Seminário: Partículas Elementares (Ensino Superior)

Tijolos da Natureza(Partıculas Elementares)

M.T. [email protected]

Instituto de Fısica, UFF

Resumo da apresentacao:

Apresentamos uma visao geral sobre as partıculas elementares a partirdas quais todas as substancias sao constituıdas. Os gregos comecarama busca dessas partıculas a 2.400 anos atras: os tijolos da Natureza!!!!

M.T. Thomaz (Instituto de Fısica, UFF) PARTICULAS ELEMENTARES 1 / 43

A pergunta milenar ...

Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o atomo.

“Por convencao existe a cor,por convencao existe a docura,por convencao existe o amargo,mas na realidade existe

atomos e espaco”

Democrito ( 400 A.C.)

O que e o atomo?


O que significa a palavra atomo?A palavra atomo vem do grego e significa: indivisıvel.

Na Grecia antiga os filosofos Democrito e seu mestre Leucipo afir-mavam que se quebrassemos um objeto em pedacos cada vez menores,os pedacos manteriam as mesmas propriedades que o objeto original,ate alcancarmos o atomo. O atomo seria o menor pedaco do corpoque ainda conservaria as suas propriedades.




A proposta da escola grega implicaria que terıamos um numero incal-culavel de atomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo:agua, pedra, papel, laranja, sangue...




A proposta da escola grega implicaria que terıamos um numero incal-culavel de atomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo:agua, pedra, papel, laranja, sangue...

A proposta grega nao esta correta, mas sera que ela tem algum tracode verdade ?


A versao atual da pergunta dos filosofos gregos:

Toda a materia (organica e inorganica) e, constituıda a partir de objetosbasicos que seriam os tijolos da Natureza ?


Para acompanharmos como a compreensao do atomo/tijolos daNatureza foi evoluindo ate o dia de hoje, vamos nos fixar num material:a agua.

Muita agua...Uma gota d’agua!!!


O retorno da Teoria At omica pela m ao dos quımicos do s eculo 17:


O retorno da Teoria At omica pela m ao dos quımicos do s eculo 17:

Robert Boyle

O conceito de atomos agregados ou deatomos ligados, chamados de ”moleculas”aparece como uma hipotese feita peloquımico irlandes Robert Boyle em 1661no seu tratado:”The Sceptical Chymist”.

Em 1738 o fısico e matematico suicoDaniel Bernoulli argumenta que os gasesconsistem de um grande numero demoleculas se movimentando emtodas as direcoes.

”Hydrodynamica” de

Daniel Bernoulli


• Nasce a moderna Teoria Atomica:

Em 21 de outubro de 1803 o quımico inglesJohn Dalton apresenta a 1a tabela de pesosatomicos na Manchester Literary PhilosophicalSociety. Ele toma emprestado de Democritoa palavra atomo para chamar as partıculasindividuais dos quais a materia e composta.

John Dalton


• Nasce a moderna Teoria Atomica:

Em 21 de outubro de 1803 o quımico inglesJohn Dalton apresenta a 1a tabela de pesosatomicos na Manchester Literary PhilosophicalSociety. Ele toma emprestado de Democritoa palavra atomo para chamar as partıculasindividuais dos quais a materia e composta.

John Dalton

A Tabela de elementos de Dalton

no seu livro: ”A New System

of Chemical Philosophy”.

Dalton so volta a discutir publicamente asua Teoria Atomica em 1808 em seu livro

”A New System of Chemical Philosophy”.Em 1810 ele escreve um novo apendiceem que detalha a Teoria Atomica.


Os postulados da Teoria Atomica de John Dalton:

A Tabela de elementos de Dalton

e a formacao de moleculas.

1. Toda materia e composta de um numeromuito grande de partıculas muito pequenaschamadas atomos.

2. Para cada elemento, todos os atomos saoidenticos em todos os aspectos. Em particular

todos os atomos de um mesmo elementotem o mesmo valor de massa, enquanto

atomos de elementos diferentespossuem massas diferentes.

3. Os atomos sao as unidades das trocas quımicas. Reacoes quımicasenvolvem separacao ou rearranjo de atomos, mas atomos nao podemser criados, divididos em partes, ou convertidos em atomos de outrostipos.

4. Atomos se combinam para formar moleculas em proporcoes fixasde pequenos numeros inteiros.


Em 1873 o fısico escoces James ClerkMaxwell escreveu em seu artigo ”Molecules”o conceito atual de molecula:

”Um atomo e um corpo que nao pode sercortado em dois, a molecula e a menorporcao de uma substancia particular.”

James Clerk Maxwell


Em 1873 o fısico escoces James ClerkMaxwell escreveu em seu artigo ”Molecules”o conceito atual de molecula:

”Um atomo e um corpo que nao pode sercortado em dois, a molecula e a menorporcao de uma substancia particular.”

James Clerk Maxwell

A partir do seculo 19 os quımicos nos ensinaram: a materia e formadapor moleculas, e essas sao grupos de atomos.

Molecula de agua:02 atomos de hidrogenio: H01 atomo de oxigenio: O


A primeira organizacao doselementos numa Tabela Periodicafoi feita por Dimitri Mendeleievem 1869.

Tabela Periodica de Mendeleiev (1869): 103 atomos !!!!


Tabela Periodica atual:


Com a classificacao dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamosa ter 103 atomos distintos!!! Este numero nao e grande demais?



Voltamos a pergunta original: sera que os atomos sao constituıdosde partıculas elementares?

Partıculas elementares: partıculas pontuais que nao apresentamnenhuma estrutura.





Para afirmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certezaque ele nao se quebra em pedacos. Para verificarmos isso, que temosque tentar quebra-lo.





Para afirmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certezaque ele nao se quebra em pedacos. Para verificarmos isso, que temosque tentar quebra-lo.

Por ex.: uma bola de gude de vidro quebra se a apertamos com aspontas dos nossos dedos?


J.J. Thomson descobriu oeletron em 1897.

A partir da descoberta do eletron, o atomo passou a descrito comosendo um “pudim”:


Em 1910 Ernst Rutherford analisou osdados experimentais de H. Geiger eE. Marsden e propos um novo modelopara o atomo:


A molecula de agua apos a proposta de Rutherford para o atomo:

Atomo de hidrogenio: HNucleo com carga: + 1e1 eletron com carga: - 1e

Atomo de oxigenio: ONucleo com carga: + 8e8 eletrons com carga: - 8e


A molecula de agua apos a proposta de Rutherford para o atomo:

Atomo de hidrogenio: HNucleo com carga: + 1e1 eletron com carga: - 1e

Atomo de oxigenio: ONucleo com carga: + 8e8 eletrons com carga: - 8e

Ate esse perıodo, as partıculas fundamentais seriam os nucleos doselementos da Tabela Periodica e o eletron.


Os nucleos tem estrutura?


Os nucleos tem estrutura?

Os nucleos sao compostos por duas partıculas: o proton e o neutron.O proton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918.

O neutron foi descoberto porSir James Chadwick, em 1932.


Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomosdo hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura:

Nucleo do hidrogenio: H+

1 proton com carga: + 1e

Nucleo do oxigenio: O+8

8 protons com carga: + 8e8 neutrons com carga: 0


Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomosdo hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura:

Nucleo do hidrogenio: H+

1 proton com carga: + 1e

Nucleo do oxigenio: O+8

8 protons com carga: + 8e8 neutrons com carga: 0

Na decada de 30 as partıculas fundamentais conhecidas eram: eletron,proton e neutrons. Apenas 3 tijolos da Natureza.


Sera que apenas essas 3 partıculas elementares explicam toda a materiaque temos no Universo?


Sera que apenas essas 3 partıculas elementares explicam toda a materiaque temos no Universo?

Quais s ao as escalas que temos no universo?

Como observar objetos com tamanhos t ao diferentes?


Fısica de Altas Energias: estuda as partıculas elementares.Temos a possibilidades de criar novas partıculas a partir decolisoes ou decaimentos.

Partıculas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem emoutras partıculas.

O neutron e estavel?


Fısica de Altas Energias: estuda as partıculas elementares.Temos a possibilidades de criar novas partıculas a partir decolisoes ou decaimentos.

Partıculas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem emoutras partıculas.

O neutron e estavel? Dentro dos nucleos o neutron e estavel, maslivres eles decaem com vida media de 887s (14,8 minutos).Decaimento do neutron livre:

n → p + e− + νe

que e denominado de decaimento β.


O neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?

Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” donosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele:

• diametro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4m

• diametro do atomo: 10−10m = diametro de um cabelo1.000.000

• diametro do nucleo: 10−14m = diametro de um cabelo10.000.000.000

• diametro do proton: 10−15m• diametro do eletron: ≤ 10−18m


O neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?

Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” donosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele:

• diametro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4m

• diametro do atomo: 10−10m = diametro de um cabelo1.000.000

• diametro do nucleo: 10−14m = diametro de um cabelo10.000.000.000

• diametro do proton: 10−15m• diametro do eletron: ≤ 10−18m

A nossa experiencia do dia-a-dia nao nos permite imaginar o que ocorrena escala atomica, nuclear, etc...


Tamanho do atomo: ∼ 10−10m

Como “ver” os fenomenos atomico e sub-atomicos?


Tamanho do atomo: ∼ 10−10m

Como “ver” os fenomenos atomico e sub-atomicos?

Os primordios do estudo experimental do atomo:

• Experiencia de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909

Bombardeamento de folhas deouro por feixes de partıculas α

(nucleos do atomo de helio).Eles mediram o numerode partıculas que mudaram adirecao apos a colisao.


• Camara de Wilson (camara de nuvens): 1911

Camara de vapor d’aguasupersaturada. Ions saonucleos de condensacao degotıculas d’agua.

Charles T. R. Wilson

Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Camara de Wilson para detectaro positron (e+), a anti-partıcula do eletron:


• Camara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em 1952. Umacamara com lıquidos superaquecidos nos quais partıculas carregadasdeixam bolhas microscopicas.

Donald Glaser Esquema da camara de bolhas


Exemplos de placas de emulsao com eventos experimentais, obtidasem Camaras de Bolhas:

Neutrino: o que nao aparece!!!Decaimento de partıculas.


Nas ultimas transparencias falamos em outras partıculas elementaresalem do eletron, proton e neutron: positron, neutrino, ...

A partir da decada de 30 com o advento dos novos aceleradores departıculas, o numero de partıculas “elementares” cresceu e muito!!!!Ate a decada de 60:


Voltamos a pergunta original: Sera que todas essas partıculas saoelementares? Ou sera que elas tem estrutura?A Fısica experimental de altas energias continuou detectandonovas partıculas:

Em 1963/64 nasce a proposta dos quarks: os protons e neutrons saoestados ligados de quarks.


Como classificamos hoje as partıculas sub-atomicas?

Partıculas sub-at omicas

Leptons Hadrons


Como classificamos hoje as partıculas sub-atomicas?

Partıculas sub-at omicas

Leptons Hadrons

• Lepton: partıculas elementares.Ex. de lepton: eletron.

• Hadrons: partıculas compostas formadas de partıculas elementares.Exs. de hadrons: proton e neutron.


Leptons

Partıcula Vida m edia Decaimento(segundos) mais prov avel

e estavel –

νe estavel –

µ 2, 2 × 10−6 e− + νµ + νe

νµ estavel –

τ 2, 96 × 10−13 µ− + ντ + νµ

ντ estavel –

Nem toda partıcula elementar e estavel!!!!!!


• Hadrons: em 1963/64 George Zweig e Murray Gell-Mannpropuseram o model de quarks.

Murray Gell-Mann George Zweig

Os protons e neutrons sao feitos de quarks:


Divisao dos Hadrons:

Hadrons

Mesons Barions

Qual a diferenca entre Barions e Mesons?

⇒


O que sao os mesons? Partıculas responsaveis pelas interacoes entrenucleos.

Mesons


π± 2, 6 × 10−8 µ+ + νµπ0 0, 84 × 10−16 2γ

K± 1, 23 × 10−8 µ± + νµK0 0.89 × 10−10 π+ + π−, π0 + π0

......

...


Barions


p ≥ 1038 e+ + π ; µ+ + π

n 887 p + e− + νe

Λ 2.63 × 10−10 p + π−; n + π0

Σ+ 0.8 × 10−10 p + π0; n + π+

Σ0 7, 4 × 10−20 Λ+ γ

Σ− 1, 48 × 10−10 n + π−

Ξ0 2, 9 × 10−10 Λ+ π0

......

...

O proton nao e uma partıcula estavel.


Barions


p ≥ 1038 e+ + π ; µ+ + π

n 887 p + e− + νe

Λ 2.63 × 10−10 p + π−; n + π0

Σ+ 0.8 × 10−10 p + π0; n + π+

Σ0 7, 4 × 10−20 Λ+ γ

Σ− 1, 48 × 10−10 n + π−

Ξ0 2, 9 × 10−10 Λ+ π0

......

...

O proton nao e uma partıcula estavel.

Idade do Universo: 1017s (∼ 15 bilhoes de anos)M.T. Thomaz (Instituto de Fısica, UFF) PARTICULAS ELEMENTARES 32 / 43

Qual a caracterıstica dos quarks, as novas partıculas elementares?

Quarks

Sabores Carga El etrica (e)

u(up) + 2e3

d(down) −1e3

s(strange) −1e3

c(charm) + 2e3

b(bottom) −1e3

t(top) + 2e3


Como entendemos hoje a materia?

⇒

A escala atomica:


Como estudar partıculas tao diminutas? Uma nova geracao deAceleradores de Altas Energias.

CERN:

Sede do CERN Onde ficam os detetores.

Detetor Atlas Detetor CMS


Fermi Lab:

Edf. principal Vista aerea do Fermi Lab

Corredor do anel Detetor de partıculas


SCLAC:

O entardecer no SLAC Vista aerea do SLAC

Acelerador linear Esquema do acelerador linear


Ainda usamos placas de emulsao fotografica para coletar as partıculasapos as colisoes sub-atomicas? Certamente nao... As colisoes saoreconstruıdas por super-computadores:

Deteccao do W Chuveiro de gluons

Colisao de protons relativısticos O boson de Higgs foi descoberto!!!


As partıculas elementares de hoje:


Comecamos procurando todos ostijolos da Natureza, para descrevertoda a materia do Universo.

Sera que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?


Nao sabemos!!!!A busca continua...


Bibliografia de Apoio:

[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das PartıculasElementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418).

[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,Editora Livraria da Fısica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8).

[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons,γ, W, Z ...A Materia Indivisıvel , Ciencia Hoje, vol. 3, n.o 14(Setembro/Outubro) (1984) pag. 42.


Bibliografia de Apoio:

[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das PartıculasElementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418).

[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,Editora Livraria da Fısica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8).

[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons,γ, W, Z ...A Materia Indivisıvel , Ciencia Hoje, vol. 3, n.o 14(Setembro/Outubro) (1984) pag. 42.

Sites interessantes a serem visitados:

[1] http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br

[2] http://www.fnal.gov/pub/about/tour

[3] http://ed.fnal.gov/projects/exhibits/searching

[4] http://hands-on-cern.physto.se


As transparencias deste seminario estao no blog:

http://mttdivulgacao.blogspot.com

na seccao:

“Divulgacao ja realizada no Ensino Fundamental´´

Voce pode assitir este seminario no ”YouTube”:

http://www.youtube.com/watch?v=NkR8kZWV6bg


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Seminário: Partículas Elementares (Ensino Superior)