ESTRUTURA DA MATÉRIA APRESENTAÇÃO

(1)

BC0102 Estrutura da Matéria

ESTRUTURA DA MATÉRIA

APRESENTAÇÃO

Janaina de Souza Garcia

(2)

INTRODUÇÃO

Por exemplo...

Por que existe uma “mancha

clara”, de formato alongado,

no céu?

Do que ela é feita?

Como surgiu?

BC0102 –Estrutura da Matéria

(3)

INTRODUÇÃO

Esta mancha chama-_{se “Via}-_{Láctea”, e existiram muitas} explicações para sua origem.

Jacopo Tintoretto:

"A Origem da Via-Láctea"

Os gregos, por exemplo,

acreditavam que Zeus havia oferecido, a um de seus

filhos bastardos, o leite de sua esposa, a deusa Hera.

Ao perceber que

(4)

INTRODUÇÃO

Hoje temos uma

explicação diferente... Aprendemos que o sol é apenas uma entre uma infinidade de estrelas, que se aglomeram em grupos que chamamos

“galáxias”.

Encontramo-nos dentro de uma galáxia em forma

de disco, e a “faixa

iluminada” que vemos no

(5)

INTRODUÇÃO

Segundo algumas crenças antigas chinesas, nos primórdios do mundo o céu estava dividido em muitos pedaços e não

cobria a Terra. A deusa Nüwa moldou tijolos de argila de cinco cores diferentes e com eles preencheu as rachaduras do céu. Depois, apoiou o céu sobre a Terra, usando as quatro patas de uma tartaruga gigante.

O arco-íris é, portanto, uma rachadura no céu, preenchida pelos tijolos coloridos de Nüwa.

(6)

INTRODUÇÃO

Outra pergunta: o que é um arco-íris?

Hoje, aprendemos que as propriedades de propagação da luz em gotículas de água suspensas na atmosfera são

(7)

INTRODUÇÃO

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.

A CIÊNCIA é uma forma de abordar estas perguntas, contudo, que

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.

Existem muitas perguntas que são tão simpes que podem nascer da curiosidade de uma criança, mas cujas respostas são extraordinárias...

 Do que os diferentes objetos e materiais ao nosso redor são feitos?  Como surgiu o mundo?

(8)

INTRODUÇÃO

A CIÊNCIA nasce de uma das

características mais fundamentais do espírito humano: a CURIOSIDADE.

Este é o primeiro e o fundamental motivo que nos leva a fazer ciência.

Além disso, para nossa sorte, fazer ciência também é muito ÚTIL. Ela

(9)

INTRODUÇÃO

Para atender aos critérios de objetividade, clareza e precisão, a MATEMÁTICA

tornou-se uma ferramenta básica da CIÊNCIA.

A MATEMÁTICA é a linguagem mais adequada para escrever muitas das respostas encontradas pela ciência.

Galileu Galilei (1564-1642)

(10)

INTRODUÇÃO

A ciência permite ao conhecimento humano ultrapassar seus próprios limites físicos.

3,5 Kg

40 cm

70 Kg

170 cm

20 x

4 x

(11)

NOTAÇÃO CIENTÍFICA

_{= 0,00007456 x 1000}

= 0000,07456

= 0,07456

7456 x 10

-3

_{= 7456 x 0,001}

= 7,456

27836463,34934893789 x 10

n

n casas para a direita se n é positivo

n casas para a esquerda se n é negativo

0,00000000000000000003435 m= 3,435 x 10

-20

_m

(12)

NOTAÇÃO CIENTÍFICA

1 cm = 0,01 m = 10-2 _m

1 kg = 1000 g = 103 _g

1 GeV =

= 1.000.000.000 eV = 109 _eV

1 nm =

(13)

Viagem do

(14)

10

26

_m

Limites do universo

observável

100.000.000.000.000.000.000.000.000 m

(15)

10

23

_m

Nossa galáxia, vista de

muito longe!

(16)

Nessa distância,

nós poderíamos

ver toda a Via

Láctea e outras

galáxias também

(17)

Estamos

entrando na

periferia da

nossa galáxia

(Via Láctea)

(18)

Nada além

de estrelas e

nebulosas

(19)

Nosso sol

parece bem

pequeno

10

16

_m

10.000.000.000.000.000 m

(20)

O sistema

solar começa

a aparecer

10

14

_m

100.000.000.000.000 m

(21)

Nesse pontos

nós

poderíamos

ver o

sistema solar e

(26)

A Terra

aparece

pequena

10

8

_m

100.000.000 m

(27)

O hemisfério

Norte e

parte do

hemisfério

Sul

10

7

_m

10.000.000 m

(28)

Vista típica de

um satélite

Flórida,EUA

(29)

Estado da

Flórida mais

perto

(30)

Altura de

cruzeiro de

um avião a

jato

comercial.

(31)

Neste ponto

seria possível

saltar de

pára-quedas

(32)

Vista de um

prédio de

cerca de

trinta

andares.

10

2

_m

–

(33)

Podemos ver

as folhas da

árvores .

(34)

Vista que

temos

quando

olhamos

para o chão.

10

0

As células

estão

definidas e

nós podemos

observar a

união entre

elas

10

-4

_m

–

(39)

Vamos

começar

nossa viagem

dentro das

células

10

-5

_m

–

(40)

O núcleo da

célula

começa a

ficar vísivel

10

-6

_m

–

(41)

AVISO AOS NAVEGANTES

“A Traição das Imagens”,

René Magritte, 1928

(42)

Agora podemos

ver os

cromossomos

dentro do núcleo

celular.

10

-7

_m

–

(43)

A cadeia de

DNA pode ser

visualizada

10

-8

_m

–

(44)

Enxergamos as

moléculas que

compõem o

DNA.

10

-9

_m

–

(45)

Enxergamos o

átomo de

cárbono!

10

-10

_m

–

(46)

Um espaço

imenso entre o

núcleo e os

elétrons.

Vê-se o núcleo,

pequeno, ao

centro.

10

-12

_m

–

(47)

Enxergamos

com clareza o

núcleo do

átomo de

carbono.

10

-14

_m

–

(48)

Estamos face

a face com o

próton e o

nêutron

10

-15

_m

–

(49)

Examinando os

quarks.

Limite atual do

nosso

conhecimento

10

-16

_m

–

(50)

INTRODUÇÃO

10

26 _m

₁₀

_-16

_m

(51)

INTRODUÇÃO

Neste curso, vamos mostrar um pouco da resposta que a ciência forneceu a duas perguntas:

•Do que tudo é feito?

* Por que a matéria do mundo se organiza da forma como ela se organiza?

Estas respostas não são simples. A humanidade levou séculos para desenvolvê-las, desde suas primeiras idéias de sucesso até os detalhes que conhecemos hoje.

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.

PARTÍCULAS ELEMENTARES

(52)

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

(53)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

(54)

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 BC0102 –Estrutura da Matéria

(55)

DETETORES DE PARTÍCULAS

(56)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

(57)

ESTADO FINAL

ESTADO INICIAL

(58)

 Colisões entre partículas quânticas são diferentes do

que acontece no mundo macroscópico:

(59)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

Experimentos mostraram um zoológico de partículas que podem ser criadas em determinadas condições mas que não existem normalmente na natureza.

quark up

quark down

neutrino do elétron

elétron

quark charm

quark strange

neutrino do múon

múon

quark top

quark botton

neutrino do tau

(60)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

quarks UP e DOWN (~1960)

constituintes de protons e neutrons

O neutrino (~1930) tem carga zero e massa

praticamente zero. Foi postulado por Pauli para preservar a conservação de energia em certas reações nuclares (decaimento Beta)

elétron (~1897)

(61)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

 Não existem partículas formadas por um único quark e até o momento não temos evidência de hádrons compostos por mais de 3 quarks.

 Os quarks da primeira família (up e down) são os que compõem os núcleos atômicos no universo. Os demais formam partículas

instáveis, que existiram em instantes iniciais do universo, e que hojem são criadas no interior de aceleradores de partículas.

BÁRIONS (do grego Baros = pesado) Partículas formadas por três quarks.

Exemplos: próton (uud) e neutron (udd)

MÉSONS (do grego Meso = meio)

Partículas formadas por dois quarks (na verdade, um quark e um antiquark).

Exemplos: p- (píon - _{dū) e K+ (káons –} us)

(62)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

BÁRIONS (do grego Baros = pesado) Partículas formadas por três quarks.

Exemplos: próton (uud) e neutron (udd)

MÉSONS (do grego Meso = meio)

Partículas formadas por dois quarks (na verdade, um quark e um antiquark).

Exemplos: p- (píon - _{dū) e K+ (káons –} us)

O píon foi descoberto em 1947 por César

Lattes, físico brasileiro nascido em Curitiba, e um dos pioneiros da física brasileira.

(63)

PARTÍCULAS ELEMENTARES

As demais partículas elementares da tabela são chamadas de léptons. Todas são partículas elementares (indivisíveis).

quark up

quark down

neutrino do elétron

elétron

quark charme

quark estranho

neutrino do múon

múon

quark topo

quark fundo

neutrino do tau

(64)

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

(65)

A maior parte das interações (forças) que vemos

no dia-a-dia exigem um contato direto entre os corpos envolvidos.

FORÇAS ELEMENTARES

Algumas forças, contudo, agem mesmo que não Haja contato direto entre os dois corpos

Envolvidos.

(66)

INTERAÇÕES DE CONTATO

INTERAÇÕES MEDIADAS POR UM CAMPO

FORÇAS ELEMENTARES

(67)

GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)

 PUXÕES

 EMPURRÕES  ATRITO

 ...

 INTERAÇÃO GRAVITACIONAL

interações de contato

 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.

(71)

FORÇAS DE CONTATO

não

são mais que o produto das

interações

eletromagnéticas

entre os átomos da superfície

só “funcionam” dentro do núcleo

atômico.

(74)

FORÇAS ELEMENTARES

Nós não podemos contar com o núcleo mantido unido apenas pela força eletromagnética. O que mais poderia ser? Gravidade? Não! A força

gravitacional é de fraca demais para exceder a força eletromagnética.

O núcleo é formado de prótons e nêutrons. Os nêutrons tem carga nula os prótons tem carga positiva e se repelem uns aos outros. Por que então o núcleo não explode ?

A força nuclear forte é responsável por

“colar” os quarks formando prótons e

neutrons, e também pela força de atração que mantêm os prótons e neutrons juntos no núcleo.

(75)

FORÇAS ELEMENTARES

Toda máteria estável no universo é composta por quarks mais leves (up e down) e pelo elétron que é o lépton carregado mais leve.

Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e léptons pesados em quarks e léptons mais leves.

Quando partículas fundamentais decaem observamos seu

desaparecimento e sua substituição por duas ou mais partículas diferentes.

Decaimento beta: um neutron transforma-se num próton, liberando um elétron e um neutrino.

(76)

LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES

 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.

FORÇAS ELEMENTARES

(77)

INFORMAÇÕES

Página global da Disciplina (listas, informações de monitoria, etc...)

https://sites.google.com/site/bc01022011/

Página do Professor (aulas, cronograma das provas, avisos)

http://www.sites.google.com/site/janainasouzagarcia/

 Listas de exercícios unificadas, disponíveis na página global da disciplina  Monitoria