Introdução a Física moderna - Aula 1

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Do que é feito o Universo? 
 Partículas Elementares 
 
Baseado em material produzido por: 
 Sidney dos Santos Avancini 
José Ricardo Marinelli 
 Luana Mattos 
Apresentado por José Ricardo Marinelli 
em 14/08/2014 
Evolução histórica do átomo 
 Demócrito sec. IV A.C. na Grécia: idéia de átomo como 
correspondendo a partículas indivisíveis. 
 Modelo atômico de Dalton (1808): Propõe que a 
diferentes elementos químicos associamos diferentes 
átomos. 
 No início do século XX eram conhecidos cerca de uma 
centena de átomos, classificados pela tabela periódica 
de Mendeleev 
 => o que sugere que os átomos deveriam ser 
formados por constituintes fundamentais. 
 
 
Com a descoberta do elétron e da 
radioatividade, a idéia de que o 
átomo era o tijolo fundamental da 
natureza começou a mudar e 
surgiram então modelos para 
explicar sua estrutura..... 
Átomo deThomson: 
modelo de “pudim 
de passas” 
Retirado de (em 20/10/2009): 
http://enciclopediavirtual.vilabol.uol.com.br/quimica/atomi
stica/explicacaoexperiencia.htm 
Átomo : 
Thomson X Rutherford 
•Átomo tem um núcleo carregado positivamente de raio da ordem 
•de 10-15 m( 1fermi). 
Átomo de 
Rutherford-Bohr: 
modelo “planetário” 
 O Modelo Atômico 
 Rutherford (1911) propôs o modelo atômico planetário 
que consiste em um núcleo de carga positiva onde 
circulam elétrons com carga negativa em órbitas 
semelhantes às dos planetas do sistema solar. 
 A partir do surgimento da mecânica quântica: Bohr ( 
1913) introduz a idéia de quantização no modelo 
atômico de Rutherford (átomo de Bohr). 
 Após a consolidação da Mecânica Quântica por 
Schrodinger, Heisenberg, Max Born e outros, no átomo 
de Bohr a idéia de órbita é abandonada em favor da 
idéia da função de onda. 
 
 
 
N Ã O.... 
 
problemas: 1) A massa do átomo (?) 
 
 2) Por que o núcleo forma um 
sistema estável? 
A Estrutura da matéria estava explicada? 
O nêutron……. 
 Problemas com a massa do átomo: 
 
 Em 1930 descoberto novo tipo de radiação 
 94Be + 42  126C + 10n 
 
 Em 1932, Chadwick interpretou os resultados: 
 partícula com massa muito próxima à do próton mas com 
carga nula! 
O Átomo de Rutherford e a força 
forte. 
 Para explicar o núcleo como um sistema ligado, é 
preciso assumir a existência da força forte. 
 
60nuclear
coulomb
F
F2 protons 
2 fm.R 
Convenções 
AXZ
ou 
Z
AX
X ----- símbolo do elemento químico 
Z ------ número atômico 
A -------- número de massa 
N=A-Z ---------- número de neutrons 
 
A MASSA DO NÚCLEO 
 
M (Z , A)  Zm
p
 ( A Z )m
n
“Defeito” De massa! 
Massa do neutron=1,009 u. 
Massa do proton= 1,007u. 
Fissão e Fusão 
A fissão e produção de 
energia 
A fusão e a nucleossíntese 
estelar 
Radioatividade beta e a força 
fraca 
p n e
n p e
Problema: energia 
e momento 
não se conservam ! 
Pósitron (teoria de Dirac) 
A hipótese do neutrino 
p n e
n p e
 
 
 
 
   
   
Interação fraca 
 Década de 30 - Pauli propõe a existência do neutrino 
 
 Década de 40 – Fermi leva a sério a proposta de Pauli 
e cria uma teoria para a interação fraca 
 
 Década de 50 (Frederick Reines e Clyde Cowan) – os 
neutrinos são detectados pela primeira vez! 
Detetor de neutrinos no Japão 
http://eltamiz.com/2007/07/05/el-detector-de-
neutrinossuperkamiokande/ 
A hipótese (e descoberta) do 
méson (pi) ou pion 
 Qual a origem da força nuclear? 
 
 Yukawa previu o méson na década de 30. 
 
 César Lattes descobriu o méson pi (ou pion) na 
década de 40. 
Visão clássica do 
eletromagnetismo 
 
Campo E de um dipolo elétrico 
em repouso 
Campo B de um imã 
em repouso 
Visão quântica do 
eletromagnetismo 
Interação se da através da troca de fótons 
Teoria de Yukawa 
Interação se da através da troca de mésons 
,p n
,p n
,p n
,p n
0, ,  tempo 
Deteção dos mésons 
 
 
Partículas Elementares 
 Até o início do século XX as partículas 
elementares conhecidas eram o elétron (e-, 
carga negativa) o próton (p, carga positiva) e o 
fóton (, carga nula e sem massa de repouso). 
 Em 1932 as partículas elementares ganharam 
mais dois elementos: o nêutron (n) e o pósitron 
(e+ ). 
 O nêutron foi descoberto por Chadwick e o 
pósitron( anti-elétron) foi descoberto por 
Anderson. 
Partículas Elementares 
 No final da década de 40 já eram conhecidas 14 
partículas: p, n, e- ,(neutrino), (muon), suas 
respectivas anti-partículas, o fóton e os mésons-Pi ou 
píons (+ ,0 ,- ) . O píon foi descoberto por Cesar 
Lattes em 1948. 
 Traços estranhos aparecem nas fotografias dos raios 
cósmicos em 1947 e em 1952 com a entrada em 
operação do acelerador Cosmotron (BNL-EUA) outras 
partículas estranhas surgiram: 
Partículas Elementares 
 A pesquisa na área de física de partículas inicia-se a partir 
do estudo das reações nucleares (Rutherford). 
 No entanto, o uso de reações nucleares apresenta várias 
limitações: dificuldade em controlar as reações, as energias 
envolvidas são baixas, etc. 
 Um incremento importante vai ocorrer com o uso dos raios 
cósmicos, que podem gerar reações de energias altíssimas, 
no entanto, as limitações para o controle das reações ainda 
é um enorme fator limitante para o seu uso. 
 Aceleradores serão o grande avanço na área e vamos tratá-
los em maiores detalhes no final desta apresentação. 
 
Primeira classificação das 
partículas elementares 
 Bárions: partículas que interagem por interação forte e 
possuem spin semi-inteiro (férmions), ex: p, n, híperons, ... . 
 Mésons: partículas que interagem por interação forte e têm 
spin inteiro (bósons), ex: píons, kaons, etc. 
 Léptons: partículas que não interagem por interação forte e 
possuem spin semi-inteiro, ex: elétron, neutrino e o muon. 
 Definição importante: 
HÁDRONS = bárions + mésons 
 
Número de 
contagens 
ângulo de espalhamento 
Em meados da década de 70 – espalhamento de elétrons 
(~10 vezes mais energia) sobre um alvo de prótons 
Átomo tem 
substrutura 
Proton tem 
substrutura 
Classificação das partículas 
elementares 
 A partir do desenvolvimento dos aceleradores de partículas 
várias partículas foram sendo descobertas o que motivou o 
modelo de Gell-Mann e Ne’eman (eightfoldway) em 1961. 
 No modelo de Gell-Mann Ne’eman os méson e bárions são 
classificados em famílias (super-multipletos) onde seus 
membros são interligados através de certas propriedades e, 
então, temos uma analogia com a tabela periódica de 
Mendeleev. 
 A tabela periódica atômica => átomos devem ser formados 
por constituintes fundamentais 
 O modelo de Gell-Mann – Ne’eman =>bárions e mésons 
também poderiam ser formados por constituintes 
fundamentais 
 
Modelo de Quarks 
 
 A partir dos super-multipletos do modelo de Gell-Mann e 
Nee’man e do número assustador de partículas 
elementares que foram sendo produzidas nos aceleradores 
ficou claro que muitas das partículas que se acreditava ser 
“elementares” deveriam ter uma subestrutura. Isto passou 
a ser procurada pelos físicos nos anos 60. 
 Os experimentos que mediam a distribuição da carga 
elétrica do nucleon também mostravam que eles deveriam 
ter uma subestrutura. 
 Portanto, foi proposto a existência dos quarks (Gell-Mann e 
Zweig , 1963) com as propriedades dadas na tabela 
seguinte: 
Propriedades dos quarksOs quarks são encontrados em seis sabores diferentes. Esse 
número é necessário para que os hádrons (compostos por 
quarks) sejam explicados corretamente. 
Quarks são férmions de spin ½ e carga elétrica fracionária em 
unidades da carga do elétron (e) 
 
Próton, nêutron e o píon no 
modelo de quarks 
Propriedade do confinamento da 
força forte 
Os quarks nunca são encontrados sozinhos, isto 
é, sempre se apresentam em grupos formando os 
bárions . A isto corresponde a denominada 
propriedade de confinamento da interação forte. 
 
Supõe-se que a interação aumente com a 
distância e quanto mais tentarmos separar dois 
quarks em um certo momento existirá energia 
suficiente para criar mais um par de partículas 
(quark-antiquark). 
 
Note que apenas a força forte dentre as quatro 
forças da natureza tem a propriedade de 
aumentar com a distância. 
 Isto explica o fato de ela ter que ser de curto 
alcance. 
Léptons 
 Os léptons são partículas elementares que não interagem através da 
força forte e têm spin ½ (férmions). 
 
 São conhecidos seis léptons e seis anti-léptons: 
 e- (elétron) , e
_(neutrino do elétron) 
  (muon) ,  (neutrino do muon) 
  (tau) ,  (neutrino do tau) 
 Número leptônico do elétron, muon, tau e respectivos neutrinos é igual 
a L=1. O número leptônico das respectivas antipartículas é L=-1. Todas 
as outras partículas têm L=0. 
A família de léptons é dividida em gerações: 
 (e- , e- ) (,  ) (,  ) 
 
Propriedades dos Léptons 
Interações fundamentais 
 Um dos grandes objetivos da física moderna é criar uma 
teoria que trate de modo unificado todas as forças da 
natureza ( teoria da grande unificação). 
 Acredita-se que as forças da natureza são quatro: 
 força forte ou nuclear, força eletromagnética, força fraca e a 
força gravitacional. 
 Na visão moderna de interação a força entre as partículas 
surge da troca de certas partículas que são chamadas de 
bósons de calibre e que são os responsáveis pelas 
propriedades da interação entre as partículas elementares. 
 
 
Interações fundamentais 
 A interação é dada pela troca de partículas mediadoras que 
não são observadas e por isso são chamadas de virtuais. 
 A cada tipo de interação corresponde certos mediadores. 
Por exemplo, para a força eletromagnética a partícula 
mediadora é o fóton. 
 A teoria eletro-fraca explica de modo unificado as interações 
fraca e eletromagnética. 
 Para o caso da força forte, os bósons de calibre são os 
gluons. 
 A força gravitacional ainda não possui uma teoria quântica 
com comprovação experimental. 
Interações fundamentais 
Modelo Padrão das Partículas 
Elementares 
 Ingredientes básicos (36 partículas elementares): 
 6 quarks, 6 léptons e as respectivas anti-partículas 
12 bósons de calibre: fóton, 8 gluons, Z0, W+, W- 
 Essas são as partículas elementares (tijolos) que formam toda a matéria encontrada no 
universo. 
 O modelo padrão consiste em descrever as interações da matéria através da teoria 
eletro-fraca (trata de maneira 
unificada as forças eletromagnética 
 e fraca ) e da QCD. 
 Todos os experimentos realizados 
no Sec. XX têm resultados consistentes 
com o Modelo Padrão. 
Acelerador CERN (Genebra) 
LHC = large hadron collider 
Acelerador CERN 
Túnel do acelerador 
Diagrama de um acelerador 
http://home.web.cern.ch/about 
http://www.sprace.org.br/aventuradasparticulas/ 
http://www.sbfisica.org.br/fne/Vol6/Num1/charme.pdf