do que somos feitos

DO QUE SOMOS FEITOS

MUITAS PODEM SER AS RESPOSTAS

CÉLULAS, TECIDOS DO PÓ DAS ESTRELAS

DE ÁGUA E MÚSICA

SHAEKESPERE – DO MESMO TECIDO DOQUAL SÃO FEITOS OS SONHOS

4 ELEMENTOSÁTOMOS

DE BARRODO PÓ, DA TERRA

• dimensões atômicas, • aspectos históricos da evolução das descobertas das

partículas atômicas, • modelos atômicos atualmente aceitos, • características das principais partículas elementares, • interações entre partículas e os efeitos observáveis,

radiação.

O que vamos aprender com este módulo?

• Apresentação teórica pela professora• Respostas a questionários• Pesquisas individuais e em grupo• Realização de Experimentos e dinâmicas em sala de

aula• Apresentação de trabalhos• Exercícios

Como serão conduzidas as atividades?

• Responder questionário 1.

1ª. Atividade

• Objetivo: tentar dar uma idéia do tamanho dos objetos estudados na Física de partículas• Material: folha de papel A4, tesoura e régua• Procedimento: pegue a folha de papel e corte-a ao meio. Com uma das metades, faça outro corte, também ao meio. Repita o

procedimento quantas vezes forem possíveis até chegar a um pedaço que não se consiga mais cortar. Conte os pedaços e faça a medida do menor pedaço que você conseguiu.

• Resultados obtidos: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• Conclusão: _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• Grupo: (nome e número): _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

• Os átomos possuem um espaço enorme entre o núcleo e os elétrons. Se o núcleo de um átomo de hidrogênio fosse do tamanho da cabeça de um alfinete (1 mm), então o elétron estaria a uma distância de 50 m. Para se ter uma idéia:

• Um núcleo típico é 10 vezes maior que um próton• Um átomo típico é 10.000 vezes maior que um núcleo típico• Uma cabeça de alfinete (1mm=10-3m) é 10.000.000 de vezes maior que um átomo típico• Na espessura de uma folha A4 há aproximadamente 1.000.000 de átomos• Se um átomo fosse do tamanho de uma cabeça de alfinete, a espessura de uma folha de papel seria _______________• A massa de um próton é quase 2000 vezes maior que a de um elétron• Responda: Se uma casa de 20 m de lado fosse o núcleo do átomo, a que distância estaria seu vizinho mais próximo (que seria

comparável ao elétron mais perto do núcleo?)

2ª. Atividade - Entendendo as dimensões dos componentes da matéria.

• ATIVIDADE – LINHA DO TEMPO DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES• Objetivo: elaborar um pôster mostrando o desenvolvimento da teoria atômica,

de acordo com a história da ciência.• Material: fotografias, recortes de revistas, jornais, artigos de livros e internet

mostrando aspectos da história da teoria atômica. Cartolinas, cola, tesoura• Procedimento: cada grupo deverá realizar pesquisa em casa de uma fase da

evolução da teoria atômica e trazer os materiais coletados para montar um cartaz que comporá a linha do tempo. Podemos dividir essa história nas seguintes fases:

• O que os gregos pensavam sobre a composição da matéria (aprox. 600AC até início da era cristã)

• Idade das trevas – ??? (Idade Média e Renascimento)• Modelo atômico de Dalton• Modelo atômico de Thomson• Modelo atômico de Rutherford• Modelo atômico de Bohr• Evolução da teoria atômica de Bohr até o LHC• LHC no desenvolvimento da teoria atômica• Resultados obtidos: montagem do cartaz• Conclusão: apresentação à classe e montagem do painel geral da linha do tempo

das partículas elementares.

3ª. Atividade – CONHECENDO UM POUCO DA

HISTÓRIA SOBRE A CONSTITUIÇÃO DA MATÉRIA

• Tudo começou, há aproximadamente 2500 anos, quando o homem iniciou o seu questionamento sobre a estrutura da matéria, ou seja, qual era a matéria prima ou substância primordial que compunha o Universo.

– os filósofos acreditavam que o Universo era formado por um único elemento – monista;

– aqueles que acreditavam nos vários elementos que formam o Universo – pluralista.

• Dentro da corrente monista, podemos destacar os seguintes filósofos: Tales de Mileto (624 – 546 a.C.), que acreditava que o elemento primordial era a água; Anaxímenes de Mileto (570-500 a.C.) seria o ar, uma vez que o mesmo se reduziria a água por compressão. Para Xenófenes da Jônia (570-460 a.C.) era a terra. Porém, Heráclito de Éfeso (540-480 a.C.) era o fogo, o elemento primordial

ELABORANDO A LINHA DO TEMPO

• Paralelamente a essa idéia atomista, tinha-se a corrente pluralista, destacado-se Empédocles de Akragas (490-431 a.C.) que acreditava no Universo formado por quatro elementos: água, terra, fogo e ar, podendo combinar-se para formar as diversas substâncias. Esses elementos estariam em constante movimento que seria intermediado pelo amor ou amizade que os uniam, e do ódio ou inimizade que os separavam.

• Em 1647, o filosofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655) publicou um livro distinguindo pela primeira vez átomo de molécula

• Modelo atômico de Dalton (1766-1844): o átomo é uma esfera maciça, invisível e neutra.


• Com a descoberta do elétron por J. J. Thomson, o átomo não era visto mais como constituinte elementar do Universo. Com isso, Thomson pode propor, em 1903, uma nova visão do átomo, conhecida como “pudim de passas”..

• Em 1911, Rutherford propôs que o átomo se comportava como um sistema planetário em miniatura, formado de uma parte central positiva, à qual denominou núcleo, onde se concentrava praticamente toda a massa do átomo e, ao redor do núcleo, teria uma nuvem de elétrons girando, conhecida como eletrosfera. Com isso, o modelo atômico de Thomson foi derrubado.

• Colapso do átomo• Porém, surgiram outras questões devido a este modelo. Ao propor seu modelo, ele admitia

que os elétrons giravam em torno do núcleo, porque se estivessem parados seriam atraídos eletricamente pelo núcleo. Mas ao sugerir essa saída, ele caiu em outro problema. A eletrodinâmica clássica prevê que toda partícula carregada em movimento deve emitir energia. Desta forma, o elétron, deveria ir perdendo energia, diminuindo sua velocidade e indo em direção ao núcleo, em um movimento espiralado, como mostra a figura ao lado. Mas isso não foi “observado”. Então como resolver essa questão?


feixe de partículas a Representação do espalhamento realizado por Rutherford para descobrir o

núcleo atômico, derrubando o modelo atômico de Thonsom.

– Postulado de Bohr:

– Os elétrons se movem ao redor do núcleo em números limitados de órbitas bem definidas chamadas órbitas estacionárias;

– Movendo-se nessas órbitas, os elétrons não emitem e nem absorvem energia;– Ao saltar de uma órbita estacionária para outra, o elétron absorve ou emite uma

quantidade de energia bem definida, chamada de quantum de energia.– Estava assim proposto mais um novo modelo atômico, que é o modelo atual.

• Entretanto, após isso mais partículas foram descobertas, em especial no decaimento de materiais radioativos. Por exemplo, a partícula alfa, a partícula beta e os estudos levaram à descoberta dos neutrinos e de anti-partículas como o pósitron. As pesquisas continuaram com o uso de aceleradores de partículas cada vez mais potentes levando-nos ao LHC, que pretende desvendar a composição elementar do núcleo do átomo. O LHC deverá negar, confirmar ou complementar o modelo padrão de partículas elementares que será detalhado mais à frente.


• Hoje nós sabemos que há algo mais fundamental que terra, água, ar e fogo...

.• Mas o átomo é fundamental?

os átomos são classificados em grupos que compartilham propriedades químicas similares (como na Tabela Periódica dos Elementos). Isso indicava que os átomos eram compostos de simples blocos de construção, e que esses blocos em diferentes combinações é que determinavam quais átomos teriam quais propriedades químicas.

• Experimentos ajudaram os cientistas a determinar que os átomos têm um minúsculo núcleo denso, positivo e uma nuvem de elétrons negativos (e-).

• Pergunta Fácil: O termo "átomo" é uma expressão errada. Por que?

DETALHANDO AS PARTÍCULASFONTE: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/frames.html

• O Núcleo é Fundamental?Por parecer pequeno, sólido e denso, os cientistas pensaram originalmente que o núcleo era fundamental. Mais tarde, descobriram que ele era feito de prótons (p), que são carregados positivamente, e nêutrons (n), que não têm carga.

• E então, os prótons e os nêutrons são fundamentais?


• Os físicos descobriram que os prótons e os nêutrons são compostos de partículas ainda menores, chamadas quarks.

• Até onde sabemos, os quarks são como os pontos na geometria. Eles não são compostos de nada mais.

• Depois de testar extensivamente essa teoria, os cientistas agora suspeitam que os quarks e o elétron (e algumas outras coisas que veremos logo, logo) são fundamentais.


• Os físicos desenvolveram uma teoria chamada O Modelo Padrão, que 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. Nós iremos falar sobre os léptonsalgumas páginas adiante.

• Partículas transportadoras de força, como o fóton. Falaremos a respeito dessas estranhas partículas logo, logo.

Todas as partículas de matéria que nós conhecemos são compostas de quarks e léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força.


• Tudo, desde galáxias até montanhas e moléculas, são feitas de quarks e léptons. Mas essa não é a história toda. Quarks comportam-se diferentemente dos léptons, e para cada tipo de partícula de matéria há uma partícula de antimatériacorrespondente.


• Matéria e Antimatéria Para cada tipo de partícula de matéria que nós encontramos, existe uma partícula correspondente de antimatéria ou uma antipartícula.

• As antipartículas parecem-se e comportam-se como 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, porque a gravidade não é uma propriedade ligada à carga. Uma partícula de matéria tem também a mesma massa de uma antipartícula.

• Quando uma partícula de matéria e uma partícula de antimatériase encontram, elas se aniquilam em pura energia!


• O que é Antimatéria? Mais devagar! "Antimatéria?" "Pura Energia?" O que é isso, Star Trek?

A existência de antimatéria nesta foto recente da 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 como que vindos do nada mas, na verdade, eles surgem de fótons que não deixam uma trajetória na foto.

• Se a antimatéria e a matéria são exatamente iguais, mas opostas, então por que há muito mais matéria do que antimatéria no universo?

• Bem... nós não sabemos. Essa é uma pergunta que tira o sono dos físicos.


Câmara de BolhasCâmara de Bolhas

Câmara de bolhas: partículas carregadas são atiradas em um líquido aquecido acima de seu ponto de ebulição, as partículas deixarão para trás um rastro constituído de bolhas.

http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/momentum.html

• 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 e top/bottom. (para cada um desses quarks, existe um antiquark correspondente.)

• 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. Os quarks também transportam outro tipo de carga, denominada carga de cor, que discutiremos mais tarde.

• O quark mais difícil de ser encontrado, o quark top, foi descoberto em 1995 depois de ter sido previsto teoricamente por 20 anos.


http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/topquark.html

http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/topquark.html

• Existem duas classes de hádrons: .– barions: são hádrons compostos por três quarks

(qqq). Como os prótons são constituídos por dois quarks up e um quark down (uud), eles são bárions. E assim também são os nêutrons (udd).

– mésons: são os que contêm um quark (q) e um antiquark (). Um exemplo de méson é o píon (+), que é composto por um quark up e um antiquarkdown . As antipartículas de um méson têm seus quarks e antiquarks trocados; assim, um antipíon(-) é composto por um quark down e um antiquarkup. Os mésons são bastante instáveis.

• Uma coisa bem estranha sobre os hádronsé que somente uma pequeníssima parte da massa de um hádron é devida à existência de quarks nele.


http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/hadron_mass.html



• Outro tipo de partículas de matéria são os 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 léptonmais conhecido é o elétron (e-). Os outros dois léptonssão o múon () e o tau (), que são carregados como os elétrons, mas têm muito mais massa. Os outros léptons são os três tipos de neutrinos (). Eles não possuem carga, têm massa pequena e são difíceis de serem encontrados.

• Os quarks são sociáveis e existem apenas em partículas compostas com outros quarks, ao passo que os léptons são partículas solitárias. Pense nos léptonscarregados como gatos independentes com pulgas, que são os neutrinos, os quais são muito difíceis de serem vistos.

• Para cada lépton há um antilépton. Note que o anti-elétron tem um nome especial, o "pósitron".


• Neutrinos : são, como já dissemos, um tipo de lépton. Como eles não têm carga forte ou elétrica quase nunca interagem com quaisquer outras partículas. A maioria dos neutrinos passa direto através da terra sem ter sequer interagido com um único átomo dela.

• Neutrinos são produzidos por uma variedade de interações, especialmente em decaimentos de partículas. De fato, foi através de um estudo cuidadoso de decaimento radioativo que os físicos hipotetizarama existência do neutrino.

• 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.


• 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.

• E sem entender porque as partículas de segunda e terceira geração existem, não podemos descartar a possibilidade de haver mais quarks e léptons, com massas ainda maiores, que nós ainda não descobrimos. Ou talvez a resposta seja que os quarks e léptons não são fundamentais, mas são compostos de outras partículas ainda mais elementares, que juntas formariam os quarks.


• Bem, é um pouco mais complicado do que isso. Há uma partícula de antimatéria para cada partícula de matéria. E lembre-se de que nós nunca iremos encontrar quarks isolados, apenas os observamos em partículas compostas denominadas hádrons.


• O universo que conhecemos e amamos existe porque as partículas fundamentais interagem. Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas, decaimento e aniquilação.

• Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações!


Qual a diferença entre uma "força" e uma "interação"?

http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/force_interact.html

• Usamos a informação de retorno das ondas de luz para perceber nosso mundo. Outros animais, como os golfinhos e os morcegos, emitem e detectam ondas sonoras. De fato, qualquer espécie de onda pode ser usada para obter informações sobre os arredores.

• Podemo usar partículas com massas pequenas para produzir partículas com massas maiores, tudo que se deve fazer é colocar as partículas de massa pequena num acelerador, dar a elas muita energia cinética (velocidade) e, então, fazê-las colidir. Durante essa colisão, a energia cinética das partículas se converte na formação de novas partículas de maior massa. É durante esse processo que podemos criar partículas pesadas instáveis e estudar suas propriedades.

• É como se você encenasse uma colisão de frente entre dois morangos e obtivesse novos morangos, várias pequenas porções de bolotas, uma banana, algumas peras, uma maçã, uma noz e uma ameixa.

• Como funcionam os aceleradores?• Basicamente, um acelerador pega uma partícula, aumenta sua velocidade

usando campos eletromagnéticos e atira a partícula contra um alvo. Em torno do alvo existem detectores, que registram as várias fases do evento.

DETECTANDO AS PARTÍCULASFONTE: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/frames.html

Como os físicos obtem as partículas para acelerar?

• Elétrons: O aquecimento de um metal resulta na expulsão de elétrons. Uma televisão, assim como um tubo de raios catódicos, usa esse mecanismo.

• Prótons: Eles podem ser facilmente obtidos pela ionização do hidrogênio.

• Antipartículas: Para obter antipartículas, primeiro faça com que as partículas a altas energias colidam com um alvo. Então, pares de partículas e antipartículas serão criadas através da troca de fótons ou glúons virtuais. Para separá-las podemos usar campos magnéticos.


• Todos os aceleradores são lineares ou circulares; a diferença consiste na maneira como as partículas são disparadas: se como balas de revólver (acelerador linear) ou como partículas que giram rapidamente em círculos, recebendo uma série de pequenos impulsos a cada volta (acelerador circular). Ambos os tipos aceleram partículas empurrando-as com uma onda de campo elétrico.

• Aceleradores lineares (linacs) são usados em experimentos de alvo fixo, como injetores para aceleradores circulares ou como colisores lineares. Os feixes de partículas do acelerador circular (síncrotron) podem ser usados para experimentos de anel de colisão

• As partículas num acelerador circular andam em círculos porque um grande número de ímãs curva a trajetória das partículas o suficiente para mantê-las no acelerador


• As Formas dos Detectores Os físicos interessam-se tanto pelos eventos que ocorrem durante como depois da colisão das partículas. Por essa razão, eles colocam detectores em regiões em que as partículas passarão durante um evento. Os detectores são construídos de diferentes maneiras dependendo do tipo de colisão analisada.

• Alvo Fixo: Num experimento envolvendo um alvo fixo, as partículas produzidas geralmente voam para frente por isso, os detectores são na forma de cones e são colocados ao longo da direção do feixe.

• Feixes de colisão: Durante um experimento envolvendo feixes em colisão, as partículas são espalhadas em todas as direções; assim, o detector mais adequado é esférico ou, mais comumente, cilíndrico.


• RESPONDER O QUESTIONÁRIO 2.

• DETALHES DAS PARTÍCULAS ELEMENTARES• Explique o que significa o termo átomo e se está correto o seu uso, tendo em vista o que se sabe sobre a composição da matéria atualmente.

______________________________________________________________________________________________________________________________• Marque nos itens a seguir as partículas que são consideradas elementares:

– Prótons– Elétrons– Nêutrons– Quarks– Neutrinos– Leptons– Hadrons– Mésons– Píons

• O que é antimatéria ou antipartículas______________________________________________________________________________________________________________________________

• Das partículas a seguir quais são léptons– Píon– Múon– Neutrino– Bóson– Fóton– Tau– Gluon– Elétron

• Quais são as gerações das partículas elementares? Quais as gerações que podem ser observadas e por que? ______________________________________________________________________________________________________________________________

• Quais são as partículas transportadores de força conhecidas? _______________________________________________________________• Como são detectadas as partículas?

______________________________________________________________________________________________________________________________• Explique o que é um fóton? Qual seu papel na composição da matéria?

_____________________________________________________________________________________________________________________________• Explique como as partículas do núcleo do átomo ficam unidas mesmo havendo a força de repulsão entre elas?

______________________________________________________________________________________________________________________________• Responda com suas palavras a pergunta: Do que somos feitos? _______________________________________________________________

DETALHANDO E DETECTANDO AS PARTÍCULASFONTE: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/frames.html

Radioatividade No final do século XIX, o físico alemão Wilhelm Röntgendescobriu um estranho raio produzido quando um feixe de elétrons incidia sobre um pedaço de metal. Como esses raios eram de natureza desconhecida foram denominados "raios x".

• Dois meses depois dessa descoberta, o físico francês Henri Becquerel estudava fluorescência e descobriu que alguns elementos ficavam expostos em placas fotográficas mesmo quando embrulhados em papel preto. Para surpresa de Becquerel, alguns elementos, incluindo o urânio, emitiam raios energéticos sem a necessidade de fornecimento de energia.

• As experiências de Becquerel mostravam que alguns processos naturais seriam responsáveis pela liberação de raios x energéticos por certos elementos. Isso sugeriu que alguns elementos seriam inerentemente instáveis, pois esses elementos tinham a capacidade de liberar, espontaneamente, diferentes formas de energia. Essa liberação de partículas energéticas a partir do decaimento de átomos instáveis é denominada hoje de radioatividade.

DECAIMENTO DE PARTÍCULASFONTE: http://www.sprace.org.br/AventuraDasParticulas/frames.html

• Decaimento nuclear e Decaimento de Partícula


Decaimentos são transformações que resultam na emissão de partículas por parte dos objetos, ou transformações mágicas dessas partículas em outras diferentes. Ocorre com partículas elementares instáveis ou que estão convivendo em situações instáveis. A natureza sempre busca a estabilidade.

Elementos que possuem número atômico maior que 82 são instáveis e emitem partículas α pois a força de repulsão começa a se sobrepor à força forte que tem um pequeno raio de atuação

• Partículas Radioativas Depois de vários anos de estudo, os cientistas identificaram vários tipos diferentes de radiação, as partículas resultantes de processos radioativos. Os três tipos diferentes de radiação foram simbolizados com as três primeiras letras do alfabeto grego: (alfa),(beta), e (gama).

• Partículas alfa são núcleos de hélio (2 p, 2 n):

• Partículas beta são elétrons velozes• Radiação gama é um fluxo de fótons

de alta energia:


Atividade quebra-cabeça radioativoDificilmente um núcleo se estabiliza com apenasuma transformação, ocorre uma série de outrastransformações chamadas de famílias radioativas.Vamos conhecer agora três famílias radioativasnaturais, série do urânio, série do actínio e série dotório, onde observamos decaimentos α e β-.


• EXPERIMENTO 3 - Discussão sobre os Raios X e a radiografias


• Aniquilação: nessa interação duas partículas desaparecem. No entanto, elas se transformam em algum bóson intermediário como por exemplo, um fóton. Ocorrem principalmente no interior do Sol, ajudando-o a se manter aquecido.

• Mutação: somente algumas partículas conseguem fazer como os neutrinos. Um neutrino vai se convertendo aos poucos em outro tipo de neutrino.

• Produção de pares: é o processo oposto ao da aniquilação, ou seja, um boson intermediário gera um par de partículas.

OUTRAS INTERAÇÕES DAS PARTÍCULAS

• compor um mapa conceitual da composição da matéria de acordo com o que foi aprendido no curso

AVALIAÇÃO FINAL

do que somos feitos

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