"Do átomo pré-socrático às novas partículas elementares: Uma breve historia da...

"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

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: !

• 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.)

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 ?

• 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:

• 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.

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

A primeira organização dos elementos numa Tabela Periódica foi feita por Dimitri Mendeleiev em 1869.

Tabela Periódica

Tabela Periódica de Mendeliev (1869): 103 átomos !!!!

Tabela Periódica atual:

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?

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”

Em 1910 Ernst Rutherford analisou os

dados experimentais de H. Geiger e

E. Marsden e propôs um novo modelo para o átomo:

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.

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.

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.

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)

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

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...

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.

• 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:

• 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

Exemplos de placas de emulsão com eventos experimentais, obtidas em Câmaras de Bolhas:

Neutrino: o que não aparece!!!

Decaimento de partículas.

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:

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.

Como classificamos hoje as partículas sub-atômicas?

Nem toda partícula elementar é estável!!!!

• 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:

• 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.

• O Próton não é uma partícula estável.• A idade do Universo é aproximandamente 1017 s ( 15 bilhões de anos)

Qual é a característica dos Quarks, as novas partículas elementares?

As partículas elementares de hoje:

• 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?

• 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!

Começamos procurando todos os

tijolos da Natureza, para descrever

toda a matéria do Universo.

Será que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?

• 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 )

Muito Obrigado!!

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