Estrutura da Matéria Qui 9 Ano

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ESCOLA NOVA CRIANÇA E CIA MONTE SANTO DE MINAS - MG

QUÍMICA – 9º ANO - EF

Prof. Mestre Otávio Luciano Camargo Sales de Magalhães junho de 2015

Do site: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/index.html

Não é de hoje que as pessoas perguntam:

"Do que o mundo é feito?"

e

"O que o mantém unido?"

Questão: Qual é o nome desta estátua e quem a esculpiu?

Do que o Mundo é Feito?

Por que tantas coisas neste mundo compartilham as mesmas características?

As pessoas concluíram que a matéria que compõe o mundo é na verdade um conglomerado de alguns blocos fundamentais de construção da natureza.

A palavra "fundamental" é a chave aqui. Entendemos por blocos fundamentais de construção objetos que são simples e sem estrutura -- não são constituídos por nada menor.

Mesmo na Antigüidade, as pessoas procuravam organizar o mundo ao seu redor em

elementos fundamentais, como terra, ar, fogo e água.

Pergunta fácil: Quem foi o primeiro a identificar os elementos fundamentais como terra, ar, fogo e água?

Resposta: O pensador grego Empédocles foi o primeiro a classificar os elementos como fogo, ar, terra e água, embora nosso diagrama seja em homenagem à classificação de Aristóteles.

Você sabia?

Os chineses na Antigüidade acreditavam que os cinco componentes básicos (em Pinyin, Wu Xing) do universo físico eram terra, madeira, metal, fogo e água. E, na Índia, o Samkhya-karikas de Ishvarakrsna (c. terceiro século D.C.) afirmava que os cinco elementos básicos eram o espaço, ar, fogo, água e terra.

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Por definição há cor, Por definição há doce, Por definição há amargo,

Mas na realidade há átomos e espaço. -Demócrito (c. 400 AC)

Por volta de 1900, as pessoas pensavam nos átomos como bolas permeáveis com pequenas quantidades de carga elétrica vibrando internamente.

Mas o átomo é fundamental?

As pessoas logo perceberam que poderiam classificar os átomos em grupos que compartilham propriedades químicas similares (como na Tabela Periódica dos Elementos). Isso indicava que os átomos eram compostos de simples blocos de construção, e que esses blocos em diferentes combinações é que determinavam quais átomos teriam quais propriedades químicas.

Além disso, experimentos que "olharam" o interior de um átomo usando sondas de partículas indicaram que os átomos tinham estrutura e que não eram somente bolas permeáveis. Esses experimentos ajudaram os cientistas a determinar que os átomos têm um minúsculo núcleo denso, positivo e uma nuvem de elétrons negativos (e-_).

Pergunta Fácil: O termo "átomo" é uma expressão errada. Por que? Resposta:

Em grego a palavra átomo ("atomon") significa "que não pode ser dividido". Mas as entidades que nós chamamos de átomos são feitas de partículas mais fundamentais!

O Núcleo é Fundamental?

Por parecer pequeno, sólido e denso, os cientistas pensaram originalmente que o núcleo era fundamental. Mais tarde, descobriram que ele era feito de prótons (p), que são carregados positivamente, e nêutrons (n), que não têm carga.

E então, os prótons e os nêutrons são fundamentais?

Os físicos descobriram que os prótons e os nêutrons são compostos de partículas ainda menores, chamadas quarks.

Até onde sabemos, os quarks são como os pontos na geometria. Eles não são compostos de nada mais.

Depois de testar extensivamente essa teoria, os cientistas agora suspeitam que os quarks e o elétron (e algumas outras coisas que veremos logo, logo) são fundamentais.

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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.

Esta figura está bastante distorcida. Se fossemos desenhar o átomo

em escala e fizéssemos os 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!

Ao mesmo tempo que um átomo é pequeno, o núcleo é dez mil

vezes menor que o átomo, e os quarks e elétrons são pelo menos dez

vezes menores que eles. Não sabemos exatamente quão menores os

quarks e elétrons são; eles são definitivamente menores quae

10-18_{metros, e podem ser} _{literalmente pontos, mas nós}

não sabemos com certeza.

Também é possível que os quarks e os elétrons não sejam

fundamentais de fato, e eventualmente acabem sendo

constituídos de outras partículas mais fundamentais. (Oh céus, será

que nunca termina essa loucura?)

Os físicos constantemente procuram novas partículas. Quando as encontram, eles as classificam e tentam achar padrões universais que dizem sobre como os blocos fundamentais de construção do universo interagem.

Nós já descobrimos, até agora, por volta de duzentas partículas (a maioria delas não é fundamental). Para não perdermos de vista todas essas

partículas, nós as representamos com as letras dos alfabetos grego e romano.

É claro que os nomes das partículas são apenas uma pequena parte de qualquer teoria física. Você não deve se desencorajar se tiver dificuldade para lembrá-los. Saiba que até o grande Enrico Fermi uma vez disse a seu estudante (e futuro Prêmio Nobel) Leon Lederman,

"Jovem, se eu conseguisse lembrar os nomes dessas partículas, teria sido um botânico!" Os físicos desenvolveram uma teoria chamada O Modelo Padrão, que 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. Nós iremos falar sobre os léptons algumas páginas adiante.

 Partículas transportadoras de força, como o fóton. Falaremos a respeito dessas estranhas partículas logo,

logo.

Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.

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O Modelo Padrão é uma boa teoria. Experimentos têm confirmado suas previsões com uma precisão incrível, e todas as partículas previstas por essa teoria já foram encontradas. Contudo, ele não explica tudo. Por exemplo, a gravidade não está incluída no Modelo Padrão.

Este site irá explorar o Modelo Padrão em maiores detalhes e irá descrever as técnicas experimentais que nos deram os dados para apoiar essa teoria. Também iremos explorar questões intrigantes que ficam fora do nosso entendimento comum de como o universo funciona.

Pergunta:

De quantas partículas fundamentais são feitas as centenas de partículas?

Resposta 6 quarks, 6 léptons, 6 antiquarks, 6 antiléptons, e os transportadores de força. Pergunta Fácil:

Há quanto tempo os físicos já sabem que existem prótons, nêutrons, elétrons e fótons? 5, 25, 60, 100 anos?

Resposta 60 anos! Nos anos 30, os físicos descobriram neutrinos e múons, contudo mais algumas centenas foram descobertas com o auxílio de aceleradores de alta energia nos anos 60 e 70.

Do que o Mundo é Feito? : Quarks e Léptons

Como você já leu, tudo, desde galáxias até montanhas e moléculas, são feitas de quarks e léptons. Mas essa não é a história toda. Quarks comportam-se

diferentemente dos léptons, e para cada tipo de partícula de matéria há uma partícula de antimatéria correspondente.

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

As antipartículas parecem-se e comportam-se como 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, porque a gravidade não é uma propriedade ligada à carga. Uma partícula de matéria tem também a mesma massa de uma antipartícula.

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

Mais devagar! "Antimatéria?" "Pura Energia?" O que é isso, Star Trek?

A idéia de antimatéria é estranha, ainda mais porque o universo todo parece ser inteiramente composto de matéria. Essa idéia parece ir contra tudo que nós sabemos sobre o universo.

Mas você pode comprovar a existência de antimatéria nesta foto recente da 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 como que vindos do nada mas, na verdade, eles surgem de fótons que não deixam uma trajetória na foto. Os pósitrons (anti-elétrons) comportam-se exatamente como os elétrons, mas fazem a curva para o lado oposto porque eles possuem carga oposta à dos elétrons (em destaque um par elétron-pósitron).

Se a antimatéria e a matéria são exatamente iguais, mas opostas, então por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo?

Bem... nós não sabemos. Essa é uma pergunta que tira o sono dos físicos.

Essa imagem é uma cortesia do Fermilab

(O símbolo usual para uma antipartícula é uma barra acima do símbolo correspondente. Por exemplo, o "quark up" u tem um "antiquark up" designado por (pronunciamos u-barra). A antipartícula de um quark é um antiquark, a antipartícula de um próton é um antipróton, e assim por diante. A única exceção é que um antielétron é chamado de pósitron e é representado por e+_.)

Para se descobrir coisas sobre as partículas, os físicos medem sua carga e momento. Para tanto, eles

observam colisões de partículas sujeitas a campos magnéticos intensos, porque diferentes tipos de partículas se comportam diferentemente em um campo magnético dependendo de sua carga e de seu momento. Por outro lado, os sinais das partículas carregadas podem facilmente ser lidos a partir

de suas trajetórias, já que elas se curvam para direções opostas.

Ainda mais, o momento das partículas pode ser calculado facilmente porque a trajetória da partícula com maior momento se curva menos do que aquela com menor

momento.

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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 e top/bottom. (para cada um desses quarks, existe um antiquark correspondente.) Alegre-se porque os quarks têm nomes tolos --

assim fica fácil lembrá-los!

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. Os quarks também transportam outro tipo de carga, denominada carga de cor, que discutiremos mais tarde.

O quark mais difícil de ser encontrado, o quark top, foi descoberto em 1995 depois de ter sido previsto teoricamente por 20 anos.

Querem ver a idéia que os físicos de partículas têm de duplo sentido?

ssim como elefantes sociáveis, os quarks existem somente em grupos e nunca são encontrados sozinhos. Partículas compostas por quarks são denominadas

Embora os quarks individuais tenham cargas elétricas fracionárias, eles se combinam de tal maneira que os hádrons possuem uma rede de cargas elétricas inteiras. Outra propriedade dos hádrons é que eles não possuem carga de cor, embora os quarks possuam por si mesmos carga de cor (falaremos disso mais tarde). Existem duas classes de hádrons:

...são hádrons compostos por três quarks (qqq).

Como os prótons são constituídos por dois quarks up e um quark down (uud), eles são bárions. E assim também são os nêutrons (udd).

...são os que contêm um quark (q) e um antiquark ( ).

Um exemplo de méson é o píon ( +), que é composto por um quark up e um antiquark down . As antipartículas de um méson têm seus quarks e antiquarks trocados; assim, um antipíon ( -) é composto por um quark down e um antiquark up.

Como os mésons são constituídos por uma partícula e uma antipartícula, eles são bastante instáveis. O méson kaon (K-) vive mais tempo do que a maioria dos mésons e é, por isso, que ele é denominado "estranho" e quem lhe deu esse nome ao quark estranho, foi um de seus componentes.

Uma coisa bem estranha sobre os hádrons é que somente uma pequeníssima parte da massa de um hádron é devida à existência de quarks nele.

Outro tipo de partículas de matéria são os 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 (e-). Os outros dois léptons são o múon ( ) e o tau ( ), que são carregados como os elétrons, mas têm muito mais massa. Os outros léptons são os três tipos de neutrinos ( ). Eles não possuem carga, têm massa pequena e são difíceis de serem encontrados.

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Os quarks são sociáveis e existem apenas em partículas compostas com outros quarks, ao passo que os léptons são partículas solitárias. Pense nos léptons carregados como gatos independentes com pulgas, que são os neutrinos, os quais são muito difíceis de serem vistos.

Para cada lépton há um antilépton. Note que o anti-elétron tem um nome especial, o "pósitron".

Pergunta simples: Em grego, lépton significa "massa pequena", mas esse é um nome errado. Por que? [Resposta]

Do que o Mundo é Feito? : Decaimento dos Léptons

Os léptons mais pesados, o múon e o tau, não são encontrados em toda matéria. Isso porque quando são produzidos, eles decaem muito rapidamente, ou transformam-se em léptons mais leves, e às vezes o tau pode decair em quarks, antiquarks e um neutrino. Os elétrons e as três espécies de neutrinos são estáveis e, por isso, são os tipos mais encontrados ao nosso redor.

Quando um lépton pesado decai, uma das partículas na qual ele decai é sempre seu neutrino correspondente. As outras partículas poderão ser um quark e seu antiquark, ou outro lépton e seu antineutrino.

Os físicos têm observado que alguns tipos de decaimentos de léptons são possíveis e outros não. Para explicar esse fato, eles os dividiram em três famílias de léptons: o elétron e seu neutrino, o múon e seu neutrino e o tau e seu neutrino. O número total de membros da família deve sempre permanecer constante em um decaimento.

Mesmo que os léptons sejam solitários, eles são sempre leais às suas famílias!

Neutrinos são, como já dissemos, um tipo de lépton. Como eles não têm carga forte ou elétrica quase nunca interagem com quaisquer outras partículas. A maioria dos neutrinos passa direto através da terra sem ter sequer interagido com um único átomo dela.

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Neutrinos são produzidos por uma variedade de interações, especialmente em decaimentos de partículas. De fato, foi através de um estudo cuidadoso de decaimento radioativo que os físicos hipotetizaram a existência do neutrino.

Por exemplo: (1) Em um núcleo radioativo, um nêutron em repouso (momento zero) decai, liberando um próton e um elétron. (2) Por causa da lei de conservação do momento, o produto resultante de um decaimento deve ter um momento total zero, que o próton e elétron observados claramente não têm. (3) Portanto, podemos concluir a presença de outras partículas com um momento apropriado para balancear o evento. (4) Foi suposto que um antineutrino foi liberado e as experiências

confirmaram que isso é o que realmente acontece. 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.

Perguntas:

Do que são feitos os prótons?

Resposta

Prótons são feitos de dois quarks up e um quark down, expressos como uud. Do que são feitos os elétrons?

Resposta

De nada! Elétrons são, até onde sabemos, fundamentais.

Quais dos objetos seguintes são constituídos por quarks? Bárions?

Resposta

Sim, eles são constituídos por três quarks unidos. Mésons?

Resposta

Sim, eles são constituídos por um quark e um antiquark. Barões?

Resposta

Sim, até mesmo os membros da nobreza inglesa são constituídos por quarks.

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Note que tanto quarks quanto léptons existem em 3 grupos distintos. Nós chamamos cada um desses grupos de geração de partículas de matéria. Uma geração contém um exemplar de quarks e léptons de cada tipo de carga. Cada nova geração tende a ser mais pesada que a anterior.

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.

Espere um minuto. 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?

Boa pergunta. De fato, quando o múon foi descoberto, o físico I.I. Rabi perguntou,

Então por que temos gerações de matéria? Por que três delas? Nós não sabemos. E sem entender porque as partículas de segunda e terceira geração existem, não podemos descartar a possibilidade de haver mais quarks e léptons, com massas ainda maiores, que nós ainda não descobrimos. Ou talvez a resposta seja que os quarks e léptons não são fundamentais, mas são compostos de outras partículas ainda mais elementares, que juntas formariam os quarks.

Então agora nós sabemos do que o mundo é feito. As partículas mais fundamentais da matéria são os seis quarks e os seis léptons.

Bem, é um pouco mais complicado do que isso. Há uma partícula de antimatéria para cada partícula de matéria. E lembre-se de que nós nunca iremos encontrar quarks isolados, apenas os observamos em partículas compostas denominadas hádrons.

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ESCOLA NOVA CRIANÇA E CIA MONTE SANTO DE MINAS - MG

QUÍMICA – 9º ANO - EF

Prof. Mestre Otávio Luciano Camargo Sales de Magalhães junho de 2015

LISTA 4 – QUÍMICA – 2º BIMESTRE

1) Na antiguidade Grega quais eram os quatro elementos fundamentais? 2) Quem foi o primeiro pensador a identificar os quatro elementos?

3) Como chineses e hindus a antiguidade entendiam os elementos fundamentais? 4) a)Quem foi o primeiro filósofo a dizer a palavra átomo? ____________________ b) O que a palavra significa?_____________________________

c) Por que está errada a palavra?__________________________________ 5)Até 1900 como as pessoas entendiam ser o átomo?

6) Mendeleiév organizou os elementos numa tabela, aperfeiçoada hoje para uma tabela chamada ____________________, que tem como objetivo classificar os átomos em grupos que compartilham _________________________.

7) Escreva a palavra átomo em grego e dê o nome às letras gregas que o compõe.

8) a) Os prótons e nêutrons são elementos fundamentais? _______ b) Justifique:_______________________________________________ c) Do que são compostos prótons e nêutrons?_____________

d) Os quarks são fundamentais?_________________________ e) Os elétrons são elementos fundamentais?____________________ f) Elementos fundamentais são divisíveis?________________________

9)Qual é o tamanho de um elétron em relação ao átomo? Faça um exemplo comparativo.

10) É verdade que quase todo o átomo é composto de espaço vazio? Explique.

11) a) Quantas partículas sub-atômicas são conhecidas aproximadamente?_______________ b) Como normalmente são denominadas essas partículas?______________________________

c) O que Enrico Fermi disse ao seu aluno quando perguntou se ele conhecia o nome de todas partículas? _______________________________________________________

d) Explique a brincadeira de Fermi._____________________________________________ 12) Qual é o atual MODELO PADRÃO da Matéria?

13) a) O elétron é um tipo de _____________.

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14) Em que década foram descobertos os neutrinos e múons? 15) Do que o mundo é feito, segundo a Teoria da Matéria? 16) O que é antimatéria?

17) O que acontece quando encontramos uma matéria com uma antimatéria correspondente? 18) Como se pode comprovar a existência da anti-matéria?

19) Quais são os seis tipos de Quarks. Escreva os nomes.

20) Qual foi o Quark mais difícil de ser encontrado e quando ele foi encontrado? 21) Como se chamam partículas compostas por Quarks?

22) É verdade que prótons e nêutrons são Hadrons? Justifique.

23) O que são:

a) Bárions:____________________________________________ b) Mésons:_______________________________________________ 24) Do que é composto um:

a) méson píon?____________________________ b) antiméson píon?____________________ b) méson kaon?___________________________ c) proton?____________________________ e) neutron?______________________________

25) Quais são os tipos de léptons?

26)Corresponda os léptons com seus anti-léptons.

27) O que é um neutrino? Fale um pouco sobre ele.

28) Como são produzidos os neutrinos?

29) Escreva a 1ª, 2ª e 3ª gerações de partículas.

30)No último dia 22/9/2011 foi publicado um artigo que um neutrino teria superado a velocidade da Luz. Faça um resumo do artigo oferecido no material e da resposta do Físico Marcelo Gleiser. Vamos fazer perguntas sobre os textos na próxima aula.

1) Na antiguidade Grega quais eram os quatro elementos fundamentais? 2) Quem foi o primeiro pensador a identificar os quatro elementos?

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