partícula subatómica - Wikilingue - Encydia
Uma partícula subatómica é uma partícula mais pequena que o átomo. Pode ser uma partícula elementar ou uma composta. A física de partículas e a física nuclear ocupam-se do estudo destas partículas, suas interacções e da matéria que a forma e que não se agrega nos átomos. Exemplos de partículas subatómicas são as que constituem os átomos: protones, elétrons e neutrones.
A maioria das partículas elementares que se descobriram e estudado não podem se encontrar em condições normais na Terra, senão que se produzem nos raios cósmicos e nos processos que se dão nos aceleradores de partículas. Deste modo, existem dúzias de partículas subatómicas.
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Introdução
Os primeiros modelos atómicos consideravam basicamente três tipos de partículas subatómicas: protones, elétrons e neutrones. Mais adiante a descoberta da estrutura interna de protones e neutrones, revelou que estas eram partículas compostas. Ademais o tratamento cuántico usual das interacções entre as partículas comporta que a coesão do átomo requer outras partículas bosónicas como os piones, gluones ou fotones.
Os protones e neutrones por sua vez estão constituídos por quarks . Assim um protón está formado por dois quarks up e um quark down. Os quarks unem-se mediante partículas chamadas gluones. Existem seis tipos diferentes de quarks (up, down, bottom, top, estranho e encanto). Os protones mantêm-se unidos aos neutrones pelo efeito dos piones, que são mesones compostos formados por casais de quark e antiquark (a sua vez unidos por gluones). Existem também outras partículas elementares que são responsáveis pelas forças electromagnética (os fotones) e débil (os neutrinos e os bosones W e Z).
Os elétrons, que estão carregados negativamente, têm uma massa 1/1836 da do átomo de hidrógeno , provindo o resto de sua massa do protón. O número atómico de um elemento é o número de protones (ou o de elétrons se o elemento é neutro). Os neutrones por sua vez são partículas neutras com uma massa muito similar à do protón. Os diferentes isótopos de um mesmo elemento contêm o mesmo número de protones mas diferente número de neutrones. O número mássico de um elemento é o número total de protones mais neutrones que possui em seu núcleo.
As propriedades mais interessantes das 3 partículas constituintes da matéria existente no universo são:
- Elétron
- Encontra-se na corteza. Sua massa aproximadamente é de 9,1×10-31 kg. Tem ónus eléctrica negativa (-1.602×10-19 C).
- Protón
- Encontra-se no núcleo. Sua massa é de 1,6×10-27 kg. Tem ónus positiva igual em magnitude ao ónus do elétron. O número atómico de um elemento indica o número de protones que tem no núcleo. Por exemplo o núcleo do átomo de hidrógeno contém um único protón, pelo que seu número atómico (Z) é 1.
- Neutrón
- Encontra-se no núcleo. Sua massa é quase igual que a do protón. Não possui ónus eléctrica.
O conceito de partícula elementar é hoje algo mais escuro devido à existência de cuasipartículas que conquanto não podem ser detectadas por um detector constituem estados cuánticos cuja descrição fenomenológica é muito similar à de uma partícula real.
História
Na Grécia clássica, um átomo era concebido como a parte mais pequena e indivisible constituinte da matéria, provisto de uns ganchitos que os mantinham unidos aos outros átomos.
Foi o desenvolvimento da química a que conseguiu estabelecer um número determinado de constituintes de toda a matéria existente e mensurável na Terra. Seus achados deram seu maior fruto da mão de Mendeleiev , ao concretar de uma forma singela todos os possíveis átomos (definindo aliás a existência de alguns não descobertos até tempo depois).
Mais adiante descobriu-se que, conquanto os recém definidos átomos cumpriam a condição de ser os constituintes de toda a matéria, não cumpriam nenhuma das outras duas condições. Nem eram a parte mais pequena nem eram indivisibles. No entanto decidiu-se manter o termo átomo para estes constituintes da matéria.
A electroquímica liderada por G. Johnstone Stoney, deu lugar à descoberta dos elétrons (e-) em 1874 , observado em 1897 por J. J. Thomson. Estes elétrons davam lugar às diferentes configurações dos átomos e das moléculas. Por sua vez em 1907 os experimentos de Ernest Rutherford revelaram que grande parte do átomo era realmente vazio, e que quase toda a massa se concentrava em um núcleo relativamente pequeno. O desenvolvimento da teoria cuántica levou a considerar a química em termos de distribuições dos elétrons nesse espaço vazio. Outros experimentos demonstraram que existiam umas partículas que formavam o núcleo: o protón (p+) e o neutrón (n) (postulado por Rutherford e descoberto por James Chadwick em 1932 ). Estas descobertas replanteaban a questão das partes mais pequenas e indivisibles que formavam o universo conhecido. Começou-se a falar das partículas subatómicas.
Mais tarde ainda, aprofundando mais nas propriedades dos protones, neutrones e elétrons se chegou à conclusão de que também não estes (ao menos os dois primeiros) podiam ser tratados como a parte mais pequena, nem como indivisibles, já que os quarks davam estrutura aos nucleones. A partir de aqui começou-se a falar de partículas cujo tamanho fosse inferior à de qualquer átomo. Esta definição incluía a todos os constituintes do átomo, mas também aos constituintes desses constituintes, e também a todas aquelas partículas que, sem fazer parte da matéria, existem na natureza. A partir de aqui fala-se de partículas elementares.
História recente
Em 1897 J. J. Thomson descobre o elétron. Albert Einstein interpreta o efeito fotoelétrico como uma evidência da existência real do fotón. Anteriormente, em 1905 , Max Planck tinha postulado o fotón como um quantum de energia electromagnética mínimo para resolver o problema de termodinámica da radiación do corpo negro.
Por sua vez Ernest Rutherford descobriu em 1907 no famoso experimento da lâmina de ouro que quase a totalidade da massa de um átomo estava concentrada em uma muito pequena parte dele, que posteriormente chamar-se-ia núcleo atómico, sendo o resto vazio. O desenvolvimento continuado destas ideias levou à mecânica cuántica, alguns de cujos primeiros sucessos incluíram a explicação das propriedades do átomo.
Muito cedo identificou-se uma nova partícula, o protón, como constituinte único do núcleo do hidrógeno. Rutherford também postuló a existência de outra partícula, telefonema neutrón, depois de sua descoberta do núcleo. Esta partícula foi descoberta experimentalmente em 1932 por James Chadwick. A estas partículas somou-se uma longa lista:
- Wolfgang Pauli postuló em 1931 a existência do neutrino para explicar a aparente perda da conservação da quantidade de movimento que se dava na desintegração beta. Enrico Fermi foi quem inventou o nome. A partícula não foi descoberta até 1956.
- Foi Hideki Yukawa quem postuló a existência dos piones para explicar a força forte que unia aos nucleones no interior do núcleo. O muón se descrubrió em 1936 , pensando-se inicialmente de forma errónea que era um pión. Na década dos 50 descobriu-se o primeiro kaón entre os raios cósmicos.
- O desenvolvimento de novos aceleradores de partículas e detectores de partículas nessa década dos 50 levou à descoberta de um grande número de hadrones , provocando a famosa cita de Wolfgang Pauli: «If I had foreseen this, I would have gone into botany» (= 'Se tivesse previsto isto me tivesse feito botánico').
- Junto com os hadrones compostos apareceram séries de partículas que pareciam duplicar as funções e carácterísticas de partículas mais pequenas. Assim se descobriu outro "elétron pesado", além do muón, o tauón, bem como diversas séries de quarks pesados. Nenhuma das partículas destas séries mais pesadas parece fazer parte dos átomos da matéria ordinária.
A classificação desses hadrones através do modelo de quarks em 1961 foi o começo da idade de ouro da física moderna de partículas, que culminou na completitud da teoria unificada chamada o modelo regular na década dos 70.
A confirmação da existência dos bosones de gauge débil na década dos 80 e a verificação de suas propriedades nos 90 considera-se como a era da consolidação da física de partículas. Entre as partículas definidas pelo modelo regular, ainda permanece sem descobrir o bosón de Higgs. Por isso este é o objectivo primordial do acelerador Large Hadron Collider (LHC) do CERN. O resto de partículas conhecidas encaixa à perfección com o modelo regular.
Matérias de estudo
O estudo destas partículas subatómicas, de sua estrutura e de suas interacções, inclui matérias como a mecânica cuántica e a física de partículas. Às vezes, como grande parte das partículas que podem se tratar como partículas subatómicas só existem durante períodos de tempo muito curtos e em condições muito extremas como os raios cósmicos ou os aceleradores de partículas, costuma chamar a esta disciplina física de altas energias.
Por sua vez o tratamento que a teoria cuántica de campos (TCC) faz das partículas difere da mecânica cuántica em um ponto importante. Em TCC as partículas não são entidades básicas, senão que só existem campos e possíveis estados do espaço tempo (o que sejam perceptibles um verdadeiro número de partículas é uma propriedade do estado cuántico do espaço tempo). Assim um campo é tratado como um observable associado a uma região do espaço tempo, a sua vez, a partir do observable de campo se pode definir um operador número que se interpreta como o número de partículas observables no estado cuántico. Já que os autovalores do operador número são números inteiros e as magnitudes extensivas são expresables em termos deste operador, razão pela qual os autovalores desse operador se podem interpretar como o número de partículas.
Veja-se também
- Simetría de Poincaré, Simetría CPT, teorema espín-estatística, bosón e fermión.
- Física de partículas, Listado de partículas elementares, o modelo quark e o modelo regular.
- Cuasipartícula
- Partícula mensageira
Enlaces externos
- particleadventure.org: O modelo regular (em inglês)
- particleadventure.org: Carta de partículas (em inglês)
- Universidade de Califórnia: Grupo de dados de partículas (em inglês)
- Enciclopedia de física com anotações: Teoria cuántica de campos
- José Gálvez: Electrodinámica Capítulo 1 (pdf) (em inglês)
- Partículas subatómicas: Dos elétrons aos quarks
