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Hueder Paulo Moisés de Oliveira
hueder.paulo@ufabc.edu.br
BC0102: ESTRUTURA DA MATÉRIA
APRESENTAÇÃO
1
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.
2
Calendário
3
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
21/06
• Comportamento dos gases;
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
8
Média = média simples do aproveitamento provas
Avaliações
Balizador para os Conceitos:
Aproveitamento nas avaliações (%)
A 85 a 100
B 70 a 85
C 50 a 70
D 40 a 50
F < 40
O Reprovado por faltas (> 4 faltas)
9
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
10
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.
11
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...
13
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.
14
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. 15
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.
16
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.
17
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.
18
A Ciência
A ciência consegue estender a compreensão do ser
humano para estruturas extremamente grandes e
pequenas.
19
Método Científico
20
Método Científico
21
Notação Científica
Para conseguir lidar com números muito grandes e muito
pequenos, é conveniente utilizar a notação científica.
10-3 = 0,001
10-2 = 0,01
10-1 = 0,1
100 = 1
101 = 10
102 = 100
103 = 1000
22
Notação Científica
23
Notação Científica
Exercícios
1. Mediram, experimentalmente, o período e o comprimento
de um pêndulo simples, obtendo-se os seguintes resultados:
2
1
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/s2.
2L
Tg
24
Notação Científica
Solução:
2
-1
0,5990 10 cm 59,90cm
59,90cm 100 0,5990m
15,55 10 s 1,555s
2
2
2
2
2
4
4 0,599m
1,555s
9,7797m/s
Lg
T
g
g
25
Notação Científica
Exercícios
2. A dependência da resistência de um resistor metálico com
a temperatura é dada por:
0
1
0
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 ºT C
21,32 10R 26
Viagem do
macrocosmo ao
microcosmo
27
1026 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
28
Nessa distância, nós poderíamos ver toda a Via Láctea e outras
galáxias também
1022 m 10.000.000.000.000.000.000.000 m
dez mil bilhões de bilhões de metros
29
Nosso sol parece bem pequeno
1016 m 10.000.000.000.000.000 m
dez milhões de bilhões de metros
1 ano-luz
30
A Terra aparece pequena
108 m 100.000.000 m
cem milhões de metros
31
Vista típica de um satélite Flórida,EUA
106 m 1.000.000 m = 1.000 Km
mil quilômetros
32
Neste ponto seria possível
pular de pára-quedas
103 m 1.000 m = 1 Km
um quilômetro
33
Vista que temos
quando olhamos
para o chão.
100 m 1 metro
34
Nessa
distância é possível
observar a estrutura da
folha
10-2 m 1 centímetro
35
As células estão
definidas e nós podemos observar a união entre
elas
10-4 m 0,1mm - 100 mícrones
36
O núcleo da célula
começa a ficar vísivel
10-6 m 1 mícron
37
A cadeia de DNA pode ser
visualizada
10-8 m 10 nanômetros
38
Enxergamos as moléculas que
compõem o DNA.
10-9 m 1 nanômetro
39
Enxergamos o átomo de carbono!
10-10 m 1 Angstron
40
Um espaço imenso entre o núcleo e os elétrons. Vê-se o núcleo, pequeno, ao centro.
10-12 m 1.000 férmios
41
Enxergamos com clareza o
núcleo do átomo de carbono.
10-14 m 10 férmios
42
Examinando os quarks.
Limite atual do nosso conhecimento
10-16 m 0,1 fermi – 100 attometros
43
1026 m 10-16 m
42 ordens de magnitude!
44
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”.
46
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 ?
47
48
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
49
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.
50
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.
51
SI
Unidades
SI de
base
Unidades
SI
derivadas
Unidades SI
suplementares
Sistema corente
Grandezas, Unidades e Sistemas de Unidades
52
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
53
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
54
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/m2)
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
55
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
56
Crédito de imagem: www.nasa.gov
Origem da Matéria
De onde vieram os elementos químicos?
57
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
58
Nucleossíntese Primordial e Nucleossíntese Estelar
59
Nucleossíntese Estelar
60
Nucleossíntese Estelar
61
Abundância dos Elementos Químicos no Universo
Crédito de imagem: http://chandra.harvard.edu/xray_astro/chemistry.html
+70%
62
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
63
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
64
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.)
65
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.)
66
“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)
67
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
68
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)
69
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)
70
Partículas Elementares
Partículas Elementares
71
LHC
4 interações juntas
10-43 s: gravitacional se separa 10-36 s: forte se separa
10-10 s: fraca e eletromagnética se separam 72
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
73
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
74
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
75
Partículas Elementares
76
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
77
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
78
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
79
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
80
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
81
GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)
PUXÕES
EMPURRÕES
ATRITO
.....
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
interações de contato
interações de campo
FORÇAS
ELÉTRICAS
FORÇAS
MAGNÉTICAS
Forças Elementares
82
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
83
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
84
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
85
FORÇAS DE CONTATO não
são mais que o produto das
interações eletromagnéticas
entre os átomos da superfície
dos materiais
FORÇAS COMO
PUXÕES
EMPURRÕES
ATRITO
....
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
86
GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS FORÇAS (INTERAÇÕES)
PUXÕES
EMPURRÕES
ATRITO
.....
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
interações de contato
interações de campo
LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES
INTERAÇÃO GRAVITACIONAL
INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA
Forças Elementares
87
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
88
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
89
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
90
Interações Fundamentais: As Quatro Forças
91
Interações Fundamentais: As Quatro Forças
92
(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
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Interações Fundamentais: As Quatro Forças
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Interações Fundamentais: As Quatro Forças
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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. 96
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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 = mc2
Modelo atômico moderno
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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
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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
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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?
Modelo atômico moderno
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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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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"????
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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?
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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?
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Diferentes interações, suas partículas transportadoras de
força e em que partículas elas atuam:
Como a Matéria Interage?
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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 )
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Referências
http://www.cepa.if.usp.br/aventuradasparticulas/index.html
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