Telecurso 2000. Física Completo. - 48

Telecurso 2000. Física Completo. - 48

(Parte 1 de 2)

48AULA48 A U L A

Outro dia, Maristela chegou atrasada ao trabalho. TambØm, nªo Ø para menos: estudar de noite e trabalhar de dia nªo Ø nada fÆcil! Ela estava muito cansada e, para piorar as coisas, o despertador quebrou: simplesmente parou de funcionar, e ela continuou dormindo. Acontece!

Quando finalmente acordou, Maristela pegou o despertador e olhou bem para ele. Nªo sabia o que tinha acontecido e, alØm disso, nªo entendia nada sobre o seu funcionamento. Mas, muito curiosa, resolveu investigar...

-Vou tentar abrir este despertador. Quem sabe eu consigo arrumÆ-lo!

Assim nªo preciso levÆ-lo para consertar, e ainda faço um pouco de economia!

Maristela ficou surpresa ao verificar que no despertador nªo havia nenhum parafuso!

-Se eu nªo abrir o despertador, como vou poder estudÆ-lo e tentar compreender o seu funcionamento? O que vou fazer?

o que tem lÆ dentro! Mas acho que ele nunca mais iria funcionar- concluiu,

Maristela ficou furiosa! -Estou com vontade de atirar esta "coisa" na parede! Assim eu poderia ver desanimada.

Se atirasse o relógio contra a parede com muita força, para que ele se dividisse em muitos pedacinhos, Maristela iria pelo menos saber o que havia dentro dele. É claro que essa nªo Ø uma maneira muito esperta de estudar o funcionamento e os componentes de um relógio, mas pode ser uma excelente idØia para estudar a matØria! VocŒ vai descobrir por quŒ.

Mergulhando mais fundo na matØria

No início deste sØculo, o modelo adotado para descrever o Ætomo era o de Rutherford-Bohr,Rutherford-Bohr,Rutherford-Bohr,Rutherford-Bohr,Rutherford-Bohr, que estudamos na aula passada. Muitos cientistas trabalhavam nesse campo, o da física atômicafísica atômicafísica atômicafísica atômicafísica atômica. Eles sabiam que alguns materiais emitem radiaçªoradiaçªoradiaçªoradiaçªoradiaçªo e algumas formas diferentes de radiaçªo jÆ haviam sido observadas - inicialmente por Wilhelm RöntgenWilhelm RöntgenWilhelm RöntgenWilhelm RöntgenWilhelm Röntgen (raios X, que estudaremos mais adiante), em 1895, depois por Henri BecquerelHenri BecquerelHenri BecquerelHenri BecquerelHenri Becquerel e por Marie CurieMarie CurieMarie CurieMarie CurieMarie Curie (raios alfa), em 1896.

Mergulhando no nœcleo do Ætomo

AULAUma dessas formas de radiaçªo sªo as partículas alfaalfaalfaalfaalfa, de que falamos na aula passada. VocŒ deve lembrar que as alfas foram usadas por Rutherford

-um elemento químico que possui dois prótons no nœcleo, isto Ø, Z=2.

para investigar a estrutura do Ætomo. Mais tarde elas tambØm foram usadas para investigar o próprio nœcleo atômiconœcleo atômiconœcleo atômiconœcleo atômiconœcleo atômico. As alfas sªo partículas com carga positiva, e hoje nós sabemos que cada alfa Ø igual ao nœcleo do Ætomo de hØliohØliohØliohØliohØlio Portanto, uma partícula alfa Ø um Ætomo de hØlio, mas sem os elØtrons.

Quando investigamos o nœcleo atômico, mergulhamos mais fundo na matØria e entramos no campo da física nuclearfísica nuclearfísica nuclearfísica nuclearfísica nuclear. Juntamente com Rutherford, um cientista que contribuiu muito para a física nuclear foi James Chadwick. James Chadwick. James Chadwick. James Chadwick. James Chadwick. Em 1932, ele bombardeou o elemento berílioberílioberílioberílioberílio com partículas alfa e observou um tipo de radiaçªo capaz de atravessar camadas muito grossas de matØria. Concluiu que essa radiaçªo era formada por partículas diferentes das alfas, por duas razıes: nªo tinham carga elØtrica (eram neutras) e eram mais leves (tinham massa quase igual à do prótonprótonprótonprótonpróton).

Por ser neutra, a nova partícula foi chamada de nŒutronnŒutronnŒutronnŒutronnŒutron. Chadwick concluiu que os nŒu-nŒu-nŒu-nŒu-nŒutronstronstronstronstrons vinham de dentro do nœ-nœ-nœ-nœ-nœcleocleocleocleocleo, onde estavam junto com os prótonsprótonsprótonsprótonsprótons. Prótons e nŒutrons compıe o nœcleo do Ætomonœcleo do Ætomonœcleo do Ætomonœcleo do Ætomonœcleo do Ætomo, como mostra a Figura 1. É claro que nesta figura o nœcleo aparece bem maior do que realmente Ø: para as órbitas que foram desenhadas, o nœcleo seria invisível.

Como o nœcleo se mantØm unido?

Devido à força elØtrica repulsiva, os prótons deveriam se afastar uns dos outros. Os nŒutrons nªo possuem carga elØtrica, logo nªo interagem por meio da força elØtrica. Entªo, como Ø que todas essas partículas se mantŒm unidascomo Ø que todas essas partículas se mantŒm unidascomo Ø que todas essas partículas se mantŒm unidascomo Ø que todas essas partículas se mantŒm unidascomo Ø que todas essas partículas se mantŒm unidas, formando o nœcleoformando o nœcleoformando o nœcleoformando o nœcleoformando o nœcleo?

Se nªo Ø a força elØtrica que as mantØm juntas, vocŒ pode imaginar que talvez isso ocorra por causa da atraçªo gravitacional. Vamos ver. Na Aula 37 vocŒ teve oportunidade de calcular a intensidade da força elØtrica e da força gravitacional entre um próton e um elØtron. Deve lembrar que a força gravitacional Ø muito menor que a força elØtrica. Portanto, podemos concluir que tambØm nªo Ø a força gravitacional o que mantØm as partículas nucleares unidas!

partículas nucleares existe uma força muito intensa força muito intensa força muito intensa força muito intensa força muito intensa -muito mais intensa que a
força gravitacional e que a força elØtrica- que Ø responsÆvel pela uniªo dos

Para explicar a existŒncia do nœcleo atômico foi necessÆrio imaginar a existŒncia de um novo tipo de força: a força nuclearforça nuclearforça nuclearforça nuclearforça nuclear. A idØia Ø que entre duas prótons e nŒutrons no nœcleo.

Figura 1. Esquema do átomo com prótons, nêutrons e elétrons

TIPOTIPOTIPOTIPOTIPODEDEDEDEDE FORAFORAFORAFORAFORAENTREENTREENTREENTREENTRE...............INTENSIDADEINTENSIDADEINTENSIDADEINTENSIDADEINTENSIDADEATRATIVAATRATIVAATRATIVAATRATIVAATRATIVA OUOUOUOUOU REPULSIVAREPULSIVAREPULSIVAREPULSIVAREPULSIVA?????

48AULA gravitacional elØtrica nuclear massas partículas com carga elØtrica partículas nucleares muito fraca fraca forte sempre atrativa atrativa ou repulsiva sempre atrativa

No quadro abaixo relacionamos as forças fundamentais que vocŒ jÆ conhece, e indicamos tambØm entre que tipos de partículas elas existem:

Mas nem todos os nœcleos permanecem unidos...

Na aula passada falamos na radioatividaderadioatividaderadioatividaderadioatividaderadioatividade. Esse fenômeno Ø conhecido desde o final do sØculo passado e Ø caracterizado pela emissªo de radiaçªo. Naquela Øpoca, eram conhecidas trŒs formas de radiaçªo: os raios alfaalfaalfaalfaalfa, betabetabetabetabeta e gamagamagamagamagama. As alfa vocŒ jÆ conhece. As betas sªo partículas bem mais leves do que as alfas, iguais aos elØtrons que existem ao redor do nœcleo. As betas, porØm, sªo produzidas em reaçıes que ocorrem no interior do nœcleo atômico. A radiaçªo gama Ø semelhante à luz.

Mais tarde descobriu-se que existem dois tipos de betas: as negativas, como os elØtrons, e as positivas, chamadas tambØm de pósitronspósitronspósitronspósitronspósitrons, que sªo semelhantes aos elØtrons, sendo tambØm produzidas em reaçıes nucleares, mas possuem carga elØtrica positiva. Observe o quadro abaixo:

VocŒ deve ter observado, pela tabela acima, que essas partículas possuempossuempossuempossuempossuem carga elØtricacarga elØtricacarga elØtricacarga elØtricacarga elØtrica. Essa característica da radiaçªo torna-a muito perigosa. Vamos entender por que estudando o processo de emissªo de partículas.

nio, o oxigŒnio- a maioria dos elementos - sªo estÆveis e nªo emitem nenhum

Nem todos os elementos químicos sªo radioativos. O hidrogŒnio, o nitrogŒ- tipo de radiaçªo. Mas alguns elementos sªo instÆveis e emitem partículas.

Ao emitir radiaçªo, o nœcleo de um elemento químico radioativo perde partes de si. Veja o seguinte exemplo: no nœcleo do elemento urânio existem 92 prótons, portanto Z = 92. O que ocorre quando ele emite uma partícula alfa, formada por dois prótons e dois nŒutrons? Observe o esquema:

U (Z=92) U (Z=92) U (Z=92) U (Z=92) U (Z=92) -a (Z=2) (Z=2) (Z=2) (Z=2) (Z=2) fi outro elemento com Z = 90 Z = 90 Z = 90 Z = 90 Z = 90

VocŒ jÆ sabe que cada elemento químico Ø caracterizado pelo seu nœmero atômico, Z. Ao emitir a alfa, o nœcleo de urânio perde dois prótons e dois nŒutrons, transformando-se em outro elemento químico, que tem Z = 90 e se chamado tório.

E o que acontece com a alfa que foi emitida? Ela caminha solta pelo espaço atØ encontar matØria, onde Ø absorvida. O problema Ø quando essa alfa encontra, por exemplo, o nosso corpo...

positiva positiva negativa

CARGACARGACARGACARGACARGAELÉTRICAELÉTRICAELÉTRICAELÉTRICAELÉTRICA

alfa beta+ beta-

2 prótons + 2 nŒutrons pósitron elØtron

AULAOs perigos da radiaçªo

As partículas saem do nœcleo radioativo com bastante energia cinØtica. Ao penetrar na matØria, elas transferem energia aos Ætomos e molØculas que encontram, atØ perder toda a sua energia e parar.

Se essa matØria for o corpo humano podem ocorrer lesıes, leves ou mais graves, dependendo da energia das partículas. Essas lesıes podem ocorrer na pele ou em órgªos internos do corpo: com grande energia, a radiaçªo Ø capaz de destruir as molØculas que compıem esses órgªos.

O principal problema da radiaçªo formada por partículas carregadas Ø o fato de que elas podem arrancar elØtrons dos Ætomos que constituem o meio por onde passam. Quando o Ætomo perde elØtrons, deixa de ser neutro: ele se transforma num íoníoníoníoníon. Esse fenômeno Ø conhecido como ionizaçªoionizaçªoionizaçªoionizaçªoionizaçªo.

Apesar de todos os efeitos negativos da radiaçªo, ela tem tambØm aspectos muito positivos. Usada controladamente, pode ajudar no combate de doenças. É o caso da radioterapia aplicada ao tratamento de câncer.

Nas usinas nucleares, esses elementos radioativos sªo de grande utilidade.

O nœcleo de certos elementos, como o urânio, sofre uma divisªo, chamada de fissªo nuclearfissªo nuclearfissªo nuclearfissªo nuclearfissªo nuclear. Nesse processo, o nœcleo libera uma enorme quantidade de energia que, por vir do nœcleo, se chama energia nuclear.

Essa energia pode ser transformada em outras formas de energia - tØrmica e elØtrica - œteis ao homem. A energia nuclear produzida de forma controlada nas usinas nucleares tambØm pode ser gerada sem controle por bombasbombasbombasbombasbombas nuclearesnuclearesnuclearesnuclearesnucleares, as armas mais destrutivas jÆ inventadas pela humanidade.

A energia do Sol, que permite a vida na Terra, tem sua origem nas reaçıesreaçıesreaçıesreaçıesreaçıes nuclearesnuclearesnuclearesnuclearesnucleares que ocorrem no interior do Sol: vÆrios prótons se fundem para formar um nœcleo de hØlio e liberam grandes quantidades de energia nesse processo, que se chama de fusªo nuclearfusªo nuclearfusªo nuclearfusªo nuclearfusªo nuclear. AlØm da energia que vem do Sol, a Terra Ø bombardeada continuamente por partículas de alta energia vindas do espaço interestelar. Sªo os raios cósmicosraios cósmicosraios cósmicosraios cósmicosraios cósmicos, formados principalmente por prótons. Os raios cósmicos penetram na atmosfera terrestre, onde colidem com Ætomos dos vÆrios gases que compıem a atmosfera. Essa colisªo provoca reaçıes nucleares, a partir das quais sªo criadas vÆrias partículas subnucleares.

Em 1947, o físico brasileiro CØsar Lattes participou da descoberta de uma nova partícula na radiaçªo cósmica, chamada de píonpíonpíonpíonpíon. Essa partícula Ø mais leve que o próton e o nŒutron, porØm mais pesada do que o elØtron. AlØm do píon, outras partículas foram descobertas nos raios cósmicos, como os mœonsmœonsmœonsmœonsmœons.

E o que mais?

VocŒ deve ter notado o caminho seguido pela ciŒncia: primeiro acreditavase que o Ætomo era indivisível. Entªo descobriu-se que ele tem um nœcleo e os elØtrons. Depois descobriu-se que tambØm o nœcleo tem uma estrutura, sendo formado por prótons e nŒutrons.

A pergunta mais natural agora seria: serªo os prótons e nŒutronsserªo os prótons e nŒutronsserªo os prótons e nŒutronsserªo os prótons e nŒutronsserªo os prótons e nŒutrons indivisíveisindivisíveisindivisíveisindivisíveisindivisíveis? Ou eles tambØm tŒm uma estrutura? Existirªo outras partículas ainda menores formando prótons e nŒutrons? É esse conhecimento que os chamados físicos de partículasfísicos de partículasfísicos de partículasfísicos de partículasfísicos de partículas vŒm perseguindo desde a segunda metade do sØculo: eles buscam conhecer a estrutura das partículas subnucleares!

AULAA situaçªo deles Ø parecida com a de Maristela às voltas com o despertador: como fazer para saber o que hÆ lÆ dentro, se nªo Ø possível “abrir e olhar”?

A idØia que os físicos tiveram foi “atirar as partículas contra a parede”!

Rutherford fez algo semelhante para estudar o Ætomo, ao atirar partículas alfa sobre uma fina placa de ouro. Ocorre que, para “quebrar” as partículas nucleares, Ø preciso muita, muita energia: Ø preciso atirÆ-las com muita força contra um alvo!

As partículas dos raios cósmicos tŒm muita energia e foram utilizadas para descobrir novas partículas. Mas, à medida que o conhecimento foi avançando, tornou-se necessÆrio atingir energias ainda maiores. Entªo, a partir de 1960, começaram a ser construídos os chamados aceleradores de partículasaceleradores de partículasaceleradores de partículasaceleradores de partículasaceleradores de partículas: equipamentos supersofisticados que foram construídos graças a grandes avanços tecnológicos, como os equipamentos eletrônicos e digitais, a obtençªo de superfícies metÆlicas superlimpas e lisas, medidores de correntes e de voltagens de alta precisªo, amplificadores, osciloscópios e outros, alØm dos jÆ citados na aula anterior.

Esses equipamentos produzem campos elØtricos intensos, que fornecem uma grande quantidade de energia cinØtica às partículas carregadas eletricamente; assim, elas sªo aceleradas a grandes velocidades. Essas partículas colidem com Ætomos e da colisªo surgem novas partículas que sªo estudadas.

Tais estudos mostram que os prótons, os nŒutrons e os píons tŒm uma estrutura: sªo formados por partículas ainda menores, chamadas de partículaspartículaspartículaspartículaspartículas elementareselementareselementareselementareselementares. As partículas elementares recebem esse nome porque se acredita que elas sejam os menores componentes da matØria. Portanto, nªo seriam formadas por outras partículas menores. Daí vem o nome elementar.

Quais sªo as partículas elementares que conhecemos hoje? Para nªo complicar muito a história, vamos conhecer apenas dois tipos.

Uma partícula elementar Ø o elØtron. AtØ hoje acredita-se que o elØtron Ø indivisível.

A outra partícula elementar tem um nome estranho: quarkquarkquarkquarkquark. Existem seis tipos de quarks, mas por ora só nos interessam aqueles que formam os prótons e os nŒutrons. Sªo dois tipos, que tambØm tŒm nomes estranhos: upupupupup (que vem do inglŒs e significa “para cima”) e downdowndowndowndown (que significa “para baixo”). No próton existem dois quarks up e um quark down. No nŒutron existem um quark up e dois quarks down, como mostra a figura abaixo:

Figura 2. Esquema do próton e do nêutron com os quarks

AULAAlguns homens continuam a investigar a natureza, tentando desvendar ainda mais os seus mistØrios. À medida que aumenta o nosso conhecimento

to e nossa capacidade de investigar a naturezae assim continua! O processo

sobre a natureza, aprendemos novas formas de estudÆ-la: novas e mais sofisticadas tØcnicas experimentais. Utilizando esses mØtodos mais poderosos para estudar a natureza, podemos aprofundar ainda mais o nosso conhecimento. Muitas vezes descobrimos novos fenômenos que nªo eram observados antes; para explicar esses novos fenômenos, somos incentivados a criar novos modelos teóricos. Testando esses novos modelos, aprofundamos nosso conhecimensegue em frente. AtØ quando? Nªo sabemos, e nªo sabemos sequer se um dia ele irÆ terminar...

Nesta aula vocΠaprendeu que:

•o nœcleo do Ætomo Ø formado por dois tipos de partículas: os prótonsprótonsprótonsprótonsprótons e os nŒutronsnŒutronsnŒutronsnŒutronsnŒutrons;

•existe uma força que mantØm prótons e nŒutrons, unidos formando o nœcleo:

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