A FÍSICA DO SÉCULO XX – PARTE 2: O INTERIOR DO

A FÍSICA DO SÉCULO XX – PARTE 2: O INTERIOR DO ÁTOMO
CONTEÚDOS
 Radioatividade
 Núcleo atômico
 Forças nucleares
AMPLIANDO SEUS CONHECIMENTOS
Chernobyl, Goiânia e Fukushima
O primeiro ponto sobre o qual focaremos nossos estudos é o fenômeno da
radioatividade. Comentamos no capítulo A Física do século XX – parte 1 que muitas
contribuições para o entendimento desse fenômeno são atribuídas à Marie Curie.
Quando o assunto radiação é abordado, pensamos infelizmente, em seus aspectos
negativos.
Alguns dos acidentes conhecidos, envolvendo material radioativo ocorreram:
 Na usina atômica de Chernobyl, em 1986 na Ucrânia (antiga União Soviética).
 Em Goiânia, em 1987, o elemento radioativo Césio-137.
 Em Fukushima, em 2011, no Japão.
No acidente em Chernobyl a explosão de um reator nuclear que continha o elemento
químico Urânio-235 liberou uma quantidade letal de material radioativo. Em Chernobyl,
o acidente ocorreu durante testes de segurança que culminaram com a explosão da laje
superior da usina, feita de concreto.
Com
isso,
gases
e
partículas
radioativas foram lançados para a
atmosfera. Na cidade de Pripyat,
próxima à usina, os moradores foram
expostos a uma radiação 50 vezes
maior do que a considerada normal
na nossa atmosfera. Esse nível de
radiação
poderia
alterar
a
composição do sangue e provocar
diversos tipos de câncer. O vento
Figura 1 – Símbolo utilizado para a radioatividade
Fonte: Frees/Shutterstock.com
levou nuvens de partículas e poeira radioativas para outras regiões do país e também
para países do norte da Europa, aumentando ainda mais as consequências do acidente.
Figura 2 – Parque de diversões abandonado na cidade de Pripyat, na Ucrânia
Fonte: Kateryna Upit/Shutterstock.com
Figura 3 – Prédios abandonados da cidade de Pripyat, próxima à usina de Chernobyl
Fonte: Dima Kalyta/Shutterstock.com
No Brasil, catadores de lixo encontraram uma cápsula radiológica nas ruínas do Instituto
Goiano de Radioterapia. Sem imaginar suas consequências a cápsula radiológica foi
vendida e extraiu-se dela uma grande quantidade de pó (o elemento Césio 137). O
material radioativo passou de mão em mão, já que as pessoas ficavam maravilhadas
com aquela luz azul que à noite brilhava intensamente. A consequência foi a morte das
pessoas devido à contaminação.
A exibição do pó fluorescente decorreu por 4 dias, e a área de risco aumentou, pois
parte do equipamento de radioterapia também fora para outro ferro-velho, espalhando
ainda mais o material radioativo.
Algumas horas depois da exposição à radiação, muitas das pessoas apresentaram
sintomas como vômito, diarreia e tonturas. Sem saber por que estavam passando
mal, foram ao hospital onde os médicos diagnosticavam como uma virose e
receitavam remédios para a mesma. Porém a esposa do dono do ferro velho, ao ver
sua filha muito doente recolheu uma amostra do pó que seu marido encontrara na
máquina e levou à vigilância sanitária da cidade.
No dia 29 de setembro de 1987, após muitas pesquisas, foi diagnosticado que se
tratava de um problema nuclear e que as pessoas que foram contaminadas
necessitavam urgentemente serem tratadas.
Disponível em: http://sites.unicentro.br/wp/petfisica/2015/10/09/cesio-137-o-pesadelo-de-goiania.
Acesso em: 19 set. 2016. 11h52min.
Um tsunami ao atingir a costa do Japão onde estava em operação reatores nucleares,
provocou uma catástrofe. A usina era protegida com um dique que fora projetado para
resistir a ondas de até 5,7 metros de altura, mas ninguém imaginava que ela seria
atingida por uma onda de 14 metros. Nessa situação, o acidente nuclear ocorrido foi
uma consequência do tsunami e não ocorreu por falha humana.
Acidentes como estes causam enorme desconfiança, principalmente quando se fala das
usinas nucleares para geração de energia elétrica. Entretanto, procure lembrar-se
também dos aspectos positivos desse fenômeno físico, tais como suas aplicações na
medicina. Em pequenas doses, a exposição à radiação não oferece riscos à saúde, pois
o corpo humano consegue substituir as células que eventualmente tenham sido
alteradas ou destruídas.
As forças nucleares e o núcleo atômico
Então podemos entender a radioatividade como a capacidade de alguns elementos
fisicamente instáveis, emitirem energia sob forma de partículas ou radiação
eletromagnética. A radioatividade é um fenômeno natural ou artificial, pelo qual algumas
substâncias ou elementos químicos chamados radioativos são capazes de emitir
radiações.
Esta “instabilidade nuclear‟ se deve, em grande parte, a uma competição entre a força
elétrica de repulsão próton x próton, no núcleo atômico, com a interação nuclear
chamada Força Forte, que faz com que as partículas do núcleo estejam muitíssimas
próximas umas às outras, mesmo possuindo cargas de mesmo sinal. Naqueles átomos
em que há poucos prótons, esta competição entre as duas forças é vencida pela força
forte. Nessa situação o átomo permanece estável. Entretanto, a medida que a
quantidade de prótons aumenta, a força elétrica de repulsão aumenta, tornando o átomo
instável e este emite partículas.
Figura 4 – Emissão de dois prótons em um núcleo atômico
Fonte General-fmv/Shutterstock.com
Essas partículas saem do átomo com muita energia cinética e ao penetrarem na matéria
(o corpo humano por exemplo), transferem essa energia para os átomos e moléculas
que encontram. Nessa transferência podem ocorrer lesões leves ou graves que vai
depender da energia dessas partículas que atingiram o corpo, por exemplo.
Já sabemos que os núcleos de alguns átomos emitem certas partículas. Ao longo do
século vinte, os físicos, utilizando alguns instrumentos denominados aceleradores de
partículas, descobriram muitas outras partículas, tais como o neutrino, o múon, o méson
e o quark.
Vimos anteriormente que as forças podem realizar muitas coisas: podem manter as
partículas unidas de modo a formar um sistema único, podem fazer com que uma
partícula expulse outra e podem provocar a divisão dessa em outras duas, ou mais
partículas diferentes.
Até onde sabemos, a única maneira de uma partícula influenciar uma outra é através de
forças. Você lembra das forças fundamentais que já estudamos? Uma é a força de
atração gravitacional e a outra é a força eletromagnética. Existem, além dessas, outras
duas que aparecem no interior do átomo e são conhecidas como força forte e força
fraca. A força forte é a que mantém o núcleo unido, vencendo a força de repulsão entre
os prótons do núcleo.
Mas a questão que colocamos agora é: seriam os prótons e nêutrons indivisíveis?
Utilizando os aceleradores de partículas descobriu-se que prótons e nêutrons são
formados por partículas ainda menores que foram chamadas de quarks.
Elétron
Quarks
Próton
Nêutron
Figura 5 – Modelo atômico com quarks no interior de prótons e nêutrons
Fonte: General-fmv/Shutterstock.com
Com o avanço das pesquisas da Física das Partículas, conhecemos atualmente seis
tipos de quarks, que possuem uns nomes não muito convencionais:
Up
Charm
Top
Down
Strange
Bottom
Entretanto, prótons e nêutrons não são feitos de todos estes tipos de quarks. Observe
a ilustração abaixo. Você vai perceber que estas partículas são formadas somente de
dois tipos de quarks:
Quark down
Quark up
Quark up
Quark down
Quark down
Quark up
Figura 5 – Modelo atômico com quarks up e down
Fonte: Festa/Shutterstock.com
Os prótons possuem dois quarks tipo up e um quark tipo down. Já os nêutrons: possuem
dois quarks tipo down e um quark tipo up.
Quer saber mais sobre essas e outras partículas? Assista ao programa O discreto
charme das partículas. Ele foi dividido em cinco capítulos e está disponível nos
endereços eletrônicos indicados a seguir:
https://www.youtube.com/watch?v=FAISMNkR_WM (Parte 1)
https://www.youtube.com/watch?v=f4aOj2VURG4 (Parte 2)
https://www.youtube.com/watch?v=XN-eoR-8Cgg (Parte 3)
https://www.youtube.com/watch?v=oSfuSOP8ePI (Parte 4)
https://www.youtube.com/watch?v=dnRU2qOsjtA (Parte 5)
ATIVIDADES
1. Leia atentamente o texto.
A radioatividade foi uma das maiores descobertas da humanidade. Atualmente, sua
utilização é vasta com aplicação em várias áreas. Uma dessas primeiras aplicações foi
na medicina, seguida da agricultura, indústria e geração de energia elétrica, contribuindo
de modo significativo para os conhecimentos desenvolvidos no século XX. Entretanto a
energia nuclear também possibilitou uma utilidade negativa, direcionada para fins
bélicos que trouxe consequências, sobretudo à saúde dos seres vivos.
A partir da leitura do texto, utilize o espaço a seguir e escreva um texto expressando
sua opinião sobre a energia nuclear. Você pode utilizar exemplos que justifiquem o seu
posicionamento.
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2. A detecção do último quark (quark top) correu em 1994. Sabe-se que as cargas são
iguais
a
2
3
e
para o quark up e
1
3
e para o quark down, onde e é a carga elétrica
elementar.
Sobre os quarks presentes na constituição dos prótons e nêutrons foram feitas as
seguintes afirmações:
I. O próton é constituído de dois quarks up e um quark down.
II. O nêutron é formado de dois quarks down e um quark up.
III. De acordo com o texto, o próton e o nêutron são partículas elementares.
Quais as afirmações que estão corretas? Justifique sua resposta.
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3. (UEL – 2011) Um parâmetro útil para caracterizar o processo de decaimento
radioativo de um núcleo particular é a meia-vida. Assinale a alternativa que apresenta a
melhor definição de meia vida.
a) É o tempo que um núcleo radioativo leva para decair emitindo elétrons e nêutrons.
b) É o tempo gasto para um átomo se tornar radioativo após absorver energia escura
emitida pelos átomos próximos.
c) É o tempo gasto para que metade de um dado número de núcleos radioativos sofra
decaimento.
d) É metade do tempo gasto para um dado conjunto de núcleos radioativos emitir
radiação.
e) É o tempo que um elemento químico gasta para entrar e sair de um meio material.
4. (UFU-MG) O átomo é a menor partícula que identifica um elemento químico. Ele
possui duas partes, a saber: uma delas é o núcleo, constituído por prótons e nêutrons,
e a outra é a região externa – a eletrosfera-, por onde circulam os elétrons. Alguns
experimentos permitiram a descoberta das características das partículas constituintes
do átomo.
Em relação a essas características, indique a alternativa correta.
a) prótons e elétrons possuem massas iguais e cargas elétricas de sinais opostos.
b) entre as partículas atômicas, os elétrons têm maior massa e ocupam maior volume
no átomo.
c) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm maior massa e ocupam
maior volume no átomo.
d) entre as partículas atômicas, os prótons e os nêutrons têm mais massa, mas ocupam
um volume muito pequeno em relação ao volume total do átomo.
5. (UEL-PR) O LHC (Large Hadron Collider), maior acelerador de partículas do mundo,
foi inaugurado em setembro de 2008, após 20 anos de intenso trabalho. Sua função é
acelerar feixes de partículas, de tal forma que estes atinjam uma velocidade estimada
em cerca de 99,99% da velocidade da luz. A colisão entre prótons será tão violenta que
a expectativa é de se obterem condições próximas àquelas que existiram logo após o
Big Bang.
A primeira missão desse novo acelerador é estudar partículas indivisíveis (elementares)
e as forças (interações) que agem sobre elas. Quanto às forças, há quatro delas no
universo:
I) responsável por manter o núcleo atômico coeso;
II) que age quando uma partícula se transforma em outra;
III) que atua quando cargas elétricas estão envolvidas.
IV) quarta força é a primeira conhecida pelo ser humano.
No texto, foram omitidas as expressões correspondentes às nomenclaturas das quatro
forças fundamentais da natureza, em acordo com a teoria mais aceita no meio científico
hoje.
Assinale a alternativa que apresenta, correta e respectivamente, os nomes dessas
forças.
a) força gravitacional, força nuclear fraca, força eletromagnética, força nuclear forte.
b) força nuclear forte, força eletromagnética, força nuclear fraca, força gravitacional.
c) força nuclear forte, força nuclear fraca, força eletromagnética, força gravitacional.
d) força gravitacional, força nuclear forte, força eletromagnética, força nuclear fraca.
e) força nuclear fraca, força gravitacional, força nuclear forte, força eletromagnética.
6. (UEG – 2010) Uma população humana foi acidentalmente exposta à radiação gama,
cujas ondas são eletromagnéticas de grande frequência e equivalem a pequenos
comprimentos de onda. A exposição foi letal em aproximadamente 20% da população,
e os sobreviventes foram monitorados por equipe médica especializada durante
décadas. Sobre os efeitos da radiação sobre os indivíduos envolvidos nesse acidente,
é correto afirmar:
a) a massa das partículas eletromagnéticas causou desvio nas ondas e,
consequentemente, baixo poder de penetração na matéria biológica exposta.
b) lesões por queimadura e desidratação foram a principal causa de letalidade, enquanto
as mutações foram potencialmente danosas a prazo mais longo.
c) mutações genéticas ocorreram por ionização da matéria, alterando o comportamento
dos alelos em uma população e impedindo a evolução por desequilíbrio gênico.
d) a baixa capacidade de penetração dessas ondas eletromagnéticas minimizou os
danos genéticos no núcleo celular, sem alteração significativa das frequências alélicas.
LEITURAS COMPLEMENTARES
Recriando as menores estruturas do Universo
Eu me lembro, quando garoto, de infernizar a vida do meu pai com perguntas do tipo
“Mas, pai, por que ...? ”. As perguntas mais chatas de responder eram as que cientistas
podem passar uma vida inteira tentando responder. Parafraseando Milan Kundera, as
perguntas mais importantes são as que uma criança faz. São perguntas sem respostas
e, portanto, perguntas que definem as limitações das possibilidades humanas”.
Por exemplo, “Pai, o que acontece se eu cortar um pedaço de pau em pedacinhos bem
pequenos? ”. “Bem, você vai ficar com vários pedaços pequenos de madeira”, meu pai
responderia aliviado, pensando ter se safado rapidamente. Mas eu, como toda criança
curiosa, não ia desistir assim, tão facilmente.
“Mas e se eu continuar cortando sem parar? Os pedaços de madeira desaparecem? ”
Pois é, o que acontece quando dividimos a matéria em pedaços cada vez menores?
Bem, diria o físico de partículas, você encontraria moléculas, que são agregadas de
átomos; depois átomos, que são agregados de partículas de matéria chamadas prótons,
nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons ocupam o núcleo atômico, carregando
praticamente toda a massa do átomo. Elétrons giram “ao redor” do núcleo, carregando
suas cargas negativas. As aspas indicam que esse modelo do átomo como um
minissistema solar não é realmente muito apropriado.
A esta altura, claro que não estamos mais “cortando” o átomo para dividi-lo.
Experiências que estudam a estrutura da matéria no nível atômico e subatômico usam
máquinas conhecidas como aceleradores de partículas, que colidem matéria contra
matéria a energias (velocidades) altíssimas. Quanto maior a energia da colisão,
menores as distâncias que podemos estudar.
Um exemplo: suponha que você queira estudar o interior de uma laranja sem cortá-la.
Um método seria deixá-la cair, de uma altura de 20cm, nada de muito dramático
aconteceria. Mas, se a laranja caísse de uma altura de 20m, ao colidir com o chão sua
velocidade seria grande o suficiente para que seu interior nos fosse revelado: bagaço,
sementes e muito suco.
Aceleradores de partículas estudam as menores estruturas da matéria por meio de
colisões de altíssimas energias. O Tevatron, que atinge as maiores energias do mundo,
está a 40km de Chicago, no Laboratório Nacional Fermi. As colisões ali produzidas
atingem energias que permitem o estudo da estrutura da matéria a distâncias cem
milhões de vezes menores que o átomo de hidrogênio, mil vezes menor que um próton!
A essas energias, fica claro que prótons e nêutrons não são partículas fundamentais,
mas sim formadas por partículas ainda menores, chamadas quarks. Mas será que
existem partículas ainda menores que os quarks? Será que essa hierarquia não vai
terminar nunca? Estas perguntas óbvias não são nada simples.
Isso não significa que não há respostas. Na verdade, temos até respostas demais,
baseadas em diferentes modelos do que acontece com a matéria a altíssimas energias,
além das que podemos, no momento, estudar com nossos aceleradores. Esses modelos
recebem nomes exóticos como supersimetria, tecnicolor, ou preons.
Independentemente dos detalhes de cada modelo, todos dizem que a hierarquia
termina, se não no nível dos quarks, num subnível próximo deles. Ou seja, que a matéria
tem uma estrutura fundamental baseada em certas partículas elementares.
Alguns desses modelos serão testados na próxima década, quando um novo
acelerador, que está sendo construído no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (Cern),
perto de Genebra, na Suíça, colidirá partículas com energias até oito vezes maiores que
o Tevatron. Mas, talvez ainda mais importante do que as respostas, serão as novas
perguntas que surgirão do coração dessas colisões.
Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br/fsp/ciencia/fe01039807.htm. Acesso em: 19 set. 2016.
11h52min.
INDICAÇÕES
Acesse o link http://www.cnen.gov.br/images/cnen/documentos/educativo/apostilaeducativa-aplicacoes.pdf e leia sobre a energia nuclear e suas aplicações.
E se você quiser saber mais sobre radioatividade e o funcionamento de uma usina
nuclear
acesse
o
link
http://www.quimica.net/emiliano/artigos/2010outubro-
chernobyl.pdf
Por outro lado, se o seu interesse for a Física das Partículas conheça um pouco mais
sobre o assunto acessando os links
http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/charme.pdf
e
http://www.terra.com.br/noticias/ciencia/infograficos/evolucao-da-fisica-de-particulas/
Acesse
o
link
e
pietro/mef2/app.upload/86/RadiacaoXRadioatividade.pdf
http://paje.fe.usp.br/~mefe
aprofunde
seus
conhecimentos sobre radioatividade e radiação.
REFERÊNCIAS
DIMA KALYTA/SHUTTERSTOCK.COM. Prédios abandonados da cidade de Pripyat,
próxima à usina de Chernobyl. Disponível em: <https://www.shutterstock.com/pic406040488.html>. Acesso em: 20 set. 2016. 11h15min.
FESTA/SHUTTERSTOCK.COM. Modelo atômico com quarks no interior de prótons
e neutrons.
Disponível em: <https://www.shutterstock.com/pic-408243214.html>.
Acesso em: 20 set. 2016. 14h20min.
FREES/SHUTTERSTOCK.COM. Símbolo utilizado para a radioatividade. Disponível
em: <https://www.shutterstock.com/pic-266189789.html>. Acesso em: 20 set. 2016.
11h40min.
GASPAR, A. Física – volume 3. São Paulo: Ática, 2000.
GENERAL-FMV/SHUTTERSTOCK.COM. Emissão de dois prótons em um núcleo
atômico.Disponível em: <https://www.shutterstock.com/pic-158316722.html>. Acesso
em: 20 set. 2016. 11h40min.
GLEISER, M. Recriando as menores estruturas do Universo. Disponível em:
<http://www1.folha.uol.com.br/fsp/ciencia/fe01039807.htm >. Acesso em 20 set. 2016.
11h36min.
HEWITT, P. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2012.
KATERYNA UPIT/SHUTTERSTOCK.COM. Parque de diversões abandonada na
cidade de Pripyat, na Ucrânia. Disponível em: <https://www.shutterstock.com/pic406461565.html>. Acesso em: 20 set. 2016. 10h34min
PIETROCOLA, M. Física em contextos: pessoal, social e histórico: volume 3. São
Paulo: FTD, 2011.
GABARITO
1.
Resposta pessoal do aluno
2.
Afirmações I e II. O próton é constituído de dois quarks up e um quark down. O
nêutron é formado de dois quarks down e um quark up. Prótons e nêutrons
atualmente não são consideradas partículas elementares pois são constituídos de
quarks.
3.
Alternativa C
4.
Alternativa D
5.
Alternativa C
6.
Alternativa B