BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA APRESENTAÇÃO. Hueder Paulo Moisés de Oliveira.

Hueder Paulo Moisés de Oliveira

hueder.paulo@ufabc.edu.br

BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA

APRESENTAÇÃO

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.

Calendário

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

Calendário

Semana Aulas expositivas 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

Semana Aulas expositivas 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

Semana Aulas expositivas 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

Média = média simples do aproveitamento provas

Avaliações

Balizador para os Conceitos:

Aproveitamento nas avaliações

(%)

A

B

C

D

F

O

Informações sobre a Disciplina

Assistente pedagógica: Maria Cecília Oliveira

Facebook: mariacecilia.oliveira.56

Email:

cissa_15oliveira@hotmail.com

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

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.

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...

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.

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.

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.

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.

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.

A Ciência

A ciência consegue estender a compreensão do ser

humano

para

estruturas

extremamente

grandes

e

pequenas.

Método Científico

Método Científico

Notação Científica

Para conseguir lidar com números muito grandes e muito

pequenos, é conveniente utilizar a notação científica.

10

= 0,001

10

= 0,01

10

= 0,1

10

= 1

10

= 10

10

= 100

10

= 1000

Notação Científica

Notação Científica

Exercícios

1. Mediram, experimentalmente, o período e o comprimento

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









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/s

_.

2

L

T

g





Notação Científica

Solução:

0,5990 10 cm 59,90cm

59,90cm 100 0,5990m

15,55 10 s 1,555s

















4

4

0,599m

1,555s

9,7797m/s

L

g

T

g

g













Notação Científica

Exercícios

2. A dependência da resistência de um resistor metálico com

a temperatura é dada por:













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 º



T

C

 



1,32 10

R







Viagem do

macrocosmo ao

microcosmo

10

26

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

Nessa distância,

nós poderíamos

ver toda a Via

Láctea e outras

galáxias também

10

22

m

10.000.000.000.000.000.000.000 m dez mil bilhões de bilhões de metros

Nosso sol

parece bem

pequeno

10

16

m

10.000.000.000.000.000 m

dez milhões de bilhões de metros 1 ano-luz

A Terra

aparece

pequena

10

8

m

100.000.000 m

cem milhões de metros

Vista típica de

um satélite

Flórida,EUA

10

6

m

Neste ponto

seria possível

pular de

pára-quedas

10

3

m

Vista que

temos

quando

olhamos

para o chão.

10

0

m

1 metro

Nessa

distância é

possível

observar a

estrutura da

folha

10

-2

m

1 centímetro

As células

estão

definidas e

nós podemos

observar a

união entre

elas

10

-4

m

0,1mm - 100 mícrones

O núcleo da

célula

começa a

ficar vísivel

10

-6

m

1 mícron

A cadeia de

DNA pode ser

visualizada

10

-8

m

10 nanômetros

Enxergamos as

moléculas que

compõem o

DNA.

10

-9

m

1 nanômetro

Enxergamos o

átomo de

carbono!

10

-10

m

1 Angstron

Um espaço

imenso entre o

núcleo e os

elétrons.

Vê-se o núcleo,

pequeno, ao

centro.

10

-12

m

1.000 férmios

Enxergamos

com clareza o

núcleo do

átomo de

carbono.

10

-14

m

10 férmios

Examinando os

quarks.

Limite atual do

nosso

conhecimento

10

-16

m

0,1 fermi – 100 attometros

10

26

m

10

-16

m

42 ordens de magnitude!

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”.

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 ?

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

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.

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.

SI Unidades SI de base Unidades SI derivadas Unidades SI suplementares Sistema corente

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

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.

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

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

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

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/m}2₎ Energia joule J m2 _{kg s}-2 _{(= N m)} Potência watt W m2 _{kg s}-3 _{(= J/s)}

Carga elétrica coulomb C s A

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

Unidades SI suplementares

Grandeza Unidade Símbolo

Ângulo plano Radiano rad

Ângulo sólido Esterradiano sr

Por serem grandezas derivadas adimensionais, as unidades podem ser omitidas.

Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades

Crédito de imagem: www.nasa.gov

Origem da Matéria

De onde vieram os elementos químicos?

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

Nucleossíntese Primordial e Nucleossíntese Estelar

Nucleossíntese Estelar

Nucleossíntese Estelar

Abundância dos Elementos Químicos no Universo

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

+70%

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

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

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.)

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.)

“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)

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

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)

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)

Partículas Elementares

Partículas Elementares

LHC

4 interações juntas

10-43 _{s: gravitacional se separa}

10-36 _{s: forte se separa}

10-10 _{s: fraca e eletromagnética se separam}

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

Partículas Elementares

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

Partículas Elementares

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

Partículas Elementares

Partículas Elementares

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 ().

Partículas Elementares

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/

Partículas Elementares

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.

Partículas Elementares

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

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

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

Forças Elementares

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)  PUXÕES  EMPURRÕES  ATRITO  ...  INTERAÇÃO GRAVITACIONAL  INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA interações de contato interações de campo

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

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

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

FORÇAS DE CONTATO não

são mais que o produto das

interações eletromagnéticas

entre os átomos da superfície

dos materiais

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

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

 INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

 INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Forças Elementares

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

LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

 INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

 INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA  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

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

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

(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.

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

Interações Fundamentais: As Quatro Forças

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.

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.

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.

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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!

Modelo atômico moderno

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

Modelo atômico moderno

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.)

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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

Modelo atômico moderno

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 = mc

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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.

Modelo atômico moderno

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?

Modelo atômico moderno

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!

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"

????

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

acontece

para as partículas. "É uma coisa que é trocada

entre duas partículas".

Como a Matéria Interage?

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.

Como a Matéria Interage?

Diferentes interações, suas partículas transportadoras de

força e em que partículas elas atuam:

Como a Matéria Interage?

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 )

Referências

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