Partículas Elementares
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Prof. Rossoni
Partículas elementares
Por muitos anos acreditava-se que as partículas elementares da matéria fossem os átomos, daí o nome átomos (nãodivisível). Com o descobrimento dos elétrons e posteriormente os núcleons (prótons e nêutrons), essas partículas
passaram a ser a partículas elementares.
Em 1969, Murray Gell-Mann e Richard Feynman provaram a existência dos quarks através de estudos com hádrons e
esta concepção foi firmemente estabelecida.
Todas as partículas elementares conhecidas no universo pertencem a um destes dois grupos: férmions ou bósons.
Férmions são partículas com spin semi-inteiro (1/2 ou −1/2) que constituem a matéria comum. Bósons são partículas
com spin inteiro (0, 1 ..) que originam forças entre os férmios, como a força nuclear forte e a luz.
Anotar esquema dado pelo professor Rossoni
Férmions
Os férmions receberam esse nome em homenagem ao físico Enrico Fermi.
Essas partículas são essencialmente solitárias, formam metade da família das partículas elementares, são blocos
básicos com as quais a matéria é construída.
Apresentam as seguintes características:
1) spin semi-inteiro.
Número quântico magnético fracionário, como o elétrons que tem ms = −1/2 ou +1/2.
2) obedece algumas leis quânticas, como o Princípio da Exclusão de Pauli e a Estatística de Fermi-Dirac.
Princípio da Exclusão de Pauli
(é um princípio da mecânica quântica formulado por Wolfgang Pauli em 1925)
Dois férmions não podem ter simultaneamente todos os números quânticos idênticos.
Ou uma forma mais rigorosa de enunciar este princípio é dizer que a função de onda total de um sistema composto
por dois férmions idênticos deve ser assimétrica, com respeito ao cambiamento de duas partículas.
Para os elétrons de um mesmo átomo, ele implica que dois elétrons não podem ter os mesmos quatro números
quânticos.
Estatística de Fermi-Dirac
(homenagem ao físico Paul Adrien Maurice Dirac)
As partículas vão se posicionando desde o nível mais baixo de energia até o mais alto, obedecendo o Princípio da
Exclusão de Pauli até que se tenham postas todas as partículas.
3) os principais exemplos de férmions são os prótons, quarks, elétrons e neutrinos.
Bósons
Os bósons receberam esse nome em homenagem ao físico indiano Satyendra Nath Bose.
Essas partículas formam a outra metade das partículas elementares, são essencialmente gregárias: ao invés de se
moverem sozinhas, elas adotam o movimento de suas vizinhas.
Apresentam as seguintes características:
1) spin inteiro.
2) obedece à estatística de Bose-Einstein.
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Estatística de Bose-Einstein
A estatística BE descreve a distribuição estatística de bósons idênticos indistinguíveis sobre os estados de energia em
equilíbrio dinâmico. As partículas bosônicas podem partilhar estados quânticos umas com as outras (equilíbrio
dinâmico). Einstein especulou que esfriando átomos bosônicos até temperaturas muitos mais baixa os faria colapsar
ou seja, “condensar” para o mais baixo estado quântico acessível, resultando numa nova forma de matéria.
3) os principais exemplos de bóson são as partículas elementares (fóton, gluon, bóson de Higgs...) e as partículas
compostas (mésons, núcleo do hélio...)
Modelo padrão das partículas elementares
Standart Modelo of Elementary Particles
Anti-partícula
Toda partícula possui uma anti-partícula. Só será uma anti-partícula se na colisão desta com a sua partícula sobrará
apenas energia.
O exemplo mais conhecido de anti-partícula que existe é o pósitron, a anti-partícula do elétron. Na colisão dessas
partículas originará apenas energia:
e−
+
β+
−>
energia.
(elétron + pósitron)
Com isso, elas rapidamente aniquilam uma à outra em uma eclosão frenética de energia, criando um fóton. Este,
então, libera sua energia, produzindo outro par de elétron-pósitron parecendo que as partículas simplesmente
foram desviadas para novas trajetórias. Como uma colisão comum.
Anotar esquema dado pelo professor Rossoni:
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Bósons de Higgs
O bóson de Higgs é a partícula que permite que todas as outras tenham diferentes massas pela interação entre elas.
Na verdade todas as partículas possuem a mesma massa, mas interagem diferente com o Campo de Higgs. Essa
interação é que define as massas das partículas. Se a partícula interage bastante com o Campo de Higgs, ela tem
uma massa maior. Caso contrário, massa menor.
Por que chamam o bóson de Higgs de partícula de Deus?
Foi feita uma analogia com a história bíblica da Torre de Babel, em que Deus, num de seus típicos acessos de fúria,
faz com que todos falem línguas diferentes. Assim, o bóson de Higgs, interagindo com a matéria, faz com que todas
tenham massas diferentes.
Quinto estado da matéria: o condensado de Bose-Einstein
O quinto estado da matéria é consequência da mecânica quântica. Foi prevista por Albert Einstein em 1925 e
efetuada por Satyendra Nath Bose. Einstein especulou que esfriando os átomos bosónicos até temperaturas muito
baixas, perto do zero absoluto, os faria colapsar (ou "condensar") para o mais baixo estado quântico acessível,
resultando numa nova forma de matéria.
O condensado de Bose-Einstein é uma coleção de milhares de partículas ultrafrias ocupando um único estado
quântico, ou seja, todos os átomos se comportam como um único e gigantesco átomo. Os condensados de BoseEinstein são feitos de bósons, uma classe formada por partículas que são essencialmente gregárias: ao invés de se
moverem sozinhas, elas adotam o movimento de suas vizinhas.
O primeiro condensado deste tipo foi produzido setenta anos mais tarde por Eric Cornell e Carl Wieman em 1995, na
Universidade de Colorado em Boulder, usando um gás de átomos de rubídio arrefecido a 170 nanokelvins (nK), que
rendeu o Prêmio Nobel de Física de 2001 aos Drs. Eric Cornell e Carl Wieman.
O quinto estado da matéria tem propriedades não totalmente compreendidas, como fluir para fora do seu
recipiente. Se um sistema está a uma temperatura tão baixa que esteja no seu estado de energia mínima, não é
possível reduzir a sua energia, nem sequer por fricção. Assim sendo, sem fricção, o fluido facilmente supera a
gravidade devido às forças de adesão entre o fluido e a parede do seu recipiente e tomará a posição mais favorável,
ou seja, a toda a volta do recipiente.
Explicação:
http://www.youtube.com/watch?v=dXiQMmqeLOQ
Na prática:
http://www.youtube.com/watch?v=EXDItROHlFk
Sexto estado da matéria: o condensado fermiônico
Experiências semelhantes sobre esfriamento de férmions, em lugar de bósons a temperaturas extremamente baixas,
criaram gases degenerados, onde os átomos não se congregam num único estado, devido ao Princípio de exclusão
de Pauli. Para exibirem propriedades de condensado de Bose-Einstein, os férmions devem "emparelhar-se",
formando partículas compostas (por exemplo, moléculas, ou pares de Cooper) que se comportam como bósons.
Ao contrário dos bósons, os férmions - a outra metade da família de partículas e blocos básicos com os quais a
matéria é construída - são essencialmente solitários. Por definição, nenhum férmion poderá estar exatamente no
mesmo estado quântico que outro férmion. Consequentemente, para um físico, mesmo o termo "condensado
fermiônico" é um paradoxo.
Um gás com 500.000 átomos de potássio foi resfriado até 50 bilionésimos de grau acima do zero absoluto e então
submetido a um campo magnético. Esse campo magnético fez com que os férmions se juntassem em pares, de
forma semelhante aos pares de elétrons que produzem a supercondutividade, o fenômeno no qual a eletricidade flui
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sem resistência. A equipe da Dra. Jin detectou o emparelhamento e verificou a formação do condensado fermiônico
pela primeira vez no dia 16 de Dezembro de 2003.
Exercícios sobre Quarks, Léptons e Bósons de Higgs
1. (Mackenzie) As partículas elementares, que
constituem toda a matérias do universo, a partir de
1969, são classificadas em:
a) átomos e vácuo
b) moléculas e íons
c) prótons, elétrons e nêutrons
d) hádrons e mésons
e) férmions e bósons
2. (Unip) São exemplos de férmions:
a) quark up e elétron
b) quark down e bóson de Higgs
c) neutrino e gluon
d) muon e fóton
e) próton e bóson Z
3. (UPF) São exemplos de bósons:
a) muon e tau
b) quark strange e bóson de Higgs
c) neutrino e partícula beta
d) glúon e fóton
e) quark fun e bóson R
4. (Fuvest) O próton é formado por:
a) um pósitron e dois neutrinos
b) dois quarks up e um quark down
c) um quark up e dois quarks down
d) um pósitron, um quark up e um quark top
e) dois quarks top e um quark botou
5. (ITA) O elétron, descoberto em 1897, por Thomson,
é basicamente constituído por:
a) um anti-quark
b) dois quarks down e um quark up
c) um lépton
d) um muon e um neutrino Muon
e) um hádron e um neutrino
6. (UFPE) Os hádrons são partículas compostas
formadaspor quarks, como os bárions e os mésons.
Sobre eles, podemos afirmar:
a) os bárions são formados por dois quarks
b) os bárions são bósons
c) os mésons são bósons
d) os mésons são formados por dois léptons
e) os bárions são formados por três mésons
7. (Vunesp) A respeito do quinto estado da matéria
(condensado de Bose-Einstein) e do sexto estado da
matéria (condensado fermiônico) podemos afirmar
que:
a) Não existem na prática, são modelos hipotéticos,
portanto, meras especulações.
b) O condensado boseônico apresenta superfluidez,
desprezando a gravidade e comportando-se como um
grande átomo.
c) O condensado fermiônico é basicamente formado
por glúons e fótons a temperaturas muito baixas,
próximas de zero absoluto.
d) O condensado de Bose-Einstein somente pode ser
obtido em temperaturas inferiores a zero absoluto.
e) O condensado fermiônico já havia sido previsto por
Einstein.
8. (ITA) Podemos aferir que uma partícula, para ser
anti-matéria:
a) deve possuir uma propriedade de englobar outras
partículas.
b) precisa se comportar como um bóson de Higgs
(partícula de Deus)
c) deve apresentar carga +1 e massa 0.
d) deve colidir com sua partícula respectiva e
acontecer a aniquilação, mesmo que momentânea
e) apresenta um comportamento de super-corda,
curvando a linha de espaço-tempo.
9. (Mackenzie) Uma das principais diferenças entre
férmions e bósons é:
a) que o férmions possuem spin semi-inteiro, e os
bósons, inteiro
b) que o férmions possuem carga semi-inteira e os
bósons, inteira
c) que os bósons possuem massa e os férmions são
partículas formadoras das forças que atuam entre
bósons
d) que os bósons possuem carga semi-inteira, e os
férmions inteira
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e) que os férmions adotam o comportamento de
outros férmions, gregário, e os bósons tendem a
repelir-se um ao outro.
10. (UFMA) Sobre Férmions e Bósons, está correto:
a) Férmions possuem spin inteiro, sendo
exemplificados pelos quarks e léptons.
b) Bósons possuem spin inteiro, e os principais
representantes são o fóton, o gluon, o Bóson Z e o
Bóson W.
c) Os léptons são Férmions, pois possuem carga
fracionária.
d) Os Mésons, que são formados por dois quarks, são
Férmions.
e) Os Bósons e o Férmions são Quarks.
11. (Furg) Analise as afirmações sobre as partículas
elementares:
I. Os hádrons são formados por três quarks.
II. Os mésons são formados por dois quarks, portanto
são bósons.
III. Os bósons de Higgs são partículas do campo de
Higgs, que interage com as outras partículas,
atribuindo-lhes massa.
Quais estão corretas?
a) apenas I
b) apenas II
c) apenas III
d) apenas I e II
e) apenas II e III
12. (UFBA) Analise as preposições abaixo:
01. O quark não possui anti-matéria
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02. A anti-matéria da partícula beta é o pósitron
04. O nêutron é formado por dois quarks down e um
quark up
08. Os prótons e os nêutrons são exemplos de mésons
16. Na liberação do muon ocorre liberação do
neutrino tau
32. Neutrino, partícula beta e tau são exemplos de
férmions
Dê a soma das preposições corretas.
13. (Vunesp) De acordo com o modelo atômico atual,
os prótons e nêutrons não são mais considerados
partículas elementares. Eles seriam formados de três
partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a
existência de 12 quarks na natureza, mas só dois tipos
formam os prótons e nêutrons, o quark up(u), de carga
elétrica positiva, igual a 2/3 do valor da carga do
elétron, e o quark down (d), de carga elétrica negativa,
igual a 1/3 do valor da carga do elétron. A partir dessas
informações, assinale a alternativa que apresenta
corretamente a composição do próton e do nêutron.
(I) Próton.
(II) Nêutron
a) (I) d, d, d, (II) u, u, u
b) (I) d, d, u, (II) u, u, d
c) (I) d, u, u, (II) u, d, d
d) (I) u, u, u, (II) d, d, d
e) (I) d, d, d, (II) d, d, d
Gabarito:
1.e 2.a 3.d 4.b 5.c 6.c 7.b 8.d 9.a 10.b 11.e 12. 38 13.c