O documento apresenta uma breve história da compreensão da matéria, desde as ideias dos filósofos gregos sobre os "tijolos da natureza" até as partículas elementares atuais. Começa com Demócrito propondo que a matéria é constituída de átomos indivisíveis, passa pelas descobertas do elétron, próton e nêutron, e chega aos quarks como as partículas fundamentais atuais segundo o Modelo Padrão.

1. "Do átomo pré-
socrático às novas
partículas
elementares:
Uma breve historia da
matéria.”
Prof. MSc Wander Amorim
UEMG/ campus Ubá
FAMINAS
Semana Acadêmica de
Matemática, Física e Química
18/09/2013

2. Apresentarei uma visão geral
sobre as Partículas elementares a partir
das quais toda a Matéria ou substâncias
são constituídas.
Os gregos começaram a busca
dessas partículas a 2.400 anos atrás:
os tijolos da Natureza!!!
•Resumo da apresentação:
!

3. • Por convenção exeiste a cor,
por convenção existe a doçura,
por convenção existe o amargo,
mas na realidade existe
átomos e espaço”
• Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o átomo
A pergunta milenar...
O que é o átomo?
Demócrito (400 A.C.)

4. O que significa a palavra átomo?
A palavra átomo vem do grego e significa: indivisível.
Na Grécia antiga os filósofos Demócrito e seu mestre
Leucipo afirmavam que se quebrássemos um objeto
em pedaços cada vez menores, os pedaços manteriam as
mesmas propriedades que o objeto original, até alcançarmos
o átomo.
O átomo seria o menor pedaço do corpo que ainda
conservaria as suas propriedades.
A proposta da escola grega implicaria que teríamos um
número incalculável de átomos para descrever o mundo que
nos cerca, por exemplo: água, pedra, papel, laranja,
sangue...
A proposta grega não está correta, mas será que ela tem
algum traço de verdade ?

5. • Toda a matéria (orgânica e inorgânica) é, constituída a
partir de objetos básicos que seriam os
tijolos da Natureza ?
A versão atual da pergunta dos filósofos gregos:

6. • Muita água.. • Uma gota d'água!!!
Para acompanharmos como a compreensão do
átomo/tijolos da Natureza foi se modificando
até o dia de hoje, vamos nos fixar num material:
a água.

7. Os químicos do século 19: a matéria é formada por
moléculas, e essas são grupos de átomos.
Molécula de água:
02 átomos de hidrogênio: H
01 átomo de oxigênio: O

8. A primeira organização dos elementos numa Tabela
Periódica foi feita por Dimitri Mendeleiev em 1869.
Tabela Periódica
Tabela Periódica de Mendeliev (1869): 103 átomos !!!!

9. Tabela Periódica atual:

10. Com a classificação dos elementos por Mendeleiev em 1869
passamos a ter 103 átomos distintos!!! Este número não é
grande demais?
Voltamos à pergunta original: A matéria é constituída
Por somente átomos!! E os átomos são constituídos
de partículas elementares?
Partículas elementares: partículas pontuais que não
apresentam nenhuma estrutura.
Para afirmar que um objeto não tem estrutura, temos que
ter a certeza que ele não se quebra em pedaços. Para
verificarmos isso, que temos que tentar quebrá-lo.
Por ex.: uma bilha tem estrutura?

11. J.J. Thomson descobriu o elétron em 1897.
A partir da descoberta do elétron, o átomo passou a
descrito como sendo um “pudim”:
John Dalton, modelo atômico 1803.
Modelo da esfera rígida, maciça, indivisíveis e
indestrutíveis.
Esse modelo é conhecido como a “bola de Bilhar”

12. Em 1910 Ernst Rutherford analisou os
dados experimentais de H. Geiger e
E. Marsden e propôs um novo modelo para o átomo:

13. A molécula de água após a proposta de Rutherford para o
átomo:
Átomo de hidrogênio: H
Núcleo com carga: + 1e
1 elétron com carga: - 1e
Átomo de oxigênio: O
Núcleo com carga: + 8e
8 elétrons com carga: - 8e
Até esse período, as partículas fundamentais seriam os
núcleos dos elementos da Tabela Periódica e o elétron.

14. Os núcleos têm estrutura?
Os núcleos são compostos por duas partículas: o próton e o
neutron.
O próton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918.
O neutron foi descoberto por
Sir James Chadwick, em 1932.

15. Com as descobertas do próton e do neutron, os núcleos dos
átomos do hidrogênio e oxigênio passam a ter estrutura:
Núcleo do hidrogênio: H+
1 próton com carga: + 1e
Núcleo do oxigênio: O+8
8 prótons com carga: + 8e
8 neutrons com carga: 0
Na década de 30 as partículas fundamentais conhecidas
eram: elétron, próton e neutrons.
Apenas 3 tijolos da Natureza.

16. Será que apenas essas 3 partículas elementares explicam
toda a matéria que temos no Universo?
Quais as escalas que temos no universo?
Como observar objetos com tamanhos tão diferentes?
próton nêutronmediadores
1fm=10^(-13)cm
10^(-16)cm
elétron
1fm
Pi,K,w,sigmas,etc..
nano robô 10^(-7)cm fio de cabelo 10^(-3)cm
Big Bang
Universo 156 Bi de anos-luz
(1,482.e+24 km ou
1,482e+30cm)

17. Física de Altas Energias: estuda as partículas
elementares. Temos a possibilidades de criar novas
partículas a partir de colisões ou decaimentos.
Partículas estáveis são aquelas que quando livres não
decaem em outras partículas.
O neutron é estável? Dentro dos núcleos o neutron é
estável, mas livres eles decaem com vida média de 887s
(14,8 minutos). Decaimento do neutron livre:
n→p+e− +νe
que é denominado de decaimento β

18. O neutron e o próton têm estrutura? Qual o tamanho deles?
Vejamos a diferença de tamanho (escalas) entre objetos
“pequenos” do nosso dia-a-dia e o tamanho do átomo e o que
está dentro dele:
• diâmetro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4 m
• diâmetro do átomo: 10−10 m
10−14 m
10−15 m
≤ 10−18 m
• diâmetro do núcleo:
• diâmetro do próton:
• diâmetro do elétron:
A nossa experiência do dia-a-dia não nos permite imaginar o
que ocorre na escala atômica, nuclear, etc...

19. Tamanho do átomo: ∼ 10−10 m
Como “ver” os fenômenos atômico e sub-atômicos?
Os primórdios do estudo experimental do átomo:
• Experiência de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909
Bombardeamento de folhas de
ouro por feixes de partículas α
(núcleos do átomo de hélio).
Eles mediram o número
de partículas que mudaram a
direção após a colisão.

20. • Câmara de Wilson (câmara de nuvens): 1911
Câmara de vapor d’água
supersaturada. Íons são
núcleos de condensação de
gotículas d’água.
Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Câmara de Wilson
para detectar o pósitron (e+), a anti-partícula do elétron:

21. • Câmara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em
1952. Uma câmara com líquidos superaquecidos nos quais
partículas carregadas deixam bolhas microscópicas.
Donald Glaser
Esquema da câmara de bolhas

22. Exemplos de placas de emulsão com eventos experimentais,
obtidas em Câmaras de Bolhas:
Neutrino: o que não aparece!!!
Decaimento de partículas.

23. Nas últimas transparências falamos em outras partículas
elementares além do elétron, próton e neutron: pósitron,
neutrino, káons, ...
A partir da década de 30 com o advento dos novos
aceleradores de partículas, o número de partículas
“elementares” cresceu e muito!!!!
Até a década de 60:

24. Voltamos à pergunta original: Será que todas essas
partículas são elementares? Ou será que elas têm estrutura?
A Física experimental de altas energias continuou
detectando novas partículas:
Em 1961 nasce a proposta dos quarks: os prótons e
neutrons são estados ligados de quarks.

25. Como classificamos hoje as partículas sub-atômicas?

26. Nem toda partícula elementar é estável!!!!

27. • Hádrons: em 1961 Murray Gell-Mann e Kazuhiko
Nishijima propuseram o model de quarks.
Murray Gell-Mann Kazuhito Nishijima
Os prótons e neutrons são compostos de quarks:

28. • Existem duas classes de hádrons:
HÁDRONS
BÁRIONS MÉSONS
São hádrons compostos
por três quarks (qqq)
Como os prótons são
constituídos por dois
quarks up e um quark
down (uud), E assim
também são os nêutrons
(udd).
São hádrons compostos
por um quark (q) e um
antiquark ( )
Um exemplo de méson é o
píon, que é composto por
um quark up e um antiquark
down.

29. • O Próton não é uma partícula estável.
• A idade do Universo é aproximandamente 1017 s ( 15 bilhões de anos)

30. Qual é a característica dos Quarks,
as novas partículas elementares?

31. As partículas elementares de hoje:

32. • A Geração de Matéria
• 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.
• Se as gerações acima da primeira decaem
rapidamente, são raramente observadas e não
compõem nenhuma matéria estável ao nosso redor,
então por que elas existem?

33. • As Quatro Interações ou O que mantém o universo
unido?
• O universo que conhecemos existe porque as
partículas fundamentais interagem.
• Existem quatro interações fundamentais entre as
partículas, e todas as forças podem ser atribuídas a
essas quatro interações!

34. Começamos procurando todos os
tijolos da Natureza, para descrever
toda a matéria do Universo.
Será que conseguimos encontrar todos os tijolos da
Natureza?

35. • Além da Matéria, o que podemos esperar!?
• O Modelo Padrão responde a muitas das perguntas sobre a
estrutura e a estabilidade da matéria com seus seis tipos de
quarks, seis tipos de léptons, e quatro forças. Mas ainda
existem muitas perguntas sem resposta.
• Por que vemos mais matéria do que antimatéria se deveríamos
ter simetria (igualdade) entre as duas no Universo?
• Os quarks e léptons são realmente fundamentais, ou são
constituídos de partículas mais fundamentais?
• Como a gravidade se encaixa em tudo isso?
• Em nosso cotidiano, observamos apenas a primeira geração
de partículas (elétrons, neutrinos e- e quarks up/down). Por
que a natureza "precisa" das outras duas gerações?
• O que é toda esta matéria extra no universo que não podemos
explicar usando métodos normais?
• Por que o Modelo Padrão não pode prever a massa de uma
partícula? (O Modelo Padrão não consegue explicar por quê
algumas partículas são do jeito que são )

36. Muito Obrigado!!

37. Bibliografia de Apoio:
[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Partículas
Elementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418).
[2] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Léptons, Glúons,
γ, W, Z ...A Matéria Indivisível, Ciência Hoje, vol. 3, no 14 (Setembro/Outubro)
(1984) pág. 42.
[3] Abrindo o Coração da Matéria, Ciência Ilustrada, Novembro/Dezembro (1982)
pág. 58.
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