O Que é Física

O Que é Física

(Parte 4 de 4)

Hoje conhecemos em detalhe não só o número de prótons e nêutrons em cada núcleo de cada elemento químico, mas também como eles estão dispostos dentro do núcleo, isto é, qual a onda associada a cada partícula.

As forças que agem entre os prótons e nêutrons dentro dos núcleos são muito intensas, muito mais intensas do que as forças entre o núcleo e os elétrons ou entre elétrons ou ainda entre átomos diferentes numa molécula ou num corpo sólido. Correspondentemente, as energias em jogo são muito maiores: para arrancar um próton ou um nêutron de um núcleo é necessário fornecer energia correspondente a milhões de volts, enquanto que para arrancar um elétron de um átomo bastam em geral alguns volts, e para separar um átomo de uma molécula, décimos de volts são o suficiente. Em certas reações nucleares há liberação de muita energia, e estas são as reações importantes para bombas e para reatores. Num caso, a súbita liberação de energia provoca enorme explosão; noutro, as reações ocorrem gradualmente, entre poucos núcleos de cada vez, e assim a energia pode ser aproveitada para gerar calor e eletricidade para uso industrial e residencial.

A fissão foi a reação utilizada primeiramente para liberar energia: quando se bombardeia o Urânio com nêutrons, provoca-se a divisão do núcleo pesado em dois núcleos, cada um com aproximadamente metade da massa, e há liberação de energia correspondente a duzentos milhões de volts para cada núcleo fissionado. Este processo artificial ocorre em reatores e em bombas de fissão; não existe na natureza. O outro grupo importante de reações, importante energeticamente, é o de fusão, em que vários núcleos leves colidem e formam um núcleo mais pesado, liberando energia. Por exemplo, dois nêutrons se fundem produzindo um núcleo de hélio e energia correspondente a vinte e quatro milhões de voltas. A fusão exige temperaturas muito altas e ocorre em bombas de hidrogênio, que precisam ser detonadas com uma bomba de fissão para alcançar a temperatura suficiente; não se conseguiu ainda provocar fusão de modo controlado, em um reator. Por outro lado, a fusão ocorre naturalmente no interior do Sol e das estrelas, onde a temperatura é alta. É da fusão nuclear que provém a energia irradiada pelo Sol e pelas estrelas.

Os antigos chamavam de elementos a terra, a água, o ar e o fogo, acreditando que tudo é formado desses constituintes fundamentais. Já no século dezenove acreditava-se que todas as substâncias são formadas a partir dos elementos químicos: hidrogênio, hélio, lítio, e assim por diante, até chegar no urânio. A cada elemento correspondia um tipo de átomo. Quando se descobriu que todos os átomos são formados de prótons, nêutrons e elétrons parecia que estas três partículas é que eram verdadeiramente os elementos do Universo. Entretanto, a coisa é mais complicada, e hoje se conhecem centenas de partículas diferentes chamadas elementares!

Além do próton, nêutron e elétron, devemos logo incluir na lista o fóton: como ele transporta energia, tem também massa e é uma partícula como as outras, com a propriedade especial de ter sempre a velocidade da luz e não existir parado ou com velocidade menor. Por outro lado, a radiatividade com emissão de elétron, chamada desintegração beta, pode-se dar por emissão de elétrons de carga negativa, iguais aos dos átomos, ou de elétrons positivos, que não existem nos átomos. Os elétrons positivos têm vida curta: quando chegam perto de um elétron comum, negativo, colidem e desaparecem, dando lugar a dois fótons de alta energia. A desintegração beta é ainda acompanhada sempre de emissão de uma outra partícula, chamada neutrino, e de cuja existência só se desconfiou após muitos anos de estudo da desintegração beta. O neutrino é eletricamente neutro e muito leve, destacando-se, como o fóton, à velocidade da luz; interage muito fracamente com o elétron e com o próton, e por isso demorou tanto para ser descoberto. Concluiu-se indiretamente por sua existência a partir do fato de o elétron emitido em uma desintegração beta (por exemplo, a transformação do nêutron em próton) não ter sempre a mesma energia: ora tem alta energia, ora baixa. Como o nêutron inicial e o próton final são sempre os mesmos, a diferença de energia devia estar sendo levada por outra partícula que não estava sendo observada. Depois de postulada a existência do neutrino por

Fermi, na Itália, demorou mais de vinte anos até ele ser observado diretamente – mas nesta altura as evidências indiretas já eram tão fortes, que ninguém duvidava de que existisse. Hoje já se conhecem diversos tipos diferentes de neutrinos.

O campo de forças que age entre o nêutron e o próton está associado a outra partícula, o píon, previsto teoricamente por Yukawa, no Japão, e observado na Inglaterra, em 1947, por Lattes (brasileiro), Ochialini (italiano) e Powell (inglês). Existem três píons, de carga positiva, negativa e nula. Os píons exercem forças intensas sobre prótons e nêutrons, e pode-se imaginar que a força entre nêutron e próton é devida à emissão e absorção de píons pelas duas partículas. O píon desempenha para o campo de forças nêutronpróton um papel semelhante ao do fóton para o campo eletromagnético. Entretanto, o píon tem massa de cerca de um sexto da do próton e se move em geral com velocidade bem menor que a da luz. Os píons têm vida curta, de fração de segundos, e se desintegram emitindo um neutrino e se transformando em um múon.

A partir de 1950, entraram em operação muitos aceleradores com energias maiores do que centenas de milhões de volts e foram descobertas muitas novas partículas ainda chamadas de elementares. Em 1960, eram trinta e hoje centenas, tanto assim que já não se usa o adjetivo elementares. São classificadas em quatro grandes grupos: 1) o fóton, que, sozinho, forma um grupo; os léptons, que compreendem os elétrons, os neutrinos, os múons e uma partícula chamada taú (ou tauon), que se caracterizam por não sofrer as interações fortes (que são responsáveis pela força nêutron-próton), mas somente as interações chamadas fracas, responsáveis pela desintegração beta e emissão de múons. As partículas que sofrem interações fortes formam os dois grupos seguintes: 3) os mésons, que incluem os píons e muitas partículas mais pesadas descobertas recentemente, tais como os mésons K e D; 4) os bárions, que incluem o próton e o nêutron, e muitas partículas mais pesadas descobertas também nos últimos anos, e batizadas segundo letras gregas: Lamda, Sigma, Omega, etc.

As forças que agem entre as partículas são de três tipos: fortes, eletromagnéticas e fracas. Se acrescentarmos a força gravitacional (que é fraca demais para ser observada experimentalmente sobre partículas individuais, mas produz efeitos notáveis sobre muitas delas reunidas em corpos macroscópicos), ficamos com uma lista completa de todas as forças fundamentais do Universo. Em outras palavras, todas as forças que conhecemos no mundo, agindo sobre corpos grandes ou pequenos, são combinações destes quatro tipos de forças. Assim, o peso e as forças entre astros são gravitacionais, as forças entre átomos dentro de moléculas ou em sólidos são de natureza elétrica, resultantes das atrações e repulsões elétricas entre os elétrons (negativos) e núcleo (positivo) de átomos vizinhos; a força que age entre dois corpos sólidos (por exemplo, um pé-de-mesa apoiado sobre o chão, ou o atrito quando a mesa é arrastada) é, da mesma forma, elétrica. As interações fortes e fracas agem somente em distâncias muito curtas e não aparecem diretamente em fenômenos do dia-a-dia: são importantes somente dentro e na vizinhança dos núcleos e das partículas.

Quando os grandes aceleradores começaram a ser construídos, no pós-guerra, acreditava-se que eles permitiriam entender a estrutura mais íntima da matéria em pouco tempo. À medida que eram descobertas mais partículas, entretanto, a situação ficava cada vez mais complicada: em lugar de esclarecer, as novas informações estavam confundindo. Foram necessários mais de vinte anos, muitas experiências e muitas teorias para se conseguisse colocar em ordem e classificar as descobertas, e isso foi feito postulando a existência de um novo tipo de partícula, os quarks.

Admite-se que existem seis tipos de quarks, mas nunca se conseguiu observar um quark livre: só aparecem em pares, ou em grupos de três ou mais. A sua existência é inferida porque explica bem a existência de outras partículas – estas, sim, observadas. Assim, todos os mésons conhecidos podem ser explicados como pares de quarks, e todos os bárions como combinações de três quarks. As partículas que sofrem interações fortes são muito bem enquadradas no modelo dos quarks, que vem gradualmente sendo aceito pelos físicos, apesar de não se observarem diretamente os atores principais. Se existissem quarks livres, deveriam ser identificados com certa facilidade, pois teriam carga elétrica de um terço ou dois terços da carga do elétron. Nunca se observou uma carga menor que a do elétron (exceto a carga nula), e admite-se hoje que os quarks não existem livres, mas somente em grupos de dois ou mais, confinados no interior das partículas.

As verdadeiras partículas elementares seriam então os seis quarks, que combinados de diversas maneiras reproduzem os mésons e os bárions, e mais seis tipos de léptons (elétron, múon, tauon e os respectivos neutrinos), além do fóton. Toda matéria e toda energia no Universo seria composta desses “elementos”.

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