Principais características das partículas fundamentais

Principais características das partículas
fundamentais
Massa
Determinar a massa de um corpo significa comparar a massa deste corpo com
outra tomada como padrão.
A unidade de massa tomada como padrão é o grama (g). Mas nós muitas vezes
utilizamos o Quilograma, que equivale a 1000 vezes a massa de 1 g. Um
exemplo disso é quando se diz que a massa de uma pessoa é 45 vezes a
massa correspondente à do quilograma.
Ou ainda: 45 kg = 45 x 1000 g = 45 000 g
Como as partículas que constituem o átomo são extremamente pequenas, uma
unidade especial teve que ser criada para facilitar a determinação de
suas massas. Essa unidade, denominada unidade de massa atômica, é
representada pela letra u.
1 u equivale a aproximadamente 1,66 · 10−27 kg (veja artigo Unidade de
massa atômica).
As massas do próton e do nêutron são praticamente iguais: medem cerca de
1 unidade de massa atômica. A massa do elétron é 1836 vezes menor que a
do próton: essa massa é desprezível, porém é errado dizer que o elétron é
desprovido dela.
Carga elétrica
O elétron é uma partícula dotada de carga elétrica negativa. A sua carga,
que foi determinada experimentalmente em 1908, equivale a uma unidade de
carga elétrica (1 ue). A carga do próton é igual à do elétron, só que de
sinal contrário. o próton tem carga eléctrica positiva. O nêutron não
possui carga elétrica. Como seu nome indica, ele é neutro.
Interação atômica
Se tivermos dois átomos hipotéticos, cuja carga elétrica seja neutra,
presume-se que estes não se afetarão mutuamente por causa da neutralidade
da força electromagnética entre si.
A distribuição de cargas no átomo se dá de forma diversa. A carga
negativa é externa, a carga positiva é interna, isto ocorre por que os
elétrons orbitam o núcleo. Quando aproximamos dois átomos, mesmo estando
em perfeita neutralidade interna, estes se repelem, se desviam ou
ricocheteiam.
Exemplo típico ocorre no elemento hélio (He) onde seus átomos estão em
eterno movimento de mútuo ricochete. Em temperatura ambiente, o gás hélio
tem no movimento de seus átomos um rápido ricochete. Ao diminuir a
temperatura, o movimento oscilatório diminui, o volume fica menor e a
densidade aumenta. Chegaremos teoricamente num ponto em que o movimento
de ricochete diminuirá tanto que não se poderá mais retirar energia
deste. A este nível térmico, damos o nome de zero absoluto, este é –
273,15 °C.
Força de Van der Waals
A carga eletrônica não se distribui de maneira uniforme, algumas partes
da superfície atômica são menos negativas que outras. Em função disto, a
carga positiva que se encontra no interior do átomo infiltrar-se-á pelas
áreas menos negativas externas, por isso haverá uma débil atração
eletrostática entre os dois átomos chamada de força de Van der Waals.
Em baixíssima temperatura, os átomos de hélio movem-se muito lentamente,
seu ricochete diminui a tal grau que é insuficiente para vencer as forças
de Van der Waals, como o átomo de hélio é altamente simétrico, por este
motivo as forças atuantes neste elemento são muito fracas. A contração do
hélio ocorre e este acaba por se liquefazer a 4,3 graus acima do zero
absoluto.
Nos demais gases presentes na natureza sua distribuição de cargas é menos
simétrica que no hélio, as forças de Van der Waals são maiores
ocasionando uma liquefação em temperaturas maiores.
Atração atômica
Nas regiões externas dos átomos, a distribuição eletrônica se dá em
camadas, sua estrutura apresenta a estabilidade máxima se estas estiverem
completas. Com exceção do hélio e outros elementos com estabilidade e
simetria semelhante, geralmente a camada mais exterior do átomo é
incompleta, ou podem possuir excesso de elétrons. Em função disto pode
haver a transferência de um ou dois elétrons do átomo em que estão em
excesso, para o átomo em que estão em falta, deixando as camadas externas
de ambos em equilíbrio.
O átomo que recebe elétrons ganha carga negativa, e o que perdeu não
equilibra totalmente sua carga nucléica, positiva. Ocorre então o
aglutinamento atômico.
Existe ainda o caso de dois átomos colidirem. Ocorrendo, há o
compartilhamento eletrônico entre ambos que passam a ter suas camadas
mais externas completas desde que permaneçam em contato.
Elementos químicos conhecidos
É importante ter em mente que, átomo, é uma entidade elementar. O
conjunto de átomos que apresentam o mesmo número atômico (Z) é chamado de
elemento químico. Desta forma, na Tabela Periódica dos Elementos, a idéia
de entidade elementar é substituída pela idéia de "conjunto".
Ex.: Ao procurar pelo Carbono na Tabela Periódica, você deve saber que
está procurando pelo Elemento Carbono e não pelo átomo de Carbono.
Grupo # 1 2 3
Período
1
1
H
4
A Tabela Periódica dos Elementos
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
17
18
2
He
2
3 4
Li Be
3
11 12
Na Mg
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
13 14 15 16
Al Si P
S
17
Cl
18
Ar
4
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se
35
Br
36
Kr
5
37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te
53
I
54
Xe
6
55 56
72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84
*
Cs Ba
Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po
85
At
86
Rn
7
87 88
104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 (117) 118
**
Fr Ra
Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cp Uut Uuq Uup Uuh (Uus) Uuo
*
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
Lantanídios La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
71
Lu
**
89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103
Actinídios Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
ries químicas da tabela periódica
Metais
Metais
Metais de Lantanídios1, Actinídios1,
Metais
NãoGase
alcalinoSemimetais
Halogênios3
2
2
2
calinos2
transição
representativos
metais
nobr
terrosos2
1Actinídios
e lantanídios são conhecidos coletivamente como “metais-terrosos
raros”.
2Metais
alcalinos, metais alcalino-terrosos, metais de transição, actinídios e
lantanídios são conhecidos coletivamente como “metais”.
3Halogênios e gases nobres também são não-metais.
Estado físico do elemento nas Condições Normais de Temperatura e Pressão
(CNTP)
 aqueles com o número atômico em preto são sólidos nas CNTP.
 aqueles com o número atômico em verde são líquidos nas CNTP;
 aqueles com o número atômico em vermelho são gases nas CNTP;
 aqueles
com o número atômico em cinza têm estado físico
desconhecido.
Ocorrência natural
 Borda sólida indica existência de isótopo mais antigo que a Terra
(elemento primordial).
 Borda tracejada indica que o elemento surge do decaimento de outros.
 Borda pontilhada indica que o elemento é produzido artificialmente
(elemento sintético).
 A cor mais clara indica elemento ainda não descoberto.
Moléculas
Uma vez partilhados eletronicamente os átomos podem possuir entre si uma
ligação tão forte que para separá-los é necessária uma quantidade
razoável de energia, portanto, permanecem juntos. Estas combinações são
chamadas de moléculas, nome derivado do latim que significa pequeno
objeto.
Nem sempre dois átomos em contato são suficientes para ter estabilidade,
havendo necessidade de uma combinação maior para tê-la.
Para formar uma molécula de hidrogênio são necessários dois átomos deste
elemento, uma molécula de oxigênio, necessita de dois átomos de oxigênio,
e assim sucessivamente.
Para a formação de uma molécula de água são necessários dois átomos de
hidrogênio e um de oxigênio; metano, necessita de um átomo de carbono e
quatro de hidrogênio; dióxido de carbono (bióxido), um carbono, e dois
oxigênios e assim sucessivamente.
Existem casos de moléculas serem formadas por uma grande quantidade de
átomos, são as chamadas macromoléculas. Isto ocorre principalmente com
compostos de carbono, pois o átomo de carbono pode partilhar elétrons com
até quatro elementos diferentes simultaneamente. Logo, pode ser possível
a constituição de cadeias, anéis, e ligações entre estas moléculas
longas, que são a base da chamada química orgânica.
Essa é a base das moléculas que caracterizam o tecido vivo, ou seja, a
base da vida. Quanto maior a molécula e menos uniforme a distribuição de
sua carga elétrica, mais provável será a reunião de muitas moléculas e a
formação de substâncias líquidas ou sólidas. Os sólidos são mantidos
fortemente coesos pelas interações eletromagnéticas dos elétrons e
prótons e entre átomos diferentes e entre moléculas diferentes.
Em algumas ligações atômicas onde os elétrons podem ser transferidos
formam-se os chamados cristais (substâncias iônicas). Nestes, os átomos
podem estar ligados em muitos milhões, formando padrões de grande
uniformidade. No átomo, sua interação nuclear diminui à medida em que
aumenta a distância.
Elétron
Estimativas teóricas da densidade do elétron para orbitais do átomo do
hidrogênio.
O elétron (português brasileiro) ou electrão (português europeu) (do grego ήλεκτρον,
élektron, "âmbar"), geralmente representado como e-, é uma partícula
subatômica que circunda o núcleo atômico, identificada em 1897 pelo
inglês John Joseph Thomson. Subatómica e de carga negativa, é o
responsável pela criação de campos magnéticos e eléctricos.
No modelo padrão ele é um lépton, junto com o muon o tau e os respectivos
neutrinos. O elétron foi proposto como partícula subatómica por J. J.
Thomson em 1897. A carga do electrão é de -1,602 ×10-19 C, e a sua massa é
de 9,109 ×10-31 kg, ou 511,0 keV/c². Normalmente, em física nuclear, a
carga do electrão é definida como sendo uma unidade.
É o número de electrões de um átomo que define a sua carga, sendo que um
número de electrões igual ao número de protões origina uma partícula
electricamente
neutra.
Nas
escalas
de
distâncias
dos
átomos
o
comportamento da partícula é regido pela mecânica quântica, segundo a
qual os electrões ficam "espalhados" pela maior parte do átomo, numa área
denominada "nuvem electrónica". Por outro lado, o núcleo que comporta a
carga positiva do átomo está localizado no centro deste.
O elétron, além de interagir com outras partículas pela força
electromagnética, também interage pela força nuclear fraca, onde
normalmente vem acompanhado do seu neutrino associado. Sua antipartícula
é o posítron, com a mesma massa, mas carga positiva.

Considerações gerais
Os protons apresentam uma carga elétrica muito pequena e seu movimento
gera corrente elétrica. Visto que os elétrons das camadas mais externas
de um átomo definem as atrações com
possuem um papel importante na química.
outros
átomos,
estas
partículas
História e descobrimento do elétron
A existência do elétron foi postulada por G. Johnstone Stoney como uma
unidade de carga no campo da eletroquímica. O elétron foi descoberto por
Thomson em 1897 no Laboratório Cavendish, da Universidade de Cambridge,
enquanto estudava o comportamento dos raios catódicos. Influenciado pelo
trabalho de Maxwell e o descobrimento dos raios X.
"O Tubo de Raios catódicos de J.J. Thomson". O tubo de raios catódicos é
semelhante ao tubo de imagem de um aparelho de televisão. Partículas
carregadas (hoje conhecidas como elétrons) são emitidas por um filamento
aquecido em uma das extremidades de um tubo evacuado e aceleradas por uma
diferença de potencial elétrico (V). Depois de passarem por uma fenda em
um anteparo, formam um feixe estreito. Em seguida, passam por uma região
onde existem dois campos cruzados e atingem uma tela fluorescente, onde
produzem um ponto luminoso (na televisão os pontos são parte da imagem).
As Forças a que o elétron é submetido na região de campos cruzados podem
desviá-lo do centro da tela. (como o sentido da deflexão depende do sinal
da carga das partículas, thomson foi capaz de provar que as partículas
responsáveis pelo ponto luminoso na tela tinham carga negativa). Thomson
também afirmou que essas partículas estavam presentes em todas as formas
de matéria e também eram mais de 1000 vezes mais leves que o átomo mais
leve conhecido (hidrogênio).
Ainda que Stoney haja proposto a existência do elétron, foi Thomson quem
descobriu seu caráter de partícula fundamental. Para confirmar a
existência do elétron, era necessário medir suas propriedades, em
especial a sua carga elétrica. Este objetivo foi alcançado por Millikan,
através da célebre experiência da gota de azeite, realizada em 1909.
George Paget Thomson, filho de J.J. Thomson, demonstrou a natureza
ondulatória do elétron, provando a dualidade onda-corpúsculo postulada
pela mecânica quântica. Esta descoberta lhe valeu o Prémio Nobel de
física de 1937.
O spin do elétron foi observado pela primeira vez pela experiência de
Stern-Gerlach. Sua carga elétrica pode ser medida diretamente através de
um eletrômetro e a corrente gerada pelo seu movimento com um
galvanômetro.
Os elétrons e a prática
Classificação dos elétrons
O elétron é um tipo de partícula subatômica denominada lépton,
acreditando-se que é uma das partículas fundamentais, isto é, que não
pode ser dividida em constituintes menores.
A palavra "partícula" não é totalmente correta, porque a mecânica
quântica nos indica que os elétrons, em determinadas condições, se
comportam como uma onda, fato que ocorre na experiência de dupla fenda.
Esta propriedade é denominada dualidade onda-corpúsculo.
Propriedades e comportamento dos elétrons
O elétron tem uma carga elétrica negativa de −1.6 × 10−19 coulomb e uma
massa de 9.10 × 10−31 kg (0.51 MeV/c²), que é aproximadamente 1/1836 da
massa do próton.
O elétron tem um spin 1/2, implicando que é um férmion, ou seja, que se
pode aplicar-lhe a estatística Fermi-Dirac.
Ainda que a maioria dos elétrons faça parte da constituição dos átomos,
existem aqueles que se deslocam independentemente pela matéria ou aqueles
que se deslocam juntos, formando um feixe de elétrons no vácuo. Em alguns
supercondutores os elétrons se movem em pares.
Quando os elétrons que não fazem parte da estrutura do átomo se locomovem
e existe um fluxo deles numa determinada direcção, este fluxo é chamado
de corrente eléctrica.
A eletricidade estática não é um fluxo de elétrons. É mais correto
denominá-la de "carga estática". Esta carga é causada por um corpo cujos
átomos apresentam mais ou menos elétrons que o necessário para equilibrar
as cargas positivas dos núcleos dos seus átomos. Quando existe um excesso
de elétrons, diz-se que o corpo está carregado negativamente. Quando
existem menos elétrons que prótons, o corpo está carregado positivamente.
Se o número total de prótons e elétrons é equivalente, o corpo está num
estado eletricamente neutro.
Os elétrons e os posítrons podem aniquilar-se mutuamente, produzindo um
fóton. De maneira inversa, um fóton de alta energia pode transformar-se
em um elétron e um posítron.
O elétron é uma partícula elementar; isso significa que não apresenta uma
subestrutura - pelo menos não foi comprovado até agora. Por isso, pode
ser representado por um ponto, ou seja, sem extensão espacial.
Entretanto, nas cercanias de um elétron, pode-se medir variações na sua
massa e na sua carga elétrica. Este é um efeito comum a todas as
partículas elementares: a partícula influi nas flutuações do vácuo que o
cerca, de forma que as propriedades observadas de maior distância são a
soma das propriedades da partícula mais as causadas pelo efeito do vácuo
que a rodeia.
Existe uma constante física chamada raio clássico do elétron, com um
valor de 2.8179 × 10−15 metros. É preciso considerar que este é o raio que
se pode aferir a partir da carga do elétron descrito sob o ponto de vista
da eletrodinâmica clássica, não da mecânica quântica. Esta constante
baseia-se num conceito desfasado, porém útil para alguns cálculos.
Elétrons no Universo
Acredita-se que o número total de elétrons que caberiam no universo
conhecido é da ordem de 10130.
Elétrons na vida cotidiana
A corrente elétrica que abastece com energia as nossas casas é
proveniente de elétrons em movimento. O tubo de raios catódicos de um
televisor se baseia num feixe de elétrons no vácuo que é desviado por
campos magnéticos para atingir uma tela fosforescente. Os semicondutores
são utilizados em dispositivos tais como os transístores.
Elétrons na indústria
Feixes de elétrons são utilizados em solda.
Elétrons em laboratório
O microscópio eletrônico, que utiliza feixes de elétrons no lugar de
fótons, permite ampliar até 500.000 vezes os objetos. Os efeitos
quânticos do elétron são a base do microscópio de efeito túnel, que
permite estudar a matéria em escala atómica.
Os elétrons e a teoria
Na mecânica quântica, o elétron é descrito pela equação de Fermi-Dirac.
No modelo padrão da física das partículas, forma uma dupla com o
neutrino, visto que ambos interagem de forma fraca. O elétron tem os
padrões massivos adicionais múon e táon.
O equivalente do elétron na antimatéria, sua antipartícula, é o pósitron,
que tem a mesma quantidade de carga elétrica que o elétron, mas positiva.
O spin e a massa são iguais no elétron e no pósitron. Quando um elétron e
um pósitron colidem, acontece a aniquilação mútua, originando-se dois
fótons de raios gama com uma energia de 0,500 Mev cada um.
Os elétrons são um elemento chave no eletromagnetismo, uma teoria
adequada desde um ponto de vista clássico, aplicável a sistemas
macroscópicos.
Próton
O protão/próton é composto de dois quarks u e um quark d.
Um "protão" (português europeu) ou "próton" (português brasileiro) é uma partícula subatômica que faz parte do núcleo de todos os elementos. Convencionou-se
que o próton (ou protão) tem carga eléctrica positiva.
É uma das partículas, que junto com o nêutron (ou neutrão), formam os
núcleos atómicos.

História
Em 1886, o físico alemão Eugen Goldstein criou um tubo e observou que,
quando ocorriam descargas elétricas através do tubo contendo um gás
rarefeito, surgiam raios que apresentavam massa e cargas elétricas
positivas. Esses raios foram denominados de raios canais. Posteriormente,
o inglês Ernest Rutherford verificou que os raios canais originários do
hidrogénio (ou hidrogênio) possuíam a menor carga positiva conhecida até
então. A essa unidade eletricamente carregada positivamente deu-se o nome
de próton (ou protão).
Características físicas

A massa real de um próton (ou protão) é de, aproximadamente, 1,6 ·
10−27 kg. Entretanto, atribui-se-lhe uma massa relativa de valor 1.
 A carga elétrica real do próton (ou protão) é de, aproximadamente,
1,6 · 10−19 coulombs. Porém, do mesmo modo que à massa, atribuiu-se
uma carga relativa de +1.
 O próton (ou protão) é formado por dois quarks up e um down, sendo
escrito como: uud.
Comparativamente:


O nêutron (ou neutrão) não tem carga elétrica e é ligeiramente mais
pesado que o próton (ou protão).
O elétron (ou electrão) apresenta a mesma carga que o próton (ou
protão), porém de sinal contrário. Entretanto, é 1836 vezes mais
leve (1/1836).
Na química e bioquímica
Na química e bioquímica , a palavra próton (ou protão) é frequentemente
usada como um sinônimo (ou sinónimo) para o íon (ou ião) molecular de
hidrogênio (ou hidrogénio) (H+) em vários contextos:
1. A transferência do H+ em uma reação ácido-base é descrita como a
transferência de um próton (ou protão). Um ácido é tido como um
doador de próton (ou protão) e uma base como um receptor de próton
(ou protão).
2. O íon (ou ião) de hidrogênio (ou hidrogénio) (H3O+) em uma solução
aquoso (ou aquosa) corresponde ao íon (ou ião) de hidreto de
hidrogênio (ou hidrogénio). Frequentemente a molécula da água é
ignorada e o íon (ou ião) é escrito simplesmente como H+(aq) ou
finalmente H+, e tratado como um próton (ou protão).
Nêutron
O nêutron é composto de um quark u e dois quarks d.
Um nêutron (português brasileiro) ou neutrão (português europeu) é um bárion neutro
formado por dois quarks down e um quark up. É uma das partículas, junto
com o próton, que formam os núcleos atômicos. Fora do núcleo atômico é
instável e tem uma vida média de cerca de 15 minutos, emitindo um eletrón
e um antineutrino para se converter em um próton. Sua massa é muito
similar à do próton.
Foi descoberto pelo físico britânico James Chadwick em 1932, que por essa
descoberta recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1934.
Para saber a quantidade de nêutrons que um átomo possui, basta fazer a
subtração entre o número de massa (A) e o número atómico (Z).
Propriedades




Massa: mn = 1,672x10−24 g
Vida média
n = 886,7 ± 1,9 s
Momento magnético
n = -1,9130427 ±
N
−21
Carga: qn = (-0,4 ± 1,1) x 10
e (teoricamente nula)
O nêutron é necessário para a estabilidade de quase todos os núcleos
atômicos (a única exceção é o hidrogênio), já que a força nuclear forte
faz com que seja atraído por elétrons e prótons, mas não seja repelido
por nenhum, como acontece com os prótons, que se atraem nuclearmente mas
se repelem eletrostaticamente.