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As forças fundamentais da natureza
Apresentação
Você já se pegou pensando sobre o que forma o nosso corpo, a matéria e o universo? Você deve 
estar pensando que os átomos formam tudo. Pois bem! Os átomos formam tudo, mas existem 
partículas menores na composição dos átomos que formam os próprios átomos e existem forças de 
interação que atuam sobre essas partículas. Nesse mundo que irá mergulhar, você conhecerá um 
pouco mais sobre as quatro forças fundamentais da natureza: a gravitacional, a eletromagnética e 
as forças fraca e forte.
Nesta Unidade de Aprendizagem, você aprenderá sobre as 17 partículas da física que compõem o 
universo e suas funções dentro do átomo, bem como o resultado de suas interações. Ao finalizar a 
unidade, verá o desenvolvimento do estudo e as principais aplicações das interações que ocorrem 
nas forças forte e fraca, passando desde o descobrimento das principais partículas que compõem o 
átomo, até suas influências nas propriedades da matéria.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Descrever os fenômenos das interações fraca e forte da matéria. •
Diferenciar cálculos matemáticos aplicados nas interações fraca e forte da matéria.•
Explicar as relações entre as forças fundamentais da natureza e suas aplicações tecnológicas. •
Desafio
As usinas nucleares são instalações industriais que produzem energia elétrica a partir de reações 
nucleares. Elas são construídas de ferro armado, concreto e aço, com a finalidade de proteger o 
reator nuclear de emitir radiações para o meio ambiente. O elemento mais utilizado nas usinas 
nucleares é o urânio.
Os elementos radioativos podem possuir emissões alfa, beta ou gama. As radiações alfa são 
compostas de dois prótons e de dois nêutrons, as radiações beta são compostas de um elétron e as 
radiações gama não possuem carga nem massa. 
Diante do exposto, observe a seguinte situação:
Levando em consideração os danos aos seres vivos que cada tipo de radiação pode causar, indique 
que tipo de caixa deve ser utilizada para o transporte seguro de cada uma das pedras. Justifique sua 
resposta.
Infográfico
As 17 partículas da física - subdivididas em quarks, partículas constituintes da matéria, sendo de 6 
sabores diferentes (up, down, strange, charm, bottom, e top); léptons, partículas que não interagem 
fortemente, podendo ser elétrons, múon, tau ou neutrinos de elétrons, neutrinos do múon e 
neutrinos de tau; e bósons, que são partículas das interações fundamentais da natureza, sendo os 
fótons (mediadores da interação eletromagnética), os bósons W e Z (mediadores da força fraca) e 
os glúons (mediadores da força forte), além do bóson de Higgs, que fornecem massas a todas as 
outras partículas - são apresentadas de acordo com a sua data de teorização e descoberta. 
Neste Infográfico, você acompanhará a história da descoberta das partículas elementares da física.
Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
 
 
Conteúdo do livro
A importância das quatro forças fundamentais para a existência e manutenção de tudo o que existe 
é notável. As forças forte e fraca são destacadas, uma vez que se referem à natureza das partículas 
e subpartículas que compõem os átomos. As interações entre essas partículas não são menos 
importantes.
No capítulo As forças fundamentais da natureza, da obra História do conhecimento científico, base 
teórica desta Unidade de Aprendizagem, você verá assuntos sobre a definição das forças forte, 
fraca, eletromagnética e gravitacional e suas interações, bem como as tentativas matemáticas de 
explicá-las ao longo das teorias, destacando-se a teoria do modelo padrão. Verá ainda a linha 
histórica de descoberta das partículas que fazem parte do átomo e a importância das 17 partículas 
da física. Por fim, você verá algumas aplicações desse fabuloso mundo pequeno em nosso dia a dia.
Boa leitura.
HISTÓRIA DO 
CONHECIMENTO 
CIENTÍFICO
Elaine Cristina Marques Esper
As forças fundamentais 
da natureza
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Descrever os fenômenos da interação fraca e forte da matéria.
  Diferenciar cálculos matemáticos aplicados nas interações fraca e 
forte da matéria.
  Explicar as relações entre as forças fundamentais da natureza a suas 
aplicações tecnológicas.
Introdução
Neste capítulo, você vai estudar as quatro forças da natureza, as interações 
entre as forças fracas e as fortes, além das partículas e subpartículas que 
existem. Você vai ver também a importância do Modelo Padrão para 
explicar a existência e a manutenção do universo por meio da física de 
partículas. Vai conferir como a mecânica quântica foi importante para o 
desenvolvimento das teorias, que depois se tornaram experimentos na 
explicação das subpartículas atômicas que compõem toda a matéria. Por 
fim, você vai conhecer as principais aplicações científicas e tecnológicas 
que envolvem as interações entre as partículas por meio das quatro 
forças fundamentais. 
1 As interações fraca e forte da matéria
A matéria é defi nida como tudo aquilo que tem massa e ocupa lugar no espaço. 
Aprendemos que a matéria pode estar em três estados físicos, sólido, líquido e 
gasoso, além das diversas propriedades comuns a toda matéria, como pontos de 
fusão e de ebulição, densidade, condutividades térmica e elétrica, fragilidade, etc.
No entanto, para entender a matéria, é necessário avançar um pouco mais 
no seu estudo, principalmente no que tange às interações entre as partículas 
que formam a matéria, sendo elas partículas enormes, como os planetas, ou 
partículas minúsculas, como as subpartículas atômicas. Entre essas partículas, 
existe uma infinidade de outras partículas presentes. Veja na Figura 1 uma 
representação de várias partes de tamanhos diferentes do mundo cósmico 
para o mundo micro.
Figura 1. Representação de várias partes de tamanhos diferentes do mundo cósmico para 
o mundo micro. 
As forças fundamentais da natureza2
Veja a seguir as quatro forças da natureza que mantêm a matéria unida na 
formação do planeta, dos sistemas, dos átomos (MOREIRA, 2004).
1. Força gravitacional: atração mútua entre os corpos em razão de suas 
massas, como a atração entre o planeta Terra e o Sol ou a movimentação 
dos planetas.
2. Força eletromagnética: atração ou repulsão entre os corpos em razão 
de suas cargas elétricas e/ou de sua magnetização, como a movimen-
tação de uma agulha de bússola e a interação entre um elétron e seu 
núcleo atômico. 
3. Força nuclear forte: mantém a coesão nuclear e a coesão entre os qua-
rks. Os prótons, por exemplo, para se manterem no núcleo, repelem-se 
entre si, mantendo-se coesos por causa disso. 
4. Força nuclear fraca: força entre os léptons e os hádrons, responsável, 
por exemplo, pelo fenômeno da emissão de elétrons no decaimento beta 
de algumas partículas radioativas.
O Quadro 1 apresenta a relação entre os quatro tipos de forças e suas 
intensidades energéticas. 
 Fonte: Adaptado de Garotti (2003). 
Força 
fundamental
Intensidade Teoria
Mediador 
(bóson)
Fonte 
Forte 10 Cromodinâmica 
quântica
Glúon Carga 
de cor
Eletromagnética 10−2 Eletrodinâmica Fóton Carga 
elétrica
Fraca 10−13 Flavordinâmica W+ , W− e Z0 Carga fraca
Gravitacional 10−42 Geometrodinâmica Gráviton Massa 
 Quadro 1. As quatro forças da natureza 
Analisando os dados do Quadro 1, é possível notar que a força gravitacional 
é a de menor intensidade energética, porém é a de maior alcance, uma vez que 
é responsável pela estabilidade dinâmica de todo o universo. Os mediadores 
citados no Quadro 1 são as forças criadas em volta de uma partícula e foram 
3As forças fundamentais da natureza
estabelecidas pela teoria quântica de campos. Os fótons são o quantum ou os 
quanta que mediam a interação eletromagnética; os glúons mediam a interação 
forte; o gráviton media a interação gravitacional; e as partículas W+, W− e Z0 
mediam a interação fraca (MOREIRA,2004). 
A geometrodinâmica é a união da teoria clássica da gravitação universal de Isaac 
Newton com a generalização relativística da gravitação de Albert Einstein, em que a 
gravitação é geometrizada. Aqui se encontra uma necessidade de estudo e utilização 
da teoria quântica para a gravitação que ainda não foi elaborada pelos físicos, embora 
muitos estudem isso. A eletrodinâmica quântica, por sua vez, já foi elucidada nos anos 
1940 por físicos como Feynman, Tomonaga e Schwinger e consiste na junção da física 
clássica de Maxwell, que descreve os fenômenos elétricos e magnéticos, com a teoria 
da relatividade especial de Einstein (GAROTTI, 2003).
A força fraca, de intensidade baixa, segue a teoria da flavordinâmica, criada 
nos anos 1960 por Gashow, Weinberg e Salam, que se refere às propriedades 
intrínsecas das partículas elementares. Em 1979, eles foram laureados com 
o Prêmio Nobel da Física por unificarem as forças fraca e eletromagnética e 
pela criação da flavordinâmica, estabelecendo que as interações fraca e ele-
tromagnética são manifestações da força eletrofraca, transformando as forças 
do universo em apenas três: forte, eletrofraca e gravitacional (PIMENTA et 
al., 2013).
A força nuclear fraca teve seus primeiros indícios na descoberta da ra-
dioatividade, por Becquerel, em 1896, mas só ganhou esboço de explicação 
nos anos 1930, quando descobriram que as partículas β eram formadas por 
um nêutron que se transformava em um próton, gerando um elétron e um 
neutrino, lançados para fora do núcleo, que é o princípio do decaimento β. 
A física, até aquele momento, considerava que a força nuclear mantinha os 
prótons dentro do núcleo do átomo e a força eletromagnética tentava separar 
os prótons, não explicando, portanto, o fenômeno. O decaimento β pode ser 
representado pela Equação 1:
Foi assim que, nos anos 1960, os pesquisadores Salam, Weinberg e Gashow 
propuseram a junção das teorias da força fraca e da eletromagnética. Propu-
As forças fundamentais da natureza4
seram a existência de partículas W eletricamente carregadas, cuja troca induz 
a radioatividade beta e partículas Z neutras. Essas partículas, sob a aplicação 
de energias superiores a 100 GeV atuariam emitindo e absorvendo energia, 
gerando a força eletrofraca. Esse fato só foi provado em 1984, quando já 
havia aceleradores de partículas potentes o suficiente para gerarem os 100 
GeV necessários, sendo possível, então, medir a força fraca entre os elétrons 
o os núcleos atômicos.
As forças fortes, por sua vez, ocorrem a uma curta distância no interior 
do núcleo atômico que dá estabilidade aos átomos, uma vez que mantém 
o núcleo unido, evitando a repulsão dos prótons. Yukawa, em 1934, foi o 
primeiro a estudar as forças fortes, mas foi somente na década de 1970 que a 
cromodinâmica quântica foi estabelecida (GAROTTI, 2003). 
Pode-se dizer que os átomos são formados por elétrons, que ocupam níveis 
de energia, e núcleos formados de prótons e nêutrons, que são constituídos de 
quarks (tipos u e d). Os quarks são, provavelmente, os constituintes funda-
mentais da matéria, subdivididos em seis espécies, conforme listados a seguir.
  u: up (para cima).
  d: down (para baixo).
  c: charm (charme). 
  s: strange (estranho).
  b: bottom (fundo).
  t: top (topo).
Essas espécies podem se apresentar em três edições ou cores: 1 (vermelho), 
2 (verde) e 3 (azul). Dessa forma, são possíveis 18 quarks distintos e 18 quarks 
de antipartícula, resultando em 36 quarks (MOREIRA, 2004). 
Além disso, os quarks têm carga elétrica fracionária, sendo +2/3 para os 
sabores u, c e t e −1/3 para os sabores d, s e b. Os quarks não são encontrados 
livremente, mas confinados em partículas de hádrons, e podem ocorrer de 
duas formas: bárions, formados por três quarks (que seguem o Princípio 
da Exclusão, de Pauli), ou mésons, formados de um quark e um antiquark 
(MOREIRA, 2004). 
5As forças fundamentais da natureza
a) Antipartículas possuem a mesma massa e o mesmo spin que a partícula relacionada, 
porém com carga elétrica contrária.
b) O princípio da exclusão, de Pauli, diz que duas partículas da mesma espécie e 
de spins não inteiros não ocupam o mesmo estado quântico. Léptons e quarks 
obedecem ao princípio, enquanto fótons, glúons e partículas W e Z não obedecem 
ao princípio. 
Outra família de partículas é a dos léptons, partículas de spin 1/2 com 
carga elétrica ou não (neutrinos). O elétron é uma espécie de lépton, além do 
múon, do tau e dos neutrinos do elétron, do múon e tau. Assim, contando os 
antiléptons, há um total de 12 léptons na natureza. 
Além de todas essas partículas, cabe ressaltar a importância das suas 
interações. Mediar essas interações significa que é possível medir as trocas 
(absorção e emissão) entre as partículas, tal como existe a troca quando há 
uma emissão fotônica. O campo das forças produzidas por quarks e antiquarks 
é denominado campo de glúons. Os quarks são capazes e emitir e absorver 
glúons, de tal forma a interagirem entre si. Essas trocas também ocorrem entre 
os mediadores da força fraca (MOREIRA, 2004). 
Apesar de toda essa nomenclatura parecer difícil, o entendimento da 
existência dessas partículas e de suas interações é importante, uma vez que 
permite responder a alguns questionamentos. Qual é a origem da matéria? 
Como tudo se formou?
O famoso bóson de Higgs é que explica esse questionamento. Higgs é 
uma partícula com spin inteiro, responsável por dar origem à massa de todas 
as outras partículas elementares. Está associada a um campo que permeia 
todo o universo e que, ao interagir com uma outra partícula, libera energia 
na forma de massa para as demais partículas. Assim, os bósons W+, W−, Z0, 
férmions, quarks e léptons ganham massa por meio da interação com o bóson 
de Higgs e o campo de Higgs. Essa foi a interação eletrofraca proposta por 
Salam, Weinberg e Gashow.
Nos anos 1970, foi desenvolvida a teoria quântica dos campos, baseada 
na mecânica quântica e na teoria da relatividade especial, uma teoria completa 
sobre as interações entre as partículas da matéria, denominada Modelo Padrão 
da Física de Partículas, que envolve as forças forte, fraca e eletromagnética 
(MOREIRA, 2009). 
As forças fundamentais da natureza6
2 Cálculos matemáticos aplicados nas 
interações fraca e forte da matéria
Primeiramente, vamos diferenciar as 17 partículas existentes, no Quadro 2. 
 Fonte: Adaptado de Dorsch (2019). 
Símbolo Partícula Massa Carga Spin 
Quarks
u Up 2,2 MeV/c2 2/3 1/2
c Charm 1,28 GeV/c2 2/3 1/2 
t Top 173,1 GeV/c2 2/3 1/2 
d Down 4,7 MeV/c2 −1/3 1/2 
s Strange 96 MeV/c2 −1/3 1/2 
b Botton 4,18 GeV/c2 −1/3 1/2 
Léptons
e Elétron 0,511 MeV/c2 −1 1/2 
µ Múon 105,66 MeV/c2 −1 1/2 
τ Tau 1,7768 GeV/c2 −1 1/2 
υ
e
Neutrino do elétron <1,0 eV/c2 0 1/2 
υ
µ
Neutrino do múon <0,17 MeV/c2 0 1/2 
υ
τ
Neutrino do tau <18,2 MeV/c2 0 1/2 
Bósons 
de Gauge
g Glúon 0 0 1
ϒ Fóton 0 0 1
Z Bóson Z 91,19 GeV/c2 0 1
W Bóson W 80,39 GeV/c2 ±1 1
Bóson 
escalar
H Bóson de Higgs 124,97 GeV/c2 0 0
 Quadro 2. As 17 partículas da física 
Sabemos que, além das partículas presentes no Quadro 2, outras partículas 
são possíveis, como para os quarks que podem assumir cores diferentes. Até 
o momento, mais de 300 partículas já foram encontradas (MOREIRA, 2009). 
7As forças fundamentais da natureza
Os elétrons são partículas fundamentais, enquanto os nêutrons e os prótons 
são agregados de quarks (STEINKIRCH, 2012). 
De maneira simplificada, o Modelo Padrão descreve dois tipos de partículas 
fundamentais: os férmions (quarks e léptons) e os bósons, que possuem spins 
diferentes. Os férmions são spins fracionários, e os bósons, spins inteiros. 
Portanto, não seguem o princípio da exclusão de Pauli. Assim, os bósons 
determinam as interações entre as partículas, enquanto os férmions são res-
ponsáveis por sua massa (MOREIRA, 2009). 
Voltando ao Quadro 1, observe que as intensidades (representadas por α) 
podem ser consideradas na eletrodinâmica, na teoria eletrofracae na cromo-
dinâmica quântica conforme segue.
  Na eletrodinâmica quântica, como a constante de estrutura fina, que 
representa a interação entre elétrons e fótons e é dada pela Equação 2:
onde e é a carga elementar do elétron, ℏ é a constante de Planck sobre 
2π e c é a velocidade da luz no vácuo. 
  Na teoria eletrofraca, a constante de estrutura fina é absorvida por 
outras constantes de acoplamento associadas aos campos de calibre 
eletrofracos, e a interação eletromagnética é uma mistura de interações 
associadas aos campos eletrofracos. 
  Na cromodinâmica quântica (QCD), há uma diminuição do acoplamento 
em altas energias, conhecido por liberdade assintótica, que faz com 
que a intensidade das interações fortes seja dada pela Equação 3:
onde β0 é uma constante computada pelos cientistas Wilczek, Gross e 
Politzer. Isso representa que o acoplamento se dá em baixas energias.
As quatro interações podem ser observadas em um distúrbio no campo 
gravitacional, onde o eletromagnetismo age entre as partículas carregadas 
eletricamente, e o fóton media a informação entre as partículas carregadas. 
A troca de fótons entre os elétrons e o núcleo positivo do átomo mantém a 
As forças fundamentais da natureza8
estabilidade do átomo. Da mesma forma, a interação entre os quarks e seu 
confinamento nos hádrons é mediada pelos glúons, que constituem a mais 
forte das quatro interações. Já a interação fraca permite as transformações das 
partículas, ou seja, os decaimentos atômicos (STEINKIRCH, 2012). 
De acordo com o Modelo Padrão, as interações ocorrem pela troca de bósons 
nas partículas que em que os bósons atuam, se propagando na velocidade da 
luz e obedecendo à lei da conservação de energia, e ao princípio da incerteza, 
de tal forma que quanto maior for a massa do bóson mediador, menor será o 
alcance da interação (MOREIRA, 2009). 
O princípio da incerteza, formulado em 1927 por Heisenberg, diz que não se pode 
determinar exatamente a posição de um elétron em um dado momento temporal. 
Isso explica a dupla natureza do elétron, tanto como partícula quanto como onda 
(ROONEY, 2018).
Na verdade, a principal troca que ocorre é uma troca virtual de energia, 
uma vez que a massa é desprezível. Assim, partículas reais (quarks, léptons) 
trocam partículas virtuais (glúons, fótons, W e Z, grávitons), impulsionadas 
pelos campos gerados em torno de si (campo eletromagnético, campo forte, 
campo fraco e campo gravitacional) (MOREIRA, 2009). 
A teoria de gauge une a teoria da interação eletrofraca (QED) com a teoria 
da cromodinâmica quântica, deixando de fora apenas o gráviton e o bóson de 
Higgs. Essas teorias são consideradas teorias de calibre, em que a lagrangiana 
de cada conjunto de bósons mediadores é invariante e pode ser descrita por 
SU(3) para a interação forte e SU(2) × SU(1) para a interação eletrofraca. O 
Modelo Padrão é dado pela Equação 4:
SU(3) SU(2) × SU(1)
Para construir a teoria de campo para os elétrons, por exemplo, é necessário 
lembrar que eles são descritos como uma função de onda ψ (x, t) e estão 
separados por uma distância d. Porém, como os elétrons podem mudar de 
9As forças fundamentais da natureza
fase, a matemática considera que eles estão numa dinâmica que contém de-
rivadas da função de onda ψ (x, t). Assim, a lagrangiana consegue descrever 
o mesmo comportamento da física, mesmo se ocorrer uma transformação de 
fase (STEINKIRCH, 2012).
A teoria do campo livre é dada pela lagrangiana (Equação 5):
Considerando a corrente de Dirac, a lagrangiana pode ser escrita pela 
Equação 6:
Agora, considera-se a transformação local de interação entre os campos 
de fótons e léptons (AQUINO, 2007).
Uma infinidade de teorias e cálculos foram desenvolvidos no último século 
e levaram à origem das quatro, ou das três, forças fundamentais. Desde a 
descoberta do elétron por J.J. Thomson em 1897, os estudos na área jamais 
finalizaram. Uma das descobertas mais recentes na área é o bóson de Higgs, 
prevista em 1964 por Peter Higgs e descoberta em 2012 (MOREIRA, 2009). 
A estrutura atômica e a influência do bóson de Higgs são esquematizadas 
na Figura 2.
As forças fundamentais da natureza10
Figura 2. Bóson de Higgs.
Fonte: Adaptada de ShutterStock.com/Designua.
ÁTOMO NÊUTRON
PRÓTON
Elétron
Nêutron
Glúon
Quarks
Bóson
de Higgs
Prótons
Próton
Núcleo
O bóson de Higgs foi uma partícula prevista para explicar porque os bósons 
W e Z possuem massa. Por um lado, esperava-se que essas partículas tivessem 
massas elevadas em virtude das interações fracas e, por outro, a simetria da 
teoria exigia que não houvesse massa para essas partículas. A massa desses 
bósons só poderia existir se as partículas tivessem ganhado massa de outra 
partícula. Como havia um campo diferente dos demais, foi dado o nome de 
campo de Higgs, propondo a existência do bóson de Higgs, que hoje é tido 
como a origem da massa de todas as partículas elementares (MOREIRA, 2009). 
A massa é um dos assuntos mais pesquisados na física de partículas. A 
massa de Newton é dada pela Equação 7:
a de Einstein pela Equação 8:
E = mc2
11As forças fundamentais da natureza
e a massa do bóson de Higgs é dada pela Equação 9: 
onde λ é o parâmetro de autoacomplamento do bóson de Higgs, e υ é igual a 
246 GeV, sendo o valor do campo de Higgs.
O Modelo Padrão, apesar de explicar muito sobre a física das partículas, 
é incompleto, uma vez que não fornece explicação sobre a gravidade, e é 
incompatível com a teoria da relatividade, não explica a observação experi-
mental das oscilações dos neutrinos, não explica a predominância no universo 
observável da matéria sobre a antimatéria, não explica toda a energia ou matéria 
acumulada no espaço. Dessa forma, outros modelos foram propostos, como o 
supersimétrico, que considera a existência de um parceiro para cada partícula 
e que a maioria delas existiu apenas na formação do planeta (PIMENTA et 
al., 2013). 
3 Forças fundamentais da natureza e suas 
aplicações tecnológicas
Um dos principais resultados práticos do desenvolvimento da física de par-
tículas são as aplicações no entendimento da matéria, incluindo as próprias 
subpartículas e suas funções, passando pelas correlações e pelo estudo do átomo 
até chegar às ligações químicas e a outros vários tipos de interações intra e 
intermoleculares, além do estudo da matéria seja ela molecular ou cristalina, 
seja ela do ponto de vista macroscópico ou nanoscópico.
A divisão do átomo em núcleo e eletrosfera só se deu a partir das descobertas 
de J.J. Thomson em 1897. Na verdade, a grande descoberta de Thomson foi 
o elétron, partícula carregada negativamente, mas seu modelo de pudim de 
passas — segundo o qual o átomo é uma esfera de material gelatinoso positivo 
com os elétrons suspensos sobre ele — era estranho e não se adaptava aos 
conhecimentos da física da época (ROONEY, 2018).
Estudando as partículas α emitidas pelo radônio sobre uma lâmina atômica 
de ouro, Rutherford, em 1911, chegou à conclusão de que o átomo era, em 
sua maior parte, vazio e sem massa, onde estavam os elétrons (dando o nome 
de eletrosfera a essa parte vazia), e constituídos de um pequeno núcleo onde 
estavam localizadas as partículas positivas (os prótons) juntamente com outras 
partículas de carga neutra (ATKINS; JONES; LAVERMAN, 2018).
As forças fundamentais da natureza12
Embora Rutherford tenha elucidado boa parte da constituição das partículas 
elementares do átomo, muita dúvida havia sobre a interação da luz no átomo. 
Planck já havia elucidado a sua fórmula para energia em 1900 (E = һυ), e Eins-
tein elucidou a sua fórmula para energia em 1905 (E = mc2). Aplicando Planck, 
os átomos podiam transferir energia na forma de ondas (luz); e aplicando 
Einstein, a luz era formada por partículas corpusculares que poderiam ser 
emitidas, chamadas de fótons, mais tarde. Mesmo assim, a emissão das cores 
diferentes dos fogos de artifício na forma de luz intrigava os pesquisadores da 
época e, além disso, Rutherford não conseguiaexplicar seu modelo atômico 
com a física do momento. Se os elétrons estivessem parados, seriam atraídos 
pelo núcleo; se estivessem em movimento curvilíneo, perderiam energia e 
colapsariam com o núcleo (ROONEY, 2013).
Em 1911, Böhr forneceu uma explicação para o átomo de Rutherford, 
propondo que os elétrons ocupavam níveis de energia diferentes e que, para 
cada átomo, esses níveis seriam diferentes, o que explicaria as cores dos fogos 
de artifício. Rutherford não aceitou, e ambos passaram boa parte de suas vidas 
buscando explicações para o átomo (ROONEY, 2018).
Em 1924, a questão da energia foi sugerida por Louis de Broglie como 
dual, ou seja, as partículas, no caso, os elétrons e toda a matéria em geral, se 
comportariam como partícula e como onda (hυ = mc2). É fato que não vemos 
um carro se movendo como um sinal de onda wireless de internet, exatamente 
porque se a massa do objeto for muito grande, não há sentido que ele se mova 
como uma onda. Da mesma maneira, como a massa do elétron e das demais 
16 partículas é muito pequena, é impossível determinar com exatidão o lugar 
no espaço (posição e momento) onde ele está presente (ATKINS; JONES; 
LAVERMAN, 2018).
A questão do átomo foi um pouco mais complexa. Alunos de Böhr e Ruther-
ford, Heiseberg e Schrödinger construíram explicações matemáticas baseadas 
em matemática matricial e em função de onda para posicionar o elétron no 
átomo. A partir desses estudos, a posição dos elétrons pode ser determinada 
em forma de níveis de energia quantizados e subníveis de energia no formato 
repetitivo de orbitais atômicos, sendo s, p, d e f. Cada orbital atômico recebe 
no máximo dois elétrons com spins contrários, sendo estes os quatro números 
quânticos que definem um elétron de um átomo (nível, subnível, momento 
angular e spin). Os orbitais atômicos estão representados na Figura 3.
13As forças fundamentais da natureza
Figura 3. Orbitais atômicos.
Fonte: ShutterStock.com/magnetix.
Com o cálculo dos orbitais atômicos, a formação dos compostos e o cálculo 
de orbitais moleculares explicando as ligações químicas ficaram em evidência. 
Basicamente, os átomos podem se unir se houver uma diminuição da energia 
após a ligação. A ligação pode ser explicada das três seguintes maneiras. 
1. Ligação iônica: formada entre elementos metálicos e não metálicos 
pela doação de elétrons e obediência à regra do octeto. A interação entre 
metais e não metais leva à formação de retículos cristalinos, materiais 
duros e frágeis ao mesmo tempo, como são as cerâmicas.
2. Ligação covalente: formada entre elementos não metálicos pelo com-
partilhamento de elétrons e formação de orbitais moleculares. A inte-
ração entre as moléculas formadas, seja por meio de interações de van 
As forças fundamentais da natureza14
der Waals, dipolo-dipolo ou ligações de hidrogênio, leva à formação 
de materiais flexíveis e esticáveis.
3. Ligação metálica: formada entre elementos metálicos pela formação 
de um “mar” de elétrons. A interação formada entre os átomos forma 
retículos cristalinos que possuem alta maleabilidade em função da 
deslocalização eletrônica. Não existe um modelo que explique a ligação 
metálica, uma vez que a regra do octeto não se aplica a ela. 
A regra do octeto diz que todos os elementos da tabela periódica precisam possuir 
configuração de gás nobre para ficarem estáveis, porque os gases nobres possuem os 
níveis e subníveis de energia totalmente preenchidos. Desse modo, os elementos das 
famílias 1, 2 e 13 da tabela periódica tendem a perder elétrons, enquanto os elementos 
das famílias 15, 16 e 17 tendem a ganhar elétrons.
Além do entendimento da própria constituição da matéria e de suas pro-
priedades, outras aplicações são interessantes para as partículas atômicas 
e subatômicas. A recente área da nanotecnologia é um exemplo disso. Ao 
trabalharmos em escala nanométrica, estamos trabalhando em escala atômica 
e, invariavelmente, as propriedades não são mais explicadas do ponto de vista 
de moléculas e cristais, mas do ponto de vista das partículas atômicas. 
A exemplo do efeito fotoelétrico amplamente discutido por Planck e Eins-
tein, as nanopartículas de alguns materiais semicondutores estão em confi-
namento quântico, formando os nanocristais, e seus elétrons se comportam 
como partículas dentro de uma caixa, que sofrem excitação ao receberem 
energia, liberando um fóton ao retornarem para o seu local de origem. Esses 
semicondutores são conhecidos como pontos quânticos e podem ser aplicados 
na área médica, por exemplo (ATKINS; JONES; LAVERMAN, 2018).
Toda a indústria eletrônica atual se deve às ideias quânticas de Broglie, 
Schrödinger e Heisenberg, com o desenvolvimento da tecnologia do chip de 
silício, que é um material semicondutor. O uso atual dos lasers também só 
é possível graças à compressão do mecanismo para radiação da luz a partir 
dos átomos, em nível quântico fundamental. Outra aplicação direta são os 
supercondutores, que permitem o desenvolvimento dos trens-bala, que utilizam 
a levitação magnética (BRENNAN, 2003). 
15As forças fundamentais da natureza
A radioatividade é um resultado direto da física de partículas, e suas 
aplicações são as mais variadas. Os elementos com mais de 82 de número 
atômico são radioativos e emitem raios 2α
4, −1β
0 e 0γ
0, onde:
  a partícula α consiste em dois prótons e dois elétrons, possuindo carga 
positiva; 
  as partículas β são elétrons ejetados do átomo radioativo se originando 
no núcleo do átomo quando um nêutron se transforma em um próton;
  os raios γ são radiações eletromagnéticas de alta frequência. 
A Figura 4a ilustra os raios α, β e γ, e a figura 4b mostra a sua intensidade 
de penetração sobre os materiais (HEWITT, 2008). 
Figura 4. Raios α, β e γ e suas intensidades sobre os materiais.
Fonte: Adaptada de Hewitt (2008).
Raio gama = luz ultravioleta
não visível de alta frequência
Partícula alfa = núcleo de
hélio (carga elétrica +2)
Imã
Amostra de rádio
Bloco de chumbo
(a) (b)
Partícula beta = elétron
(carga elétrica –1)
Fonte
Papel
Alumínio
Chumbo
As aplicações da radioatividade vão desde a geração de imagens por to-
mografia, passando por terapias e tratamento de câncer, até o aumento da 
durabilidade de frutas irradiadas ou o caminho de fertilizantes, por meio de 
um isótopo radioativo. A datação de objetos arqueológicos pelo uso do carbono 
14 e a geração de energia elétrica a partir da fissão nuclear são outros exem-
plos. A fissão nuclear acontece por meio do ataque de um núcleo radioativo 
por um nêutron, que desestabiliza a força forte, levando a uma deformação 
crítica quando esse núcleo colide com outro núcleo. A força elétrica intensa 
e repulsiva gerada leva à fissão (HEWITT, 2008).
As forças fundamentais da natureza16
Neste capítulo, estudamos a importância das quatro forças fundamentais 
para tudo o que existe, incluindo desde um simples átomo até o universo. 
Vimos que as forças forte e fraca, apesar de mais recentes e com explicações 
matemáticas bastante desenvolvidas, considerando o Modelo Padrão, a assi-
metria e a mecânica quântica, mas que ainda precisam ser investigadas mais 
profundamente. Vimos também que a junção das forças fraca e eletromagnética 
pode ser considerada, formando a força eletrofraca, e que a força gravitacional 
ainda não responde aos modelos matemáticos atualmente propostos. Cabe uma 
pergunta aqui: a física macro e a física micro não se encontram?
Além disso, estudamos as 17 partículas que fazem parte da constituição de 
tudo, com seus quarks, léptons e bósons. O bóson de Higgs, partícula geradora 
de matéria, que teria dado origem a tudo, foi encontrado finalmente em 2012, 
depois de 50 anos de experimentos em sua busca. No entanto, ainda resta a 
pergunta: por que há menos antimatéria do que matéria? 
Por fim, navegamos na história de descobertas do átomo e no estudo das 
interações entre os átomos, formando as ligações químicas, as moléculas, 
os cristais e as interações entre as substâncias,que culminam no melhor 
entendimento para a nanotecnologia e o desenvolvimento da eletrônica dos 
semicondutores. Abordamos, por fim, o conceito de radioatividade, que permite 
uma gama enorme de aplicações.
AQUINO, P. M. Física além do modelo padrão em teorias com dimensões extras. 2007. 
Dissertação (Mestrado em Física) – Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007. 
ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Princípios de química: questionando a vida moderna 
e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.
BRENNAN, R. P. Gigantes da física: uma história da física moderna através de oito bio-
grafias. Rio de Janeiro: Zahar, 2003. 
DORSCH, G. C. A teoria de quase tudo. Vitória: Parque Botânico da Vale, 2019. Disponível 
em: http://www.cosmo-ufes.org/uploads/1/3/7/0/13701821/dorsch-universoparque.
pdf. Acesso em: 21 ago. 2020. 
GAROTTI, H. As quatro forças fundamentais da natureza. Porto Alegre: UFRGS, 2003. 
Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20032/Humberto/. Acesso em: 18 
ago. 2020. 
17As forças fundamentais da natureza
HEWITT, P. G. Fundamentos de física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2008.
MOREIRA, M. A. O modelo padrão da física de partículas. Revista Brasileira de Ensino de 
Física, v. 31, n. 1, p. 1-11, 2009. Disponível em: https://www.scielo.br/pdf/rbef/v31n1/
v31n1a06.pdf. Acesso em: 18 set. 2020.
MOREIRA, M. A. Partículas e interações. Física na Escola, v. 5, n. 2, 2004. Disponível em: 
http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol5/Num2/v5n1a03.pdf. Acesso em: 18 set. 2020.
PIMENTA, J. J. M. et al. O bóson de Higgs. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 35, n. 
2, p. 1-14, 2013. Disponível em: https://www.scielo.br/pdf/rbef/v35n2/06.pdf. Acesso 
em: 18 set. 2020.
ROONEY, A. A história da física: da filosofia ao enigma da matéria negra. São Paulo: 
M.Books, 2013.
ROONEY, A. A história da química: da tabela periódica à nanotecnologia. São Paulo: 
M.Books, 2018.
STEINKIRCH, M. von. O modelo padrão. New York: Stony Brook Astronomy, 2012. Dis-
ponível em: http://www.astro.sunysb.edu/steinkirch/reviews/sm07.pdf. Acesso em: 
21 ago. 2020. 
Leituras recomendadas
FERREIRA, H. S.; RANGEL, M. C. Nanotecnologia: aspectos gerais e potencial de apli-
cação em catálise. Química Nova, v. 32, n. 7, p. 1860-1870, 2009. Disponível em: http://
static.sites.sbq.org.br/quimicanova.sbq.org.br/pdf/Vol32No7_1860_32-RV08203.pdf. 
Acesso em: 18 set. 2020.
MELZER, E. E. M.; AIRES, J. A. A história do desenvolvimento da teoria atômica: um 
percurso de Dalton a Bohr. In: ENCONTRO NACIONAL DE PESQUISA EM EDUCAÇÃO EM 
CIÊNCIAS, 8., 2011, Campinas. Anais [...]. Campinas: ENPEC, 2011. Disponível em: http://
www.nutes.ufrj.br/abrapec/viiienpec/resumos/R1348-1.pdf. Acesso em: 23 ago. 2020.
Os links para sites da web fornecidos neste capítulo foram todos testados, e seu fun-
cionamento foi comprovado no momento da publicação do material. No entanto, a 
rede é extremamente dinâmica; suas páginas estão constantemente mudando de 
local e conteúdo. Assim, os editores declaram não ter qualquer responsabilidade 
sobre qualidade, precisão ou integralidade das informações referidas em tais links.
As forças fundamentais da natureza18
Dica do professor
A descoberta dos mecanismos que levam ao efeito fotoelétrico foi um divisor de águas para o 
entendimento da existência e função da partícula fóton e de como sua interação com os elétrons 
poderia ser aplicada. 
Na Dica do Professor, você verá como Einstein teorizou o que era o efeito fotoelétrico.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
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Exercícios
1) Existem forças fundamentais na natureza que mantêm unidos os planetas, a biosfera, os 
ecossistemas, as moléculas, os compostos, os átomos e o núcleo dos átomos.
A respeito das quatro forças fundamentais, analise as afirmações a seguir:
I. A força gravitacional é a atração existente entre o Sol e a Terra, por exemplo, sendo 
caracterizada como uma força que ocorre entre corpos de massa elevada e, por isso, possui 
intensidade elevada.
II. A força forte é a força que mantém a coesão entre prótons e nêutrons no interior dos 
átomos, sendo caracterizada como a interação mais forte existente entre todas as forças e 
que é mediada pelos glúons.
III. A força eletrofraca é a união entre as forças fraca e eletromagnética proposta na década 
de 60, sendo a união das teorias flavordinâmica e eletrodinâmica, e é mediada pelos fótons e 
pelas partículas W e Z.
É(são) correta(s) a(s) afirmativa(s):
A) I, apenas.
B) I e II, apenas.
C) II e III, apenas.
D) I e III, apenas.
E) I, II e III.
Os bósons são partículas que apresentam spin inteiro, podendo ou não apresentar carga 
elétrica, e não possuem massa portadora de força.
A respeito dessas partículas, analise as asserções a seguir:
I. O bóson de Higgs é uma partícula responsável por dar origem à massa de todas as outras 
partículas elementares e, portanto, de todo o universo. 
PORQUE
2) 
II. O bóson de Higgs está associado a um campo que permeia todo o universo, que ao 
interagir com outra partícula, libera energia na forma de massa para as demais partículas.
Assinale a alternativa que apresenta a análise correta das asserções:
A) As asserções I e II são proposições verdadeiras, mas a II não justifica a I.
B) As asserções I e II são proposições verdadeiras, e a II justifica a I.
C) A asserção I é uma proposição verdadeira, e a II, falsa.
D) A asserção I é uma proposição falsa, e a II, verdadeira. 
E) As asserções I e II são proposições falsas. 
3) “Concebida e interpretada por Rutherford e executada por Geiger e Marsden, a experiência 
de espalhamento de partículas alfa por delgadas folhas metálicas levou ao descobrimento do 
núcleo atômico. Uma das conclusões desse experimento é que o núcleo atômico ocupa uma 
ínfima parcela do volume destinado ao átomo, em que pese nele estar concentrada toda a 
carga positiva da matéria. [...] A carga positiva aprisionada num volume tão exíguo do espaço 
levaria a uma situação altamente explosiva, não fora pela presença de uma segunda força da 
natureza, a interação forte a contrabalançar a repulsão coulombiana entre prótons.”(SILVA, 
P.R., 2008. v. 30, n. 3, 3305) 
A respeito da força forte, analise as asserções a seguir e marque V para verdadeiro, e F para 
falso:
( ) a interação forte no núcleo do átomo ocorre entre pares de prótons, ou pares de 
nêutrons ou pares de prótons e nêutrons, e mantém o núcleo coeso.
( ) a intensidade da força forte entre um par de prótons é maior do que a intensidade da 
força de repulsão eletrostática entre esse mesmo par de prótons.
( ) a força forte é explicada pela teoria da flavordinâmica, que estabelece a união entre a 
força forte e a força eletromagnética.
( ) a força forte explica a existência do bóson de Higgs, que é considerada a partícula 
doadora de massa às demais partículas.
Agora, assinale a alternativa que contém a sequência correta:
A) V, V, F, F.
B) F, F, V, F.
C) V, F, F, V.
D) V, V, V, F.
E) F, V, V, V.
4) “A mecânica quântica constitui-se num farol indispensável para a visão atual do mundo 
físico. Como principal alicerce da descrição da estrutura da matéria, ela sustenta grande 
parte da pesquisa produzida nos nossos tempos. Inúmeras tecnologias modernas fazem uso 
de fenômenos que só podem ser compreendidos à luz desta teoria. [...] Central na mecânica 
quântica, a dualidade onda-partícula desafia o entendimento. Separadamente, ondas e 
partículas são elementos familiares da nossa realidade. Mas como pode a mesma entidade 
ser onda e ser partícula? Estas questões permeiam qualquer introdução à física quântica.” 
(BETS, M.; LIMA, I.; MUSSATTO, G., 2009. v. 31, n. 3.)
Entre as partículas a seguir, a que se comporta duplamente, como partícula e como onda, é:
A) O elétron.
B) o próton.
C) o nêutron.
D) o átomo.
E) o cristal.
5) O átomo foi sendo elucidadoao longo do tempo de acordo com as descobertas que foram 
sendo feitas. Dalton propôs que o átomo era a menor porção da matéria, sendo indivisível e 
indestrutível. Thomson descobriu o ___________ e propôs que o átomo era uma massa 
positiva com cargas negativas incrustadas. Rutherford, ao utilizar a radiação das 
partículas _________, determinou que o átomo possuía um núcleo positivo e com massa que 
era bem menor do que a eletrosfera, no qual estão localizados os elétrons. Böhr propôs que 
os elétrons ocupam ____________. 
Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas.
A) elétron / alfa / níveis de energia
B) elétron / beta / órbitas elípticas
C) próton / alfa / órbitas circulares
D) próton / beta / níveis de energia
E) elétron / gama / órbitas elípticas
Na prática
A exportação de frutas do nosso país, que é grande produtor no agronegócio, é em parte 
prejudicada pela baixa durabilidade das frutas. Nos últimos anos, entretanto, isso vem mudando 
graças ao uso de ferramentas científicas e tecnológicas que têm ajudado vários pequenos e médios 
produtores a venderem seus produtos no mundo inteiro.
Veja, Na Prática, a história de João, um agricultor interessado em mudar suas ideias para alcançar o 
mundo vendendo seus morangos. Você verá que a radiação emitida pelos compostos radioativos 
pode ser utilizada de forma positiva na agricultura.
Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino!
 
Saiba +
Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto, veja abaixo as sugestões do professor:
Efeito fotoelétrico - O Nobel de Einstein
Assista ao vídeo a seguir, do canal Universo Narrado. Nele, você conhecerá a história do Nobel de 
Einstein e sua interpretação sobre o efeito fotoelétrico.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
O que é o Bóson de Higgs?
Neste vídeo do canal Portal da Ciência, você descobrirá o que é o Bóson de Higgs, além de 
aprender sobre a Teoria Quântica de Campos, o Campo de Higgs e o Grande Colisor de Hádrons.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
As forças fundamentais da natureza
O professor Mauro Copelli explica, neste vídeo do seu canal, as quatro forças fundamentais da 
natureza e suas relações com o campo de estudo e aplicação.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar.
https://www.youtube.com/embed/I9WG6IWpc20 
https://www.youtube.com/embed/o-TzAibSy0k 
https://www.youtube.com/embed/WHv44ALhXvI