e Agregados (Nano-objetos)

Milhares /Bilhões de Moléculas (componentes da matéria)

Átomos: 118 (Tabela Periódica)

Elétrons (partícula primária)

Constituintes Subatômicos

Micro = 1x10-6 m

Nano = 1x10-9 m

Angstron = 1x10-10 m

Sistema tradicional: Propriedades Macroscópicas

Efeitos Quânticos

45

Como "Miniaturizar" as Coisas ?

1) TOP-DOWN APPROACH: do “grande” para o “pequeno”.

2) BOTTON-UP APPROACH: do “pequeno” para o “grande”.

46

1) TOP-DOWN APPROACH: do “grande” para o “pequeno”.

- manipulação de quantidades “macroscópicas” de materiais, rumo ao microscópico.

Exemplo: circuitos eletrônicos.

ENIAC (1946) válvulas (um andar inteiro de um prédio).

transistores

“chips” (referência: H. E. Toma, O Mundo Nanométrico.)

Como "Miniaturizar" as Coisas ?

47

Nanociência e Nanotecnologia: Fundamentos

• Dimensão nanométrica x propriedades*

Ag Prismas

~ 100 nm

Au Esferas

~ 100 nm

Au Esferas ~ 50 nm

Ag Esferas

~ 120 nm

Ag Esferas ~ 80 nm

Ag Esferas ~ 40 nm

* Adaptado de: Northwestern University, EUA

49

Neste curso, vamos mostrar um pouco da resposta que a

ciência forneceu a duas perguntas:

* Do que a matéria é feita? (átomos e moléculas)

* Por que a matéria se organiza da forma como ela se

organiza? (Interações)

Estas respostas não são simples. A humanidade levou

séculos para desenvolvê-las. Muitas partes destas

respostas envolvem uma matemática muito complicada,

que não podemos descrever neste curso. Muitas vezes

vamos apresentar “regras” que não poderemos justificar

por não dominar a matemática necessária.

50

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

Uma grandeza (ou grandeza física) é um atributo qualquer, mensurável,

de uma entidade do universo físico. Ou seja, é um atributo que pode

ser quantificado.

A determinação da magnitude da grandeza leva à unidade de medida.

O Sistema Internacional de Unidades (SI), surgiu para resolver os

problemas que a vasta comunidade científica do século XX vinha

enfrentando.

O SI é resultado de mais de um século de esforços para se estabelecer

um conjunto de unidades universalmente aceitável.

51

SI

Unidades

SI de

base

Unidades

SI

derivadas

Unidades SI

suplementares

Sistema corente


52

Unidade Definição segundo a Conferência Geral de Pesos e medidas

Metro Comprimento do caminho percorrido pela luz, no vácuo, durante o

intervalo de tempo de 1/299 792 458 de segundo.

Quilograma Massa do protótipo internacional do quilograma.

Segundo Duração de 9 192 631 770 períodos de radiação correspondente à

transição entre os dois níveis hiperfinos do estado fundamental do césio

133.

Ampère Corrente elétrica invariável que, se mantida em dois condutores retilíneos

paralelos, de comprimento infinito, de seção transversal desprezível e

situados no vácuo separados de 1 metro, produziria entre esses

condutores uma força igual a 2 x 10-7 newton por metro de comprimento

dos mesmos.

Kelvin Fração (1/273,16) da temperatura termodinâmica do ponto tríplice da

água.

Mol Quantidade de matéria de um sistema que contém tantas entidades

elementares quantos são os átomos contidos em 0,012 quilograma de

carbono 12.

Candela Intensidade luminosa, numa dada direção, de uma fonte que emite

radiação monocromática de frequência 540 x 1012 hertz e que tem

intensidade energética naquela direção de (1/683) watt por esterradiano.


53

Algumas unidades SI derivadas simples

Grandeza Unidade Símbolo

Área metro quadrado m2

Volume metro cúbico m3

Velocidade metro por segundo m/s

Densidade quilograma por metro

cúbico

kg/m3

Concentração em

quantidade de matéria

mol por metro cúbico mol/m3


54

Nomes e símbolos especiais para algumas unidades SI derivadas

Grandeza Nome da unidade

SI

Símbolo Definição

Força newton N m kg s-2

Pressão pascal Pa

m-1 kg s-2 (= N/m2)

Energia joule J m2 kg s-2 (= N m)

Potência watt W

m2 kg s-3 (= J/s)

Carga elétrica coulomb C s A


55

Unidades SI suplementares

Grandeza Unidade Símbolo

Ângulo plano Radiano rad

Ângulo sólido Esterradiano sr

Por serem grandezas

derivadas adimensionais,

as unidades podem ser

omitidas.


56

Crédito de imagem: www.nasa.gov

Origem da Matéria

De onde vieram os elementos químicos?

57

Ideia Original de Gamow

• Talvez os elementos químicos observados no Universo tenham sido construídos em uma fase do Universo primordial em que a temperatura era elevada (~109-10 K) e matéria e radiação estavam em equilíbrio termodinâmico.

• A densidade nesta fase devia ser comparável àquela que ocorre no carôço central das estrelas (~1 g/cm 3 ).

• Como a densidade atual do Universo é da ordem de 10-30 g/cm3, concluímos que houve uma expansão por um fator da ordem de 1010.

• O resultado final é que o Universo deve estar preenchido com um fundo de radiação cuja temperatura deve ser da ordem de 1 K.

George Gamow

(1904-1968)

Origem da Matéria

58

Nucleossíntese Primordial e Nucleossíntese Estelar

59

Nucleossíntese Estelar

60

Nucleossíntese Estelar

61

Abundância dos Elementos Químicos no Universo

Crédito de imagem: http://chandra.harvard.edu/xray_astro/chemistry.html

+70%

62

Partículas Elementares

Você deve conhecer, do ensino médio, o átomo de Rutherford.

Os elétrons, até onde conhecemos

hoje, são partículas elementares.

( elementar = indivisível )

O núcleo é composto por prótons e

neutrons que, por sua vez, não são

elementares.

próton neutron

Prótons e neutrons contem partículas

menores chamadas quarks.

Os quarks são, até onde sabemos,

elementares.

quark up

quark down

63

Modelos Atômicos - Primórdios

• Toda a matéria é composta por átomos, que são partes da matéria

muito pequenos para serem vistos. Esses átomos não podem ser

divididos em porções menores;

• Existe espaço entre os átomos;

• Os átomos são completamente sólidos;

• Os átomos são homogêneos e não apresentam estrutura interna;

• Os átomos diferem em tamanho, forma e peso.

Pitágoras e Platão

Aristóteles Giordano Bruno

Galileu Gassendi Robert Boyle

64

Pitágoras e Platão

“Um corpo físico é simplesmente uma parte de

espaço limitado por superfícies geométricas, as

quais não contêm nada além de espaço vazio”

As entidades fundamentais da filosofia de Platão existem no mundo das ideias. São

as formas geométricas e não tijolos indivisíveis como os átomos.

Pitágoras

(569 – 475 a.C.)

Platão

(427 – 347 a.C.)

65

Aristóteles e o Antiatomismo

“se existe continuidade, o contato e a consecutividade (...), e

se contínuas são as coisas cujas extremidades estão juntas, e

consecutivas aquelas em meio à qual não há nada afim, é

impossível que uma coisa contínua resulte composta de

indivisíveis, por exemplo, que uma linha resulte composta de

pontos, se é verdade que a linha é um contínuo e o ponto, um

indivisível”

Devido à grande influência de Aristóteles, só a

partir do século XVI que a ideia atomista voltou à

tona, principalmente graças à Giordano Bruno.

Aristóteles

(384 – 322 a.C.)

66

“O princípio, o meio e o fim, o nascimento, o

aumento e a perfeição de tudo aquilo que vemos

resultam de contrários, pelos contrários, nos

contrários, para os contrários: e onde há

contrariedade, há ação, há reação, há movimento,

há diversidade, há pluralidade, há ordem, há

graus, há sucessão, há vicissitude.”

Giordano Bruno

Giordano Bruno

(1548 – 1600)

67

Galileu

Renascimento (Século XVI e XVII)

Galileu afirma que, excluindo o som, é

possível se chegar a uma teoria

corpuscular dos fenômenos físicos e

admite a hipótese atômica.

mas... admite que os átomos possuem

apenas qualidades matemáticas,

chamando-os de átomos sem extensão,

dimensão e forma.

Ideia de grande

utilidade para a

construção do

atomismo

científico e na

construção da

Teoria Cinética dos

Gases (século XIX)

Galileu Galilei

(1564 – 1642) O nascimento de Vênus

(1484): Sandro Boticelli

68

https://www.bing.com/images/search?q=galileu+galilei&FORM=IARRTH&ufn=Galileu+Galilei&stid=8a38a1e6-e995-85d3-a5a9-9e71008bdd09&cbn=EntityAnswer&cbi=0&FORM=IARRTH

Gassendi

Gassendi estava interessado no significado do

atomismo. Ele tornou o atomismo aceitável em

sua época e contribuiu com a afirmação de que

algumas moléculas seriam formadas a partir de

átomos. As moléculas, diferentes entre si,

seriam as sementes da variedade das coisas.

Pierre Gassendi

(1592 – 1655)

69

https://pt.wikipedia.org/wiki/Ficheiro:PierreGassendi.jpg

Robert Boyle

Boyle admitia que a matéria é indestrutível e

composta de átomos e vazio. Ele considerava que o

mundo opera segundo dois princípios “nobres e

universais”: matéria e movimento.

Sua tendência foi buscar descrever as propriedades

químicas específicas dos átomos. Para ele havia

distinção entre elementos e compostos químicos.

Robert Boyle

(1627 – 1691)

70



71

LHC

4 interações juntas

10-43 s: gravitacional se separa 10-36 s: forte se separa

10-10 s: fraca e eletromagnética se separam 72

A natureza elementar da matéria é estudada através de

experimentos de colisões.

LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça -

França.

Túnel de 27Km de circunferência,

com equipamentos resfriados a hélio

líquido a uma temperatura de −271.25° C


73

Teoria que explica as partículas

e as forças fundamentais.

Explica do que o mundo é feito e

o que o mantém unido. Contudo,

ainda existem muitas questões a

serem respondidas.

Modelo Padrão


74

Quarks: Quarks são um tipo de partícula de

matéria. A maior parte da matéria que vemos em

nossa volta é feita de prótons e nêutrons, os

quais são compostos de quarks.

Os quarks up e down possuem as

menores massas entre todos os

quarks. Os quarks mais pesados

mudam rapidamente para quarks up

down por meio de um processo de

decaimento


75


76

Léptons: O lépton mais conhecido é o elétron (e-). Os outros dois

léptons são o múon (µ) e o tau (), que são carregados como os

elétrons, mas têm muito mais massa. Os outros léptons são os três tipos

de neutrinos ().


77

Evolução dos Modelos Atômicos

• ÁTOMO: é divisível e é formado por muitas partículas.

• PARTÍCULAS FUNDAMENTAIS: quarks e elétron.

• ELÉTRONS: parte mais importante do átomo, do ponto de vista químico, neste momento.

Para saber mais:

http://www.cepa.if.usp.br/aventuradasparticulas/


78

http://www.cepa.if.usp.br/aventuradasparticulas/

Pergunta: como as partículas elementares conseguem se organizar em

estruturas de tamanhos tão diferentes, e tão complexas, como observamos na

natureza?

Resposta: em última instância, graças às interações fundamentais (ou forças

elementares) que são sentidas por estas partículas elementares.

Resumo: tudo que existe no universo é feito de átomos, que por sua vez são

feitos por partículas menores, indivisíveis, chamadas de partículas elementares.


79

FORÇA

INTERAÇÃO

interação (s. f.)

1. Influência recíproca de dois ou

mais elementos.

2. Psicol. Fenómeno que permite a

certo número de indivíduos constituir-

se em grupo, e que consiste no facto

de que o comportamento de cada

indivíduo se torna estímulo para outro.

3. Fís. Ação recíproca que ocorre

entre duas partículas.

fonte: www.priberam.pt/DLPO

Forças Elementares

80

Interações de contato: exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.

Interações de campo: agem mesmo que não

sem contato direto entre os corpos

envolvidos.

Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra.

Forças Elementares

81

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

PUXÕES

EMPURRÕES

ATRITO

.....

INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

interações de contato

interações de campo

FORÇAS

ELÉTRICAS

FORÇAS

MAGNÉTICAS

Forças Elementares

82


PUXÕES

EMPURRÕES

ATRITO

.....


INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA



Ao longo do século XIX descobriu-se profundas relações

entre o campo elétrico e o campo magnético.

Na verdade, não são dois campos separados: são dois

aspectos de um único fenômeno, o que se chama campo

eletromagnético.

James Clerk Maxwell foi o descobridor deste fato,

formulando as chamadas equações de Maxwell, que você

estudará em futuras disciplinas...

James Clerk

Maxwell

(1831-1879)

Forças Elementares

83

Relembremos que o átomo é composto

por partículas com carga negativa

(elétrons) e positiva (prótons) em igual

número, ou seja, tipicamente o átomo é

eletricamente neutro.

Uma vez que os átomos são neutros, o

que faz com que eles se unam formando

moléculas estáveis?

Resposta: A força residual eletromagnética.

As partes carregadas de um átomo podem

interagir com as partes carregadas de outro

átomo. Isso permite que diferentes átomos

se juntem.

Forças Elementares

84

Portanto, a força eletromagnética é

responsável, em última instância, por

todas as ligações químicas entre

átomos.

Ou seja, toda a química existe porque

existe a interação eletromagnéticas. Ela

é responsável por todas as

propriedades químicas dos diferentes

elementos.

A vida depende necessariamente de um

conjunto extremamente complexo de

reações químicas. Por isto, a existência

da interação eletromagnética é também,

em última instância, o que propicia a

existência da vida.

Forças Elementares

85

FORÇAS DE CONTATO não

são mais que o produto das

interações eletromagnéticas

entre os átomos da superfície

dos materiais

FORÇAS COMO

PUXÕES

EMPURRÕES

ATRITO

....

não são elementares, mas sim

resultados de interações

eletromagnéticas.

Além disso, sempre que temos duas superfícies “em contato”, os átomos

que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem

exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros...

Forças Elementares

86


PUXÕES

EMPURRÕES

ATRITO

.....





LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES



Forças Elementares

87

próto

n

neutro

n

“FORÇA” NUCLEAR FORTE

“FORÇA” NUCLEAR FRACA

A lista de interações fundamentais

está quase completa.

Existem só mais duas interações,

que foram descobertas mais

recentemente, e que basicamente

só “funcionam” dentro do núcleo

atômico.

Forças Elementares

88

LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES



INTERAÇÃO NUCLEAR FRACA

INTERAÇÃO NUCLEAR FORTE

Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as interações

elementares observadas no universo.

É uma lista surpreendentemente curta – representa uma grande síntese

do conhecimento físico acerca do universo.

Mas a lista pode ser ainda menor!

Forças Elementares

89

I) NUCLEAR FORTE:

coesão do núcleo -

reação de fusão nuclear

nas estrelas

III) NUCLEAR FRACA

decomposição nuclear

explosão de uma

estrela – formação de uma supernova

Forças de curto alcance – mundo microscópico

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

90


91


92

(IV) GRAVITACIONAL (II) ELETROMAGNÉTICA

Uma maçã que cai ou a órbita

de um planeta (Newton).

Moléculas, agregados, etc.

Maxwell (século XIX)

Forças de longo alcance - cotidiano

Única força com

caráter universal, pois atua

sobre toda a

matéria.


93


94


95

O méson é uma partícula subatômica (um hádron) composta por

um quark e por um antiquark de carga de cor oposta. Frequentemente,

um par de quark e antiquark não ocorre isoladamente, mas, em vez

disso, mistura-se com outros de modo a que os quarks fiquem com

uma sobreposição de sabores (como sempre, os sabores mais

semelhantes em massa misturam-se mais). Os mésons mesoscalares

(de spin 0) têm a energia mais baixa, e o quark e o antiquark têm spin

oposto; nos mésons vetoriais (de spin 1), o quark e o antiquark têm

spin paralelo. Ambos surgem em versões de maior energia quando o

spin é aumentado por momentum angular orbital. A maior parte da

massa de um méson provém da energia de ligação e não da soma das

massas dos seus componentes. Todos os mésons são instáveis.

Os mésons foram originalmente previstos como transportadores da

força que liga os prótons e os nêutrons no núcleo. Quando foi

descoberto, o múon foi identificado como membro da família devido à

sua massa semelhante e foi-lhe dado o nome de "méson mu". No

entanto, verificou-se que não mostra uma atração forte pela matéria

nuclear. Na realidade, é um lépton. Mais tarde, descobriu-se o píon, e

verificou-se que é este o verdadeiro transportador da força e que decai

num múon. 96

Modelo atômico moderno

• Os elétrons estão em constante movimento em torno do

núcleo. Os prótons e os nêutrons vibram dentro do

núcleo e os quarks vibram dentro dos prótons e

nêutrons.

97

A Escala do Átomo • A figura anterior está bastante distorcida. Para

desenhar o átomo em escala com prótons e nêutrons com um centímetro de diâmetro, então os elétrons e quarks deveriam ter um diâmetro menor do que o de um fio de cabelo e o diâmetro do átomo inteiro deveria ser maior que o comprimento de trinta campos de futebol!

• 99,999999999999% do volume de um átomo é apenas espaço vazio!

• O núcleo é dez mil vezes menor que o átomo, e os quarks e elétrons são pelo menos dez vezes menores que eles.

• Não sabe-se exatamente quão menores os quarks e elétrons são; eles são definitivamente menores que 10-18 metros.


98

O Modelo Padrão

A teoria chamada Modelo Padrão, explica o que é o mundo e o que o

mantém unido.

É uma teoria simples e compreensível que explica todas as centenas de

partículas e interações complexas com apenas:

• 6 quarks.

• 6 léptons. O lépton mais conhecido é o elétron.

• Partículas transportadoras de força, como o fóton.

Todas as partículas de matéria conhecidas são compostas de quarks e

léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.


99

Quarks e Léptons

Tudo ao nosso redor, desde galáxias até montanhas e

moléculas, são feitas de quarks e léptons.

Quarks comportam-se diferentemente dos léptons, e para

cada tipo de partícula de matéria há uma partícula de

antimatéria correspondente.


100

Matéria e Antimatéria

Para cada tipo de partícula de matéria que nós encontramos, existe uma partícula correspondente de antimatéria ou uma antipartícula.

As antipartículas são iguais as suas correspondentes partículas de matéria, exceto pelo fato de terem cargas opostas.

Por exemplo, um próton é eletricamente positivo, ao passo que um antipróton é eletricamente negativo. A gravidade afeta a matéria e a antimatéria do mesmo modo. Uma partícula de matéria tem também a mesma massa de uma antipartícula.

Quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatéria se encontram, elas se aniquilam em energia!


101

Se a antimatéria e a matéria são exatamente iguais, mas

opostas, então por que há muito mais matéria do que

antimatéria no universo?

Mas podemos comprovar a existência de

antimatéria nesta foto de uma câmara de

bolhas.

O campo magnético nessa câmara faz

com que as partículas negativas se

curvem para a esquerda e as partículas

positivas se curvem para a direita.

Muitos pares elétron-pósitron

aparecem nessa foto


102

Quarks

Quarks são um tipo de partícula de matéria. A maior parte da matéria que vemos em nossa volta é feita de prótons e nêutrons, os quais são compostos de quarks.

Existem seis quarks, mas os físicos usualmente falam em termos de três pares:

• up/down

• charmoso/estranho

• top/bottom.

(para cada um desses quarks, existe um antiquark correspondente.)


103

Os quarks têm a característica não usual de possuírem uma carga elétrica fracionária, diferente da do próton e do elétron, que têm cargas inteiras de +1 e -1, respectivamente.

O quark mais difícil de ser

encontrado, o quark top, foi

descoberto em 1995 depois

de ter sido previsto teoricamente

por 20 anos.


104

Hádrons, Bárions, Mésons

Os quarks existem somente em grupos. Partículas

compostas por quarks são denominadas:

HÁDRONS

Embora os quarks individuais tenham cargas elétricas

fracionárias, eles se combinam de tal maneira que os

hádrons possuem cargas elétricas inteiras.


105

Existem duas classes de hádrons:

BÁRIONS MÉSONS

São hádrons compostos

por três quarks (qqq)

Como os prótons são

constituídos por dois

quarks up e um quark

down (uud), E assim

também são os nêutrons

(udd).

São hádrons compostos por

um quark (q) e um antiquark

( )

Um exemplo de méson é o

píon, que é composto por

um quark up e um antiquark

down.


106

Como os mésons são constituídos por uma partícula e uma antipartícula, eles são bastante instáveis.

Outra curiosidade sobre os hádrons é que somente uma pequeníssima parte da massa de um hádron é devida à existência de quarks nele.

A maior parte da massa que nós observamos num hádron vem de sua energia cinética e potencial. Essas energias são convertidas na massa do hádron como é descrito por E = mc2


107

Léptons

Existem seis tipos de léptons, três dos quais possuem carga elétrica e três que não.

Eles parecem ser partículas puntiformes sem estrutura interna.

O lépton mais conhecido é o elétron. Os outros dois léptons são o múon e o tau, que são carregados como os elétrons, mas têm muito mais massa. (tau 3000x)

Os outros léptons são os três tipos de neutrinos. Eles não possuem carga, têm massa muito pequena e são difíceis de serem detectados.

Os quarks são sociáveis e existem apenas em partículas compostas com outros quarks, ao passo que os léptons são partículas solitárias.


108

Neutrinos

Neutrinos são léptons que não possuem carga forte ou elétrica quase nunca interagem com quaisquer outras partículas.

A maioria dos neutrinos passa direto através da Terra sem interagir com um único átomo dela.

Uma vez que os neutrinos foram produzidos em grande abundância no início do universo e raramente interagem com a matéria. Então, existem muitos deles no Universo. A pequeníssima massa, mas o grande número, deve contribuir para a massa total do Universo e afetar sua expansão.


109

A Geração de Matéria

Toda matéria visível no universo é feita

da primeira geração de partículas de matéria

quarks up, quarks down e elétrons.

Isso porque todas as partículas da segunda e

terceira gerações de partículas são instáveis

e decaem, tornando-se partículas de primeira

geração, a única geração estável.

Se as gerações acima da primeira decaem rapidamente, são

raramente observadas e não compõem nenhuma matéria

estável ao nosso redor, então por que elas existem?


110

O que Mantém o Universo Unido?

O universo que conhecemos existe porque as partículas

fundamentais interagem.

Existem quatro interações fundamentais entre as

partículas, e todas as forças podem ser atribuídas a

essas quatro interações!

111

Como a Matéria Interage?

Como dois ímãs "sentem" a presença um do

outro e se atraem ou se repelem de acordo com

a situação? Como o Sol atrai a Terra?

O que são as forças de "magnetismo" e "gravidade"????

112

Em um nível fundamental, a força não é apenas algo que

acontece para as partículas. "É uma coisa que é trocada

entre duas partículas".


113

Descobriu-se que todas as interações que afetam as partículas da matéria são devidas a uma troca de partículas transportadoras de força, um tipo completamente diferente de partícula.

Essas partículas são como bolas de basquete atiradas entre as partículas da matéria (que são como jogadores de basquete).

O que nós pensamos normalmente como "forças" são, na verdade, os efeitos das partículas transportadoras de força sobre as partículas da matéria.


114

Diferentes interações, suas partículas transportadoras de

força e em que partículas elas atuam:


115

Além do Modelo Padrão

O Modelo Padrão responde a muitas das perguntas sobre a estrutura e a estabilidade da matéria com seus seis tipos de quarks, seis tipos de léptons, e quatro forças. Mas ainda existem muitas perguntas sem resposta.

• Por que vemos mais matéria do que antimatéria se deveríamos ter simetria (igualdade) entre as duas no Universo?

• Os quarks e léptons são realmente fundamentais, ou são constituídos de partículas mais fundamentais?

• Como a gravidade se encaixa em tudo isso?

• Em nosso cotidiano, observamos apenas a primeira geração de partículas (elétrons, neutrinos e- e quarks up/down). Por que a natureza "precisa" das outras duas gerações?

• O que é toda esta matéria extra no universo que não podemos explicar usando métodos normais?

• Por que o Modelo Padrão não pode prever a massa de uma partícula? (O Modelo Padrão não consegue explicar por quê algumas partículas são do jeito que são )

116

Referências

http://www.cepa.if.usp.br/aventuradasparticulas/index.html

117

apresentaÇÃo - professor.ufabc.edu.brprofessor.ufabc.edu.br/~hueder.paulo/estrutura da...

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