Seminário: Partículas Elementares (Ensino Superior)

Tijolos da Natureza
(Partćulas Elementares)
ı

M.T. Thomaz
mariateresa.thomaz@gmail.com

Instituto de F´sica, UFF
ı

¸˜
Resumo da apresentacao:

˜
Apresentamos uma visao geral sobre as partćulas elementares a partir
ı
ˆ ˜
das quais todas as substancias sao constitu´das. Os gregos comecaram
ı ¸
´
a busca dessas partćulas a 2.400 anos atras: os tijolos da Natureza!!!!
ı

M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF)
ı PARTĆULAS E LEMENTARES
I 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?

I 2 / 43

´
O que significa a palavra atomo?
´
A palavra atomo vem do grego e significa: indivis´vel.
ı
´ ´ ´
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 corpo
¸ ¸
que ainda conservaria as suas propriedades.

I 3 / 43

´
´
ı
´ ´ ´
´
¸
¸
´ ´ ´
¸ ¸

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

I 3 / 43

´
´
ı
´ ´ ´
´
¸
¸
´ ´ ´
¸ ¸

A proposta da escola grega implicaria que ter´amos um numero incal-
ı ´
´ ´
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 traco
¸
de verdade ?

I 3 / 43

˜ ´
A versao atual da pergunta dos ﬁlosofos gregos:
´ ˆ ˆ ´
Toda a materia (organica e inorganica) e, constitu´da a partir de objetos
ı
´
basicos que seriam os tijolos da Natureza ?

I 4 / 43

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

´
Uma gota d’agua!!!
´
Muita agua...

I 5 / 43

ˆ ˜ ´
O retorno da Teoria Atomica pela mao dos qu´micos do seculo 17:
ı

I 6 / 43

ˆ ˜ ´
O retorno da Teoria Atomica pela mao dos qu´micos do seculo 17:
ı

´
O conceito de atomos agregados ou de
´ ´
atomos ligados, chamados de ”moleculas”
´
aparece como uma hipotese feita pelo
ˆ
qu´mico irlandes Robert Boyle em 1661
ı
no seu tratado:
”The Sceptical Chymist”.
Robert Boyle

ı ´
Em 1738 o f´sico e matematico suico
¸
Daniel Bernoulli argumenta que os gases
consistem de um grande numero de
´
´
moleculas se movimentando em
¸˜
todas as direcoes.
”Hydrodynamica” de

Daniel Bernoulli

I 6 / 43

• Nasce ˆ
a moderna Teoria Atomica:
Em 21 de outubro de 1803 o qu´mico ingles
ı ˆ
John Dalton apresenta a 1a tabela de pesos
ˆ
atomicos na Manchester Literary Philosophical
´
Society. Ele toma emprestado de Democrito
´
a palavra atomo para chamar as part´culas
ı
´ ´
individuais dos quais a materia e composta.
John Dalton

I 7 / 43

• Nasce ˆ
a moderna Teoria Atomica:
Em 21 de outubro de 1803 o qu´mico ingles
ı ˆ
John Dalton apresenta a 1a tabela de pesos
ˆ
atomicos na Manchester Literary Philosophical
´
Society. Ele toma emprestado de Democrito
´
a palavra atomo para chamar as part´culas
ı
´ ´
individuais dos quais a materia e composta.
John Dalton

´
Dalton so volta a discutir publicamente a
ˆ
sua Teoria Atomica em 1808 em seu livro
”A New System of Chemical Philosophy”.
ˆ
Em 1810 ele escreve um novo apendice
A Tabela de elementos de Dalton ˆ
em que detalha a Teoria Atomica.
no seu livro: ”A New System

of Chemical Philosophy”.

I 7 / 43

ˆ
Os postulados da Teoria Atomica de John Dalton:
´ ´
1. Toda materia e composta de um numero
´
muito grande de part´culas muito pequenas
ı
´
chamadas atomos.

´ ˜
2. Para cada elemento, todos os atomos sao
ˆ
identicos em todos os aspectos. Em particular
´
todos os atomos de um mesmo elemento
A Tabela de elementos de Dalton
ˆ
tem o mesmo valor de massa, enquanto
¸˜ ´
e a formacao de moleculas.
´
atomos de elementos diferentes
possuem massas diferentes.
´ ˜ ¸˜
3. Os atomos sao as unidades das trocas qu´micas. Reacoes qu´micas
ı ı
¸˜ ´ ´ ˜
envolvem separacao ou rearranjo de atomos, mas atomos nao podem
´
ser criados, divididos em partes, ou convertidos em atomos de outros
tipos.
´ ´ ¸˜
4. Atomos se combinam para formar moleculas em proporcoes ﬁxas
de pequenos numeros inteiros.
´
I 8 / 43

ˆ
Em 1873 o f´sico escoces James Clerk
ı
Maxwell escreveu em seu artigo ”Molecules”
´
o conceito atual de molecula:

´ ´ ˜
”Um atomo e um corpo que nao pode ser
´ ´
cortado em dois, a molecula e a menor
¸˜ ˆ
porcao de uma substancia particular.”
James Clerk Maxwell

I 9 / 43

ˆ
Em 1873 o f´sico escoces James Clerk
ı
Maxwell escreveu em seu artigo ”Molecules”
´
o conceito atual de molecula:

´ ´ ˜
”Um atomo e um corpo que nao pode ser
´ ´
cortado em dois, a molecula e a menor
¸˜ ˆ
porcao de uma substancia particular.”
James Clerk Maxwell

´ ´ ´
A partir do seculo 19 os qu´micos nos ensinaram: a materia e formada
ı
´ ˜ grupos de atomos.
por moleculas, e essas sao ´

´ ´
Molecula de agua:
´ ˆ
02 atomos de hidrogenio: H
´ ˆ
01 atomo de oxigenio: O

I 9 / 43

¸˜
A primeira organizacao dos
elementos numa Tabela Periodica´
foi feita por Dimitri Mendeleiev
em 1869.

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

I 10 / 43

´
Tabela Periodica atual:

I 11 / 43

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

I 12 / 43

¸˜
´ ˜ ´
´

` ´ ´ ˜
Voltamos a pergunta original: sera que os atomos sao constitu´dos
ı
de partćulas elementares?
ı
ı ı ˜
Partćulas elementares: partćulas pontuais que nao apresentam
nenhuma estrutura.

I 12 / 43

¸˜
´ ˜ ´
´

` ´ ´ ˜
ı
ı
ı ı ˜
nenhuma estrutura.

˜
Para aﬁrmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certeza
˜
que ele nao se quebra em pedacos. Para veriﬁcarmos isso, que temos
¸
´
que tentar quebra-lo.

I 12 / 43

¸˜
´ ˜ ´
´

` ´ ´ ˜
ı
ı
ı ı ˜
nenhuma estrutura.

˜
Para aﬁrmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certeza
˜
que ele nao se quebra em pedacos. Para veriﬁcarmos isso, que temos
¸
´
que tentar quebra-lo.

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

I 12 / 43

J.J. Thomson descobriu o
´
eletron em 1897.

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

I 13 / 43

Em 1910 Ernst Rutherford analisou os
dados experimentais de H. Geiger e
ˆ
E. Marsden e propos um novo modelo
´
para o atomo:

I 14 / 43

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

´ ˆ
Atomo de hidrogenio: H
Nucleo com carga: + 1e
´
´
1 eletron com carga: - 1e

´ ˆ
Atomo de oxigenio: O
´
´
8 eletrons com carga: - 8e

I 15 / 43

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

´ ˆ
Atomo de hidrogenio: H
´
´
1 eletron com carga: - 1e

´ ˆ
Atomo de oxigenio: O
´
´
8 eletrons com carga: - 8e

´
Ate esse per´odo, as part´culas fundamentais seriam os nucleos dos
ı ı ´
´ ´
elementos da Tabela Periodica e o eletron.

I 15 / 43

ˆ
Os nucleos tem estrutura?
´

I 16 / 43

ˆ
Os nucleos tem estrutura?
´
˜ ´
Os nucleos sao compostos por duas part´culas: o proton e o neutron.
´ ı
´
O proton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918.

O neutron foi descoberto por
Sir James Chadwick, em 1932.

I 16 / 43

´ ´
Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomos
´
ˆ ˆ
do hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura:
Nucleo do hidrogenio: H+
´ ˆ
´
1 proton com carga: + 1e

Nucleo do oxigenio: O+8
´ ˆ
´
8 protons com carga: + 8e
8 neutrons com carga: 0

I 17 / 43

´ ´
Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomos
´
ˆ ˆ
do hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura:
Nucleo do hidrogenio: H+
´ ˆ
´
1 proton com carga: + 1e

Nucleo do oxigenio: O+8
´ ˆ
´
8 protons com carga: + 8e
8 neutrons com carga: 0

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

I 17 / 43

´ ´
Sera que apenas essas 3 part´culas elementares explicam toda a materia
ı
que temos no Universo?

I 18 / 43

´ ´
Sera que apenas essas 3 part´culas elementares explicam toda a materia
ı
que temos no Universo?
˜
Quais sao as escalas que temos no universo?
˜
Como observar objetos com tamanhos tao diferentes?

I 18 / 43

F´sica de Altas Energias: estuda as partćulas elementares.
ı ı
Temos a possibilidades de criar novas partćulas a partir de
ı
˜
colisoes ou decaimentos.
´ ˜ ˜
Partćulas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem em
ı
outras partćulas.
ı
´ ´
O neutron e estavel?

I 19 / 43

F´sica de Altas Energias: estuda as partćulas elementares.
ı ı
Temos a possibilidades de criar novas partćulas a partir de
ı
˜
colisoes ou decaimentos.
´ ˜ ˜
Partćulas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem em
ı
outras partćulas.
ı
´ ´ ´ ´
O neutron e estavel? Dentro dos nucleos o neutron e estavel, mas
´
´
livres eles decaem com vida media de 887s (14,8 minutos).
Decaimento do neutron livre:

n → p + e − + νe
¯

´
que e denominado de decaimento β.

I 19 / 43

´ ˆ
O neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?
Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” do
¸
´ ´
nosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele:

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

ˆ ´
• diametro do atomo: ˆ
10−10 m = diametro de um cabelo
1.000.000

ˆ
• diametro do nucleo:
´ ˆ
10.000.000.000

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

I 20 / 43

´ ˆ
O neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?
Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” do
¸
´ ´
nosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele:

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

ˆ ´
• diametro do atomo: ˆ
1.000.000

ˆ
• diametro do nucleo:
´ ˆ
10.000.000.000

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

ˆ ˜
A nossa experiencia do dia-a-dia nao nos permite imaginar o que ocorre
ˆ
na escala atomica, nuclear, etc...

I 20 / 43

Tamanho do atomo: ∼ 10−10 m
´

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

I 21 / 43

Tamanho do atomo: ∼ 10−10 m
´

ˆ ˆ ˆ
Como “ver” os fenomenos atomico e sub-atomicos?
´ ´
Os primordios do estudo experimental do atomo:
ˆ
• Experiencia de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909

Bombardeamento de folhas de
ouro por feixes de part´culas α
ı
´ ´
(nucleos do atomo de helio).
´
Eles mediram o numero
´
de part´culas que mudaram a
ı
¸˜ ´ ˜
direcao apos a colisao.

I 21 / 43

ˆ ˆ
• Camara de Wilson (camara de nuvens): 1911

ˆ ´
Camara de vapor d’agua
óns sao
supersaturada. I ˜
¸˜
nucleos de condensacao de
´
´
gotćulas d’agua.
ı
Charles T. R. Wilson

ˆ
Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Camara de Wilson para detectar
o positron (e+ ), a anti-partćula do eletron:
´ ı ´

I 22 / 43

ˆ
• Camara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em 1952. Uma
ˆ
camara com l´quidos superaquecidos nos quais part´culas carregadas
ı ı
´
deixam bolhas microscopicas.

Donald Glaser ˆ
Esquema da camara de bolhas

I 23 / 43

˜
Exemplos de placas de emulsao com eventos experimentais, obtidas
ˆ
em Camaras de Bolhas:

Decaimento de part´culas.
ı
˜
Neutrino: o que nao aparece!!!

I 24 / 43

´ ˆ
Nas ultimas transparencias falamos em outras partćulas elementares
ı
´ ´ ´ ´
alem do eletron, proton e neutron: positron, neutrino, ...

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

I 25 / 43

` ´ ˜
Voltamos a pergunta original: Sera que todas essas part´culas sao
ı
´ ˆ
elementares? Ou sera que elas tem estrutura?
A F´sica experimental de altas energias continuou detectando
ı
novas part´culas:
ı

´ ˜
Em 1963/64 nasce a proposta dos quarks: os protons e neutrons sao
estados ligados de quarks.

I 26 / 43

ˆ
Como classificamos hoje as partćulas sub-atomicas?
ı

ˆ
Partćulas sub-atomicas
ı

´
Leptons ´
Hadrons

I 27 / 43

ˆ
Como classificamos hoje as partćulas sub-atomicas?
ı

ˆ
Partćulas sub-atomicas
ı

´
Leptons ´
Hadrons

´
• Lepton: partćulas elementares.
ı
´ ´
Ex. de lepton: eletron.

´
• Hadrons: partćulas compostas formadas de partćulas elementares.
ı ı
´ ´
Exs. de hadrons: proton e neutron.

I 27 / 43

´
Leptons
Part´cula
ı ´
Vida media Decaimento
(segundos) ´
mais provavel

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 part´cula elementar e estavel!!!!!!
ı

I 28 / 43

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

Murray Gell-Mann George Zweig

´ ˜
Os protons e neutrons sao feitos de quarks:

I 29 / 43

˜ ´
Divisao dos Hadrons:

´
Hadrons

´
Mesons ´
Barions

´ ´
Qual a diferenca entre Barions e Mesons?
¸

⇒

I 30 / 43

˜ ´ ´ ¸˜
O que sao os mesons? Part´culas responsaveis pelas interacoes entre
ı
nucleos.
´

´
Mesons

Part´cula
ı ´
(segundos) ´
mais provavel

π± 2, 6 × 10−8 µ + + νµ
π0 0, 84 × 10−16 2γ
K± 1, 23 × 10−8 µ ± + νµ
K0 0.89 × 10−10 π+ + π− , π0 + π0
.
. .
. .
.
. . .

I 31 / 43

´
Barions

Part´cula
ı ´
(segundos) ´
mais provavel

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 part´cula estavel.
ı

I 32 / 43

´
Barions

Part´cula
ı ´
(segundos) ´
mais provavel

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 part´cula estavel.
ı
Idade do Universo: 1017 s (∼ 15 bilhoes de anos)
˜
I 32 / 43

Qual a caracter´stica dos quarks, as novas part´culas elementares?
ı ı

Quarks

Sabores ´
Carga Eletrica (e)

u(up) + 2e
3
d(down) − 1e
3
s(strange) − 1e
3
c(charm) + 2e
3

b(bottom) − 1e
3
t(top) + 2e
3

I 33 / 43

´
Como entendemos hoje a materia?

⇒

ˆ
A escala atomica:

I 34 / 43

˜ ¸˜
Como estudar part´culas tao diminutas? Uma nova geracao de
ı
Aceleradores de Altas Energias.
CERN:

Sede do CERN Onde ﬁcam os detetores.

Detetor Atlas Detetor CMS

I 35 / 43

Fermi Lab:

Edf. principal ´
Vista aerea do Fermi Lab

Corredor do anel Detetor de part´culas
ı

I 36 / 43

SCLAC:

O entardecer no SLAC ´
Vista aerea do SLAC

Acelerador linear Esquema do acelerador linear

I 37 / 43

˜ ´
Ainda usamos placas de emulsao fotograﬁca para coletar as part´culas
ı
´ ˜ ˆ ˜ ˜
apos as colisoes sub-atomicas? Certamente nao... As colisoes sao ˜
reconstru´das por super-computadores:
ı

¸˜
Deteccao do W Chuveiro de gluons
´

˜ ´
Colisao de protons relativ´sticos
ı ´
O boson de Higgs foi descoberto!!!

I 38 / 43

As part´culas elementares de hoje:
ı

I 39 / 43

Comecamos procurando todos os
¸
tijolos da Natureza, para descrever
´
toda a materia do Universo.

´
Sera que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?

I 40 / 43

˜
Nao sabemos!!!!
A busca continua...

I 41 / 43

Bibliograﬁa de Apoio:
[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Part´culas
ı
Elementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418).
´ ˜
[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,
Editora Livraria da F´sica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8).
ı
´
[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons,
´
´ ˆ o
γ, W, Z ...A Materia Indivis´vel, Ciencia Hoje, vol. 3, n. 14
ı
´
(Setembro/Outubro) (1984) pag. 42.

I 42 / 43

Bibliograﬁa de Apoio:
[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Part´culas
ı
Elementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418).
´ ˜
[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,
Editora Livraria da F´sica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8).
ı
´
[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons,
´
´ ˆ o
γ, W, Z ...A Materia Indivis´vel, Ciencia Hoje, vol. 3, n. 14
ı
´
(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

I 42 / 43

ˆ ´ ˜
As transparencias deste seminario estao no blog:

http://mttdivulgacao.blogspot.com
¸˜
na seccao:

¸˜ ´
“Divulgacao ja realizada no Ensino Fundamental´´

ˆ ´
Voce pode assitir este seminario no ”YouTube”:
http://www.youtube.com/watch?v=NkR8kZWV6bg

I 43 / 43

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