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ESCOLA EB 2,3/S OCTÁVIO DUARTE FERREIRA FÍSICA E QUÍMICA A 10º Ano 2010/2011 Unidade um- Das estrelas aos átomos A ORIGEM DO UNIVERSO – O BIG BANG A imagem que nós , aqui na Terra, temos actualmente do Universo imenso, povoado de galáxias e com muito , muito espaço vazio só foi possível graças à evolução científica e tecnológica da humanidade. A evolução tecnológica permitiu também que Edwin Hublle dispusesse, em 1929, de telescópios e outros instrumentos suficientemente potentes para observar que as galáxias se estavam a afastar de nós e também umas das outras. O afastamento era tanto mais rápido quanto mais longe da Terra se encontravam as galáxias. Estas observações levaram a pensar que o Universo tem estado , e continua a estar , em expansão , pelo que se pudéssemos recuar no tempo ( como se víssemos um filme ao contrário) veríamos as galáxias cada vez mais próximas, a densidade do Universo seria cada vez maior e a temperatura também. Cerca de vinte anos mais tarde foi proposto por George Gamow uma teoria para a origem do Universo que permitiu explicar a sua a actual expansão, a Teoria do Big- Bang. De acordo com esta teoria, o Universo surgiu a partir de um ponto extraordinariamente denso e quente após uma enorme explosão, iniciando-se( inicio) a contagem do tempo Universal e do nascimento do espaço. A existência do Big-Bang é actualmente a melhor aceite pela comunidade científica. PROVAS DA EXISTÊNCIA DO BIG-BANG A expansão actual do Universo é uma prova da existência do Big-bang. Como tem sido possível observar desde 1929, as galáxias se vêm afastando sucessivamente umas das outras, sendo o Universo cada vez menos denso, no futuro a distância entre as mesmas galáxias será ainda maior e a densidade do Universo menor.

A Origem Do Universo Unidade 1

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ESCOLA EB 2,3/S OCTÁVIO DUARTE FERREIRA

FÍSICA E QUÍMICA A10º Ano 2010/2011

Unidade um- Das estrelas aos átomos

A ORIGEM DO UNIVERSO – O BIG BANG

A imagem que nós , aqui na Terra, temos actualmente do Universo imenso, povoado de galáxias e com muito , muito espaço vazio só foi possível graças à evolução científica e tecnológica da humanidade.A evolução tecnológica permitiu também que Edwin Hublle dispusesse, em 1929, de telescópios e outros instrumentos suficientemente potentes para observar que as galáxias se estavam a afastar de nós e também umas das outras. O afastamento era tanto mais rápido quanto mais longe da Terra se encontravam as galáxias.Estas observações levaram a pensar que o Universo tem estado , e continua a estar , em expansão , pelo que se pudéssemos recuar no tempo ( como se víssemos um filme ao contrário) veríamos as galáxias cada vez mais próximas, a densidade do Universo seria cada vez maior e a temperatura também.Cerca de vinte anos mais tarde foi proposto por George Gamow uma teoria para a origem do Universo que permitiu explicar a sua a actual expansão, a Teoria do Big- Bang. De acordo com esta teoria, o Universo surgiu a partir de um ponto extraordinariamente denso e quente após uma enorme explosão, iniciando-se( inicio) a contagem do tempo Universal e do nascimento do espaço.A existência do Big-Bang é actualmente a melhor aceite pela comunidade científica.

PROVAS DA EXISTÊNCIA DO BIG-BANG

A expansão actual do Universo é uma prova da existência do Big-bang.

Como tem sido possível observar desde 1929, as galáxias se vêm afastando sucessivamente umas das outras, sendo o Universo cada vez menos denso, no futuro a distância entre as mesmas galáxias será ainda maior e a densidade do Universo menor.Esta expansão ficou provada quando se verificou que, com o tempo as riscas espectrais dos sistemas extragalácticos se foram desviando para o vermelho, o que significa que os sistemas estelares estão a afastar-se de nós tanto mais rapidamente quanto maior é a distância a que se encontram.

Radiação cósmica de fundo , na região espectral das microondas é outra prova da existência do Big-bang.

Desde 1964 tem sido possível observar da Terra, com radiotelescópios, a radiação de micooondas que é igual qualquer que seja a direcção segundo a qual se efectua a observação( não sendo proveniente, portanto, de nenhuma estrela ou galáxia) . Trata-se da energia libertada quando os electrões que vagueavam no espaço se juntaram aos núcleos e deram origem aos primeiros átomos. A radiação deixou de interagir com a matéria passando a poder propagar-se livremente. À data da formação dos primeiros átomos correspondia a radiação extraordinariamente energética, radiação γ ( gama), que devido à expansão do Universo se foi distribuindo por um espaço cada vez maior, enfraquecendo e

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chegando aos nossos dias como muito menos energética – radiação micoondas- designada por radiação de fundo ou radiação fóssil( que ficou da formação dos primeiros átomos).A radiação de fundo foi descoberta acidentalmente ,em1965, quando Arno Penzias e Robert Wilson tentavam resolver o problema do ruído de fundo num satélite de comunicações.

A abundância dos elementos químicos leves no Universo

As abundâncias, observadas por métodos cada vez mais precisos, nomeadamente no que diz respeito aos elementos mais leves, estão de acordo com os valores calculados a partir da teoria do Big Bang.

LIMITAÇÕES DA TEORIA DO BIG-BANG

As limitações da teoria do Big-bang resultam do facto de não ser possível conhecer o comportamento da matéria e da energia a temperaturas tão elevadas como as que existiram logo após o Big-Bang, T› 1015 KHoje já é possível saber como a matéria se comporta a temperaturas da ordem de 10 12 K que se conseguem nos aceleradores de partículas. Verifica-se que protões e neutrões não conseguem existir a essa temperatura, desdobrando-se nos quarks que os constituem. Esta temperatura corresponde à idade do Universo de 10-6 s.No entanto ainda não se consegue atingir em laboratório, temperaturas superiores a este valor, pelo que não é possível responder a várias questões:

Como e porquê ocorreu o Big-Bang?O que havia antes do Big bang?Qual é o destino do Universo?

Todas estas questões, ainda sem resposta estão na base de argumentação de todos os astrofísicos que não concordam com a teoria do Big bang, embora todos admitam que o Universo está em expansão.

Existem 3 modelos diferentes que tentam descrever a expansão do Universo ( aberto, plano ou fechado), todos eles baseados na relação que existe entre a força gravitacional e a velocidade à qual o Universo se expande.

No modelo do Universo Aberto prevê-se que a força gravitacional entre galáxias não seja suficiente para travar a expansão, pelo que o Universo se irá expandir para sempre, com galáxias a afastarem-se umas das outras, continuamente.

No modelo do Universo Plano também se prevê uma expansão permanente, mas a taxa de expansão tenderá para zero ao longo do tempo.

No modelo do Universo Fechado admite-se que a certa altura a força gravitacional entre as galáxias se irá sobrepor à expansão. Nesse momento o Universo começará a contrair-se, até se atingir o Big- Crunch . Seguir-se-á um novo Big-Bang e assim, sucessivamente.

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A ORIGEM DOS ELEMENTOS QUÍMICOS

A partir da explosão inicial, ocorrida há 15 mil milhões de anos, o Universo, muito denso muito quente e de reduzidas dimensões, foi-se expandindo e arrefecendo, criando-se, a partir da energia, a primeira matéria e depois as estruturas que hoje o constituem.A evolução do Universo surgiu na sequência de reacções nucleares entre as partículas fundamentais do meio cósmico, cujo efeito mais importante foi a formação dos elementos químicos.

Processos de formação dos elementos químicos

Nucleossíntese primordial -Nucleossítese durante Big-Bang- Nucleossíntese estelar – nucleossíntese durante a evolução estelar Nucleossíntese interestelar- nucleossíntese no meio interestelar

NUCLEOSSÍNTESE PRIMORDIAL

De acordo com a teoria do Big-Bang, o Universo surgiu de um estado de grande compressão e de temperatura e densidade muito elevadas. Uma vez surgido, o Universo entrou em expansão. À medida que a expansão prosseguiu a temperatura foi sempre diminuindo. Os acontecimentos que se seguiram ao Big-Bang, dependeram desse arrefecimento.

A partir do milionésimo segundo , 10-6 s, , matéria e radiação interconvertiam-se constantemente uma na outra. Já existiam partículas elementares , entre elas electrões e quarks. A diminuição da temperatura permitiu a junção dos quarks para formar protões e neutrões.

Três minutos após o Big Bang, num universo menos quente , protões e neutrões juntaram-se e formaram os primeiros núcleos atómicos, fenómeno designado por nucleossíntese primordial. Núcleos de prótio, de deutério ou hidrogénio-2 , o hélio-3, o hélio-4 e lítio-7 formaram-se através de reacções nucleares de fusão.

O Universo continuou a sua expansão e arrefecimento e, 300 000 anos depois, quando a temperatura desceu a 3000 K, os electrões que vagueavam no espaço foram atraídos pelos núcleos e formaram-se os primeiros átomos. O Universo, que até aí era opaco, porque os electrões que vagueavam livremente no espaço impediam a passagem da radiação, foi-se tornando transparente, de modo que a radiação começou a propagar-se no Universo.( radiação cósmica de fundo).

Com um milhão de anos de existência, a temperatura já era muito baixa, permitindo que a atracção gravítica juntasse os átomos em aglomerados cada vez maiores. Nascem as estrelas que formam as galáxias. É nas estrelas que a temperatura volta a valores elevadíssimos e surgem de novo as reacções nucleares.

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NUCLEOSSÍNTESE ESTELAR

Nascimento das estrelas

À medida que o Universo foi expandindo e arrefecendo, os átomos formados pela nucleossíntese primordial aglutinaram-se em nuvens de gás. Por acção da força gravitacional, verificou-se a contracção das nuvens de gás, o que originou as proto-estrelas.À medida que a matéria das proto-estrelas se comprimiu por acção da força da gravidade, a temperatura aumentou permitindo a ocorrência de reacções nucleares de fusão do hidrogénio , que libertam muito energia, ou seja, nasceu uma estrela.As reacções de fusão do hidrogénio com produção de hélio ocorrem no núcleo ou coração da estrela.A duração da fase principal da vida das estrelas depende da sua massa inicial. As estrelas de maior massa queimam mais rapidamente o seu combustível , o hidrogénio, e duram menos tempo. Isto é devido ao facto de precisarem de mais energia para provocar maior expansão e, desta forma, contrariar a atracção gravítica que é mais intensa. Como produzem mais energia, as estrelas maiores têm maior temperatura e brilham mais.

Formação de elementos químicos durante a vida estável das estrelas

Durante a vida estável das estrelas ocorrem reacções diferentes das que ocorreram logo após o Big-Bang.

Morte das estrelas

Quando no núcleo das estrelas se esgota o seu combustível – o hidrogénio, consumido nas sucessivas reacções de fusão nuclear, inicia-se o seu envelhecimento e finalmente as estrelas morrem.

As estrelas de massa inicial inferior à do Sol, semelhante à do Sol e até 8 vezes superior passam por perturbações violentas originando sucessivamente gigantes vermelhas, nebulosas planetárias e anãs brancas, até se transformarem em resíduos sem brilho.

A estrelas com massa inicial maior do que 8 vezes a do Sol, passam por perturbações ainda mais violentas, envelhecem mais rapidamente, transformando-se sucessivamente em supergigantes, supernovas e finalmente estrelas de neutrões ou pulsares, se massa inicial da estrela era inferior a 25 vezes superior a do Sol, ou buracos negros , se a massa inicial era maior do que 25 vezes a do Sol.

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Formação de elementos químicos após a vida estável das estrelas

Nos núcleos das estrelas com massa próxima da do Sol, mas na fase de gigante vermelha no núcleo, o hélio transforma-se em carbono e oxigénio. A energia libertada permite que, na zona exterior mais perto do núcleo o hidrogénio se transforme em hélio.Nos núcleos das estrelas com massa muito superior à do Sol , na fase de supergigante , para alem da formação do carbono e do oxigénio, as reacções de fusão nuclear não param quando o hélio se esgota, mas continuam ate à produção do ferro.O Carbono origina néon e magnésio e o oxigénio origina silício e enxofre. Quando o oxigénio e o carbono se esgotam, o núcleo da estrela contrai-se de novo iniciando-se uma nova fase de reacções de fusão do silício e do enxofre, com formação de ferro. Quando se atinge a fase em que a parte central do núcleo da estrela é constituída apenas por ferro, as reacções de fusão no núcleo cessam. Assim o núcleo deixa de produzir energia contrai muito e aquece empurrando as camadas exteriores para o espaço- formam-se supernovas.É nas supernovas ,já não por fusão, mas por absorção de neutrões que se dá a formação de elementos mais pesados, do ferro ao urânio.

NUCLEOSSÍNTESE INTERESTELAR

A maior parte dos elementos químicos foram gerados logo após o Big Bang ou durante a evolução das estrelas.Mas o Universo é atravessado é atravessado por partículas de elevada energia- raios cósmicos- que são os protões e electrões provenientes das explosões das supernovas. Da colisão destas partículas com os elementos existentes no espaço interestelar resultam reacções nucleares que originam elementos mais leves, como o lítio -6 o berílio e o boro.

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RESUMO

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