Apresentação do PowerPoint - Propostas para o Ensino de Física

Partículas Elementares
Maria Teresa Thomaz
Instituto de Física, UFF
[email protected]
Resumo da apresentação:
Apresentamos uma visão geral sobre as partículas
elementares a partir das quais todas as substâncias são
constituídas. Os gregos começaram a busca dessas
partículas a 2.400 anos atrás: os tijolos da Natureza!!!!
A pergunta milenar ...
Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o átomo.
“Por convenção existe a cor,
por convenção existe a doçura,
por convenção existe o amargo,
mas na realidade existe
átomos e espaço”
Demócrito (400 A.C.)
O que é o átomo?
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 ?
A versão atual da pergunta dos filósofos gregos:
Toda a matéria (orgânica e inorgânica) é, constituída a
partir de objetos básicos que seriam os tijolos da Natureza ?
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.
Uma gota d’água!!!
Muita água...
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
A primeira organização dos
elementos numa Tabela Periódica
foi feita por Dimitri Mendeleiev
em 1869.
Tabela Periódica de Mendeliev (1869):
103 átomos !!!!
Tabela Periódica atual:
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: será que 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?
J.J. Thomson descobriu o
elétron em 1897.
A partir da descoberta do elétron, o átomo passou a
descrito como sendo um “pudim”:
Em 1910 Ernst Rutherford analisou os
dados experimentais de H. Geiger e
E. Marsden e propôs um novo modelo
para o átomo:
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.
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.
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.
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?
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.
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
• diâmetro do núcleo:
10−14 m
• diâmetro do próton:
10−15 m
• diâmetro do elétron:
≤ 10−18 m
A nossa experiência do dia-a-dia não nos permite imaginar o
que ocorre na escala atômica, nuclear, etc...
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.
• Câmara de Wilson (câmara de nuvens): 1911
Câmara de vapor d’água
supersaturada. Íons são
núcleos de condensação de
gotículas d’água.
Charles T. R. Wilson
Em 1932 Carl D. Anderson usou uma Câmara de Wilson
para detectar o pósitron (e+), a anti-partícula do elétron:
• 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
Exemplos de placas de emulsão com eventos experimentais,
obtidas em Câmaras de Bolhas:
Decaimento de partículas.
Neutrino: o que não aparece!!!
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:
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.
Como classificamos hoje as partículas sub-atômicas?
Partículas sub-atômicas
Léptons
Hádrons
• Lépton: partículas elementares.
Ex. de lépton: elétron.
• Hádrons: partículas compostas formadas de partículas
elementares.
Exs. de hádrons: próton e neutron.
Léptons
Partícula
Vida média
Decaimento
(segundos) mais provável
e
estável
-
νe
estável
-
µ
νµ
τ
ντ
2, 2 × 10−6
estável
2, 96 × 10−13
estável
e− + νµ + νe
-
µ− + ντ + νµ
-
Nem toda partícula elementar é estável!!!!!!
• 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:
Divisão dos Hádrons:
Hádrons
Mésons
Bárions
Méson: partículas responsáveis pelas interações entre
núcleos.
Mésons
Partícula Vida média
(segundos)
Decaimento
mais provável
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
Bárions
Partícula
Vida média
Decaimento
(segundos)
mais provável
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 próton não é uma partícula estável.
Idade do Universo: 1017s (∼ 15 bilhões de anos)
Qual é a caracter ıstica dos quarks, as novas part´ıculas
elementares?
Quarks
Sabores
Carga Elétrica (e) Massa×c2
u (up)
+
d (down)
−
s (strange)
−
c (charm)
+
b (bottom)
−
t (top)
+
2e
3
1e
3
1e
3
2e
3
1e
3
2e
3
5M eV
10M eV
200M eV
1, 5GeV
4, 7GeV
170GeV
Quarks:
Qual a diferença entre Bárions e Mésons?
Como entendemos hoje a matéria?
A escala atômica:
Como estudar partículas tão diminutas? Uma nova geração
de Aceleradores de Altas Energias.
CERN:
Sede do CERN
Vista aérea do CERN
Corredor do LEP
Detetor Delphi
Fermi Lab:
Edf. principal
Vista aérea do Fermi Lab
Corredor do anel
Detetor de partículas
SCLAC:
O entardecer no SLAC
Vista aérea do SLAC
Acelerador linear
Esquema do acelerador linear
Ainda usamos placas de emulsão fotográfica para coletar as
partículas após as colisões sub-atômicas? Certamente não...
As colisões são reconstruídas por super-computadores:
Detecção do W
Chuveiro de glúons
Colisão de prótons relativísticos
Encontramos o Higgs?
As partículas elementares de hoje:
Começamos procurando todos os
tijolos da Natureza, para descrever
toda a matéria do Universo.
Será que conseguimos encontrar todos os tijolos da
Natureza?
Não sabemos!!!!
A busca continua...
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