A interação eletromagnética

NOÇÕES ELEMENTARES DE
FÍSICA MODERNA
TETÉU
Forças da natureza
Na natureza existem, basicamente, 4 tipos de interações, todas elas mediadas por um tipo
de bóson:
 Eletromagnética
 Nuclear forte
 Nuclear fraca
 Gravitacional
A interação eletromagnética
Toda partícula dotada de carga elétrica interage com outra partícula também carregada,
obedecendo à famosa lei de duFay (mesmo sinal: repulsão/ sinais opostos: atração).
A partícula que permite essa interação é o fóton. Todos os fótons se propagam no vácuo
com velocidade de 300.000km/s, mas podem ter energias diferentes. Isto significa que eles
possuem massas diferentes. Apesar disto, todos eles possuem massa de repouso nula. Ou seja, se
pararmos um fóton, ele transfere totalmente sua energia para outra partícula (normalmente um
elétron) e deixa de existir.
Se este elétron estiver vinculado a um átomo, ao absorver a energia de um fóton, ele dará
o chamado “salto quântico”, pulando para um orbital mais energético. Com o tempo poderá
voltar ao orbital original, reemitindo um fóton.
Quando um fóton se move no espaço vazio, produz a formação de um par elétronpósitron, que se aniquila imediatamente, restaurando o fóton original (o par é denominado
virtual, pois não é observável). No instante seguinte, induz a formação de um par virtual
invertido ( se o elétron estava “em cima”, agora estará “embaixo”).
Essa alternância fez com que, durante muito tempo, os cientistas considerassem os fótons
uma onda, denominada onda eletromagnética, na qual um campo elétrico, alternado a um
campo magnético, estaria oscilando com freqüência f.
A energia E de cada fóton associado a uma onda eletromagnética de freqüência f é dada
pela relação: E=h.f, onde h é denominada constante de Plank, em homenagem ao primeiro
cientista que reconheceu o caráter “corpuscular” das radiações eletromagnéticas.
A força eletromagnética é a responsável pela estrutura do átomo, mantendo os elétrons
nas proximidades dos prótons dos núcleos. O efeito residual desta força permite que os átomos
interajam, formando moléculas.
A interação nuclear forte
Além da carga elétrica, os quarks têm outro tipo de carga. Enquanto para a carga elétrica
só existem dois tipos (positiva e negativa) que somados se anulam, para essa outra “carga”
existem 3 tipos que, se somados, anulam-se.
A interação entre essas cargas diferentes é mediada pelos glúons, que são trocados entre
os quarks gerando uma força atrativa e muito intensa. Essa força é tão intensa, que seu efeito
residual consegue manter os prótons coesos, apesar da forte repulsão elétrica entre eles.
A interação nuclear fraca
Ocorre entre elétrons e prótons e entre elétrons e nêutrons; atua em escala nuclear, com
alcance ainda menor que a força nuclear forte; é responsável pela emissão de elétrons pelos
núcleos de certas substâncias radioativas, denominada desintegração beta.
A intensidade da força nuclear fraca é muito menor que a eletromagnética, situando-se
num patamar intermediário entre as forças eletromagnéticas e gravitacionais.
A interação gravitacional
A força gravitacional é sempre atrativa e existe entre partículas dotadas de massa. É a
mais fraca de todas as interações fundamentais. Por exemplo, a força de repulsão eletrostática
entre dois corpos é cerca de 1036 vezes maior do que a respectiva força gravitacional entre eles.
A força gravitacional entre a Terra e um corpo em suas proximidades é o peso do corpo.
A força gravitacional que o Sol aplica sobre um planeta é responsável pela manutenção de sua
órbita.
Embora a força gravitacional seja a mais fraca, é a mais importante na Astronomia, para
explicar a formação de estrelas galáxias e planetas pelas seguintes razões:
- continua atuando em corpos eletricamente neutros
- é sempre atrativa e torna-se muito intensa, porque, em escala astronômica, as massas
dos corpos tornam-se extremamente grandes.
As interações nuclear forte e nuclear fraca, devido a seu alcance curto, só têm relevância
para explicar fenômenos em escala nuclear.
Do ponto de vista macroscópico, só têm importância as interações eletromagnética e
gravitacional.
A estrutura dos átomos e as forças interatômicas estão ligadas à interação
eletromagnética.
Os blocos básicos para o funcionamento do Universo
O modelo STANDARD(PADRÃO) do Universo atualmente aceito pelos físicos consiste
na seguinte divisão: Basicamente a matéria do Universo divide-se em dois grupos: os bósons de
interação, responsáveis pela interação das forças; e as partículas elementares, que dividem-se
em léptons ( mais famoso é o elétron, e os menos famosos: múon e o tau- ou tauon ) e quarks,
que agrupados, dão origem aos hádrons. Os hádrons quando agrupados 3 a 3 formam os bárions,
cujos exemplos mais conhecidos são o próton e o nêutron. Agrupados 2 a 2 formam os mésons.
Luz – onda ou partícula?
Você já viu que a luz ( onda eletromagnética ) nada mais é do que uma reunião de fótons
que se propagam. Assim desfaz-se aquela teoria da dualidade da luz, que ora se comporta como
onda, ora como matéria. O caminhar do fóton é que tem caráter ondulatório. O conceito de fóton
permite explicar porque a luz, ao incidir em uma placa metálica, pode retirar elétrons dela.
O elétron, ao receber a energia fóton, abandona a placa com uma certa energia cinética. A
energia do fóton pode ser calculada através da equação de Plank E=h.f, onde h é uma
constante(constante de Plank) e f é a freqüência do fóton.
Por exemplo, se uma luz incide em uma placa e não consegue arrancar elétrons, é porque
a energia dos fótons incidentes não é suficiente para isso. Para aumentar a energia dos fótons é
preciso aumentar a freqüência, ou seja, se a luz incidente é vermelha, deve-se tentar trocando,
por exemplo, por luz violeta( que possui freqüência maior ). Neste evento não é a intensidade da
luz que interessa, mas sim a sua freqüência!
Radioatividade
Alguns isótopos são instáveis e decaem espontaneamente com emissão de algum tipo de
radioatividade. Os principais tipos são aqueles que resultam na emissão de partículas
alfa(núcleos de hélio), beta(próton-nêutron-elétron) e radiação gama(fótons gama).
Quando os primeiros cientistas começaram a lidar com radiação, começaram a sofrer as
conseqüências a curto (queimaduras) e longo prazo (câncer), percebeu-se imediatamente que os
efeitos nocivos exigiam precauções.
Já em 1906 Bergonie e Tribondeau estabeleceram a lei básica da radiobiologia: “Os
efeitos biológicos da radiação são diretamente proporcionais ao índice mitótico das células
e inversamente proporcional ao seu grau de diferenciação”.
Assim, células-tronco e células basais da epiderme, são, portanto, bastante sensíveis à
radiação. Já as células musculares, os neurônios e espermatozóides são mais resistentes.
É claro que existem algumas exceções.
Uma mesma dosagem de radiação não produz efeitos iguais quando recebidas em
intervalos diferentes de tempo. Quando mais fracionado for o recebimento, menos danosos são
os efeitos. Uma coisa é receber a dosagem em dois anos e outra é receber em um dia!
Não existe um limite inferior de dosagem abaixo do qual não exista possibilidade de se
contrair câncer, por exemplo. Uma dosagem ínfima pode produzir um dano extremamente
perigoso no DNA de uma célula, enquanto uma dosagem alta pode não produzir mal algum, ou
por não danificar o DNA ou por atingir regiões desprovidas de significado genético.
Matéria e Antimatéria
As partículas de matéria e antimatéria têm massas iguais e cargas com sinais contrários.
As principais partículas de antimatéria são:
* antielétron, também chamado de pósitron
* antipróton
Quando uma antipartícula encontra uma partícula, ocorre um processo denominado aniquilação
e a massa total de ambas é integralmente transformada em energia, na forma de radiação, de
acordo com a equação de Einstein:
E=m.c2
Combinando-se um único quilograma de matéria com antimatéria poderíamos ter energia
suficiente para suprir 20 milhões de residências durante um ano!