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"Do átomo pré-socrático às novas
partículas elementares:
Uma breve historia da matéria.”
Prof. MSc Wander AmorimUEMG/ campus UbáFAMINAS
Semana Acadêmica de Matemática, Física e Química
18/09/2013
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Apresentarei uma visão geral sobre as Partículas elementares a partir das quais toda a Matéria ou substâncias são constituídas.
Os gregos começaram a busca dessas partículas a 2.400 anos atrás: os tijolos da Natureza!!!
•Resumo da apresentação: !
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• Por convenção exeiste a cor, por convenção existe a doçura, por convenção existe o amargo, mas na realidade existe átomos e espaço”
• Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o átomoA pergunta milenar...
O que é o átomo?
Demócrito (400 A.C.)
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O que significa a palavra átomo?
A palavra átomo vem do grego e significa: indivisível.
Na Grécia antiga os filósofos Demócrito e seu mestreLeucipo afirmavam que se quebrássemos um objeto em pedaços cada vez menores, os pedaços manteriam as mesmas propriedades que o objeto original, até alcançarmos o átomo.
O átomo seria o menor pedaço do corpo que ainda conservaria as suas propriedades.
A proposta da escola grega implicaria que teríamos um número incalculável de átomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo: água, pedra, papel, laranja, sangue... A proposta grega não está correta, mas será que ela tem algum traço de verdade ?
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• Toda a matéria (orgânica e inorgânica) é, constituída a partir de objetos básicos que seriam os
tijolos da Natureza ?
A versão atual da pergunta dos filósofos gregos:
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• Muita água.. • Uma gota d'água!!!
Para acompanharmos como a compreensão do
átomo/tijolos da Natureza foi se modificando
até o dia de hoje, vamos nos fixar num material:
a água.
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Os químicos do século 19: a matéria é formada por moléculas, e essas são grupos de átomos.
Molécula de água:
02 átomos de hidrogênio: H
01 átomo de oxigênio: O
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A primeira organização dos elementos numa Tabela Periódica foi feita por Dimitri Mendeleiev em 1869.
Tabela Periódica
Tabela Periódica de Mendeliev (1869): 103 átomos !!!!
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Tabela Periódica atual:
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Com a classificação dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos a ter 103 átomos distintos!!! Este número não é grande demais?
Voltamos à pergunta original: A matéria é constituídaPor somente átomos!! E os átomos são constituídos de partículas elementares?
Partículas elementares: partículas pontuais que não
apresentam nenhuma estrutura.
Para afirmar que um objeto não tem estrutura, temos que ter a certeza que ele não se quebra em pedaços. Para verificarmos isso, que temos que tentar quebrá-lo.
Por ex.: uma bilha tem estrutura?
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J.J. Thomson descobriu o elétron em 1897.
A partir da descoberta do elétron, o átomo passou a descrito como sendo um “pudim”:
John Dalton, modelo atômico 1803.
Modelo da esfera rígida, maciça, indivisíveis e
indestrutíveis.
Esse modelo é conhecido como a “bola de Bilhar”
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Em 1910 Ernst Rutherford analisou os
dados experimentais de H. Geiger e
E. Marsden e propôs um novo modelo para o átomo:
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A molécula de água após a proposta de Rutherford para o
átomo:
Átomo de hidrogênio: H
Núcleo com carga: + 1e
1 elétron com carga: - 1e
Átomo de oxigênio: O
Núcleo com carga: + 8e
8 elétrons com carga: - 8e
Até esse período, as partículas fundamentais seriam os núcleos dos elementos da Tabela Periódica e o elétron.
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Os núcleos têm estrutura?
Os núcleos são compostos por duas partículas: o próton e o neutron.
O próton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918.
O neutron foi descoberto por
Sir James Chadwick, em 1932.
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Com as descobertas do próton e do neutron, os núcleos dos
átomos do hidrogênio e oxigênio passam a ter estrutura:
Núcleo do hidrogênio: H+
1 próton com carga: + 1e
Núcleo do oxigênio: O+8
8 prótons com carga: + 8e
8 neutrons com carga: 0
Na década de 30 as partículas fundamentais conhecidas eram: elétron, próton e neutrons. Apenas 3 tijolos da Natureza.
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Será que apenas essas 3 partículas elementares explicam toda a matéria que temos no Universo? Quais as escalas que temos no universo?
Como observar objetos com tamanhos tão diferentes?
próton nêutronmediadores
1fm=10^(-13)cm
10^(-16)cm
elétron
1fm
Pi,K,w,sigmas,etc..
nano robô 10^(-7)cmfio de cabelo 10^(-3)cm
Big Bang
Universo 156 Bi de anos-luz (1,482.e+24 km ou 1,482e+30cm)
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Física de Altas Energias: estuda as partículas elementares. Temos a possibilidades de criar novas partículas a partir de colisões ou decaimentos.
Partículas estáveis são aquelas que quando livres não decaem em outras partículas.
O neutron é estável? Dentro dos núcleos o neutron é
estável, mas livres eles decaem com vida média de 887s (14,8 minutos). Decaimento do neutron livre:
n→p+e− +νe
que é denominado de decaimento β
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O neutron e o próton têm estrutura? Qual o tamanho deles?
Vejamos a diferença de tamanho (escalas) entre objetos
“pequenos” do nosso dia-a-dia e o tamanho do átomo e o que
está dentro dele:
• diâmetro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4 m
• diâmetro do átomo: 10−10 m
10−14 m
10−15 m
≤ 10−18 m
• diâmetro do núcleo:
• diâmetro do próton:
• diâmetro do elétron:
A nossa experiência do dia-a-dia não nos permite imaginar o que ocorre na escala atômica, nuclear, etc...
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Tamanho do átomo: 10∼ −10 m
Como “ver” os fenômenos atômico e sub-atômicos?
Os primórdios do estudo experimental do átomo:
• Experiência de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909
Bombardeamento de folhas de
ouro por feixes de partículas α
(núcleos do átomo de hélio).
Eles mediram o número
de partículas que mudaram a
direção após a colisão.
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• Câmara de Wilson (câmara de nuvens): 1911
Câmara de vapor d’água
supersaturada. Íons são
núcleos de condensação de
gotículas d’água.
Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Câmara de Wilson para detectar o pósitron (e+), a anti-partícula do elétron:
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• Câmara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em 1952. Uma câmara com líquidos superaquecidos nos quais partículas carregadas deixam bolhas microscópicas.
Donald GlaserEsquema da câmara de bolhas
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Exemplos de placas de emulsão com eventos experimentais, obtidas em Câmaras de Bolhas:
Neutrino: o que não aparece!!!
Decaimento de partículas.
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Nas últimas transparências falamos em outras partículas elementares além do elétron, próton e neutron: pósitron, neutrino, káons, ...
A partir da década de 30 com o advento dos novos aceleradores de partículas, o número de partículas “elementares” cresceu e muito!!!!
Até a década de 60:
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Voltamos à pergunta original: Será que todas essas partículas são elementares? Ou será que elas têm estrutura?
A Física experimental de altas energias continuou detectando novas partículas:
Em 1961 nasce a proposta dos quarks: os prótons e
neutrons são estados ligados de quarks.
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Como classificamos hoje as partículas sub-atômicas?
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Nem toda partícula elementar é estável!!!!
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• Hádrons: em 1961 Murray Gell-Mann e Kazuhiko
Nishijima propuseram o model de quarks.
Murray Gell-Mann Kazuhito Nishijima
Os prótons e neutrons são compostos de quarks:
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• Existem duas classes de hádrons: 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.
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• O Próton não é uma partícula estável.• A idade do Universo é aproximandamente 1017 s ( 15 bilhões de anos)
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Qual é a característica dos Quarks, as novas partículas elementares?
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As partículas elementares de hoje:
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• 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?
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• As Quatro Interações ou 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!
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Começamos procurando todos os
tijolos da Natureza, para descrever
toda a matéria do Universo.
Será que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?
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• Além da Matéria, o que podemos esperar!?• 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 )
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Muito Obrigado!!
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Bibliografia de Apoio:
[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Partículas Elementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418). [2] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Léptons, Glúons, γ, W, Z ...A Matéria Indivisível, Ciência Hoje, vol. 3, no 14 (Setembro/Outubro) (1984) pág. 42. [3] Abrindo o Coração da Matéria, Ciência Ilustrada, Novembro/Dezembro (1982) pág. 58.
Sites interessantes a serem visitados:
[1] http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br
[2] http://www.fnal.gov/pub/about/tour
[3] http://ed.fnal.gov/projects/exhibits/searching
[4] http://hands-on-cern.physto.se