Física Moderna: perspectiva histórica
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Física Moderna: perspectiva histórica
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Física Moderna: partículas e interações
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Classificação das partículas elementares
O modelo atualmente aceito pela comunidade científica
para descrever a estrutura da matéria (baseado nas leis da física
quântica) é denominado Modelo Padrão. De acordo com este
modelo, todas as partículas conhecidas pertencem a uma das duas
“famílias”: férmions ou bósons.
Os férmions são as partículas que constituem toda a
matéria que conhecemos. Correspondem aos quarks (que por sua
vez formam os prótons e nêutrons), elétrons e neutrinos, e
interagem entre si através das forças eletromagnética (atração
próton-elétron) e nuclear (atração próton-nêutron). Além disso,
como você conhece da Química, existe uma regra chamada
Princípio de Pauli, segundo a qual dois ou mais elétrons não
podem ocupar o mesmo orbital (estado quântico). De fato, esta
regra vale também para quarks e neutrinos, e traduz a
impossibilidade de dois corpos ocuparem o mesmo espaço.
Por outro lado, os bósons são partículas de energia, que
transmitem as forças associadas a cada interação, e por isso são
chamadas “partículas mediadoras”. Como campos ou forças,
possuem a propriedade de superposição (o contrário de exclusão), o
que permite que vários deles possam ocupar o mesmo lugar (estado
quântico). O bóson mais familiar é o fóton (partícula de luz). Como
já discutimos antes, a luz é uma onda eletromagnética, e por isso
dizemos que o fóton é a partícula que transmite o campo
eletromagnético. O análogo do fóton para o caso da força nuclear é
uma partícula denominada glúon (do inglês glue, que significa
“cola”). De fato, o gluon atua como uma espécie de cola que liga os
prótons e nêutrons dentro do núcleo, e os quarks dentro dos prótons
e nêutrons.
# O bóson de Higgs: Além das partículas citadas acima, o Modelo
Padrão prevê a existência de uma partícula denominada bóson de
Higgs (confirmada experimentalmente pelos cientistas do LHC,
em meados de 2012) a qual teria dado ao Universo aquilo que mais
nos interessa: a massa. A história do bóson de Higgs começou em
1964, quando o físico inglês Peter Higgs propôs um mecanismo
que explica como as partículas ganharam massa no começo de
tudo. De acordo coma teoria de Higgs, nos instantes iniciais do
Universo, existia um campo de energia (posteriormente
denominado campo de Higgs), que se comportava como uma
espécie de gelatina, de modo que as partículas podiam se
movimentar livremente dentro desse campo. À medida que o
Universo foi se resfriando, a gelatina foi se tornando mais densa, e
a força do campo entrou em ação por meio do bóson de Higgs,
fazendo com que as partículas adquirissem massa. Algumas
partículas, como os quarks, ficam mais presas à gelatina, o que as
torna mais pesadas (maior massa). Outras, como os elétrons e
neutrinos, passam pela gelatina quase sem interagir, e por isso são
muito leves (menor massa).
# O problema da força gravitacional: O Modelo Padrão funciona
muito bem para as forças eletromagnética e nuclear, descrevendoas como interações entre férmions (elétrons, quarks e neutrinos),
mediadas pelos bósons correspondentes, tudo sob o paradigma das
leis da Física Quântica. O grande desafio da física contemporânea
é construir uma teoria que inclua a força gravitacional, de tal
maneira que ela possa ser descrita como uma interação entre
partículas, mediadas por um bóson que seria chamado de gráviton.
No entanto, até hoje nenhuma evidência ainda foi detectada sobre a
existência do gráviton, e este campo de pesquisa denominado
Gravitação Quântica é um assunto de “fronteira”, isto é, uma
teoria que está sendo construída, e ainda não foi comprovada.
Questões
1. Qual foi o primeiro pensador que sugeriu que a matéria era formada de
átomos?
2. Qual foi a contribuição da Química para a confirmação da “hipótese
atômica”?
3. Explique a teoria atômica de Dalton.
4. Porque o modelo atômico de Rutherford se chama “planetário”?
5. Como Bohr explicou o fato de que o elétron gira em torno do núcleo
sem perder energia?
6. No modelo de Bohr, o que acontece quando o elétron perde energia?
7. Qual foi o cientista que propôs a existência de sub-nivéis de energia?
8. O que você entende por “natureza granular”?
9. Como Einstein explicou o fato da corrente elétrica que surge no efeito
fotoelétrico, não depender da intensidade mas sim da cor da luz?
10. Qual a energia de um fóton de luz de cor amarela?
Dados: f = 5.1014 Hz
11. Qual foi a contribuição de De Broglie para o desenvolvimento da Física
Quântica?
12. Qual é o comprimento de onda associdado a um feixe de elétrons que
se deslocam com velocidade de 5,9.106 m/s?
Dados: massa do elétron: 9,1.10-31 kg
13. Um projétil de 40 g tem velocidade de 1000 m/s.
A) Qual é o valor do comprimento de onda associado?
B) Por que a natureza ondulatória do projétil não pode ser notada?
14. Se o comprimento de onda associado a um próton é 1.10-13 m, qual é
a velocidade do próton?
Dados: massa do próton: 1,67.10-27 kg
15. Quais são os números quânticos que descrevem o estado físico do
elétron? Qual deles determina a orientação magnética da nuvem
eletrônica?
16. Descreva os tipos de partículas emitidas no processo de desintegração
radioativa.
17. Quais os processos conhecidos para a obtenção de energia nuclear?
18. Descreva as características das três interações (forças) fundamentais
da natureza.
19. Organize as principais partículas descobertas, em ordem cronológica.
20. Faça um diagrama com a classificação das partículas elementares.
21. Qual a principal diferença entre férmions e bósons?
22. Qual a função do bóson de Higgs?