Estrutura da Materia Aula 01 SBC Fanny

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Estrutura da Matéria 
Profª. Fanny Nascimento Costa 
(fanny.costa@ufabc.edu.br) 
Aula 01 
• Do macro ao micro 
• Partículas elementares 
• Interações fundamentais 
Segunda-Feira: 08:00 h às 10:00 
 
Sexta-Feira (quinzenal): 10:00 h às 12:00 h 
Horário das aulas 
Provas 
Serão aplicadas duas provas regulares (P1 e P2). Para o conceito final, 
será considerado o conceito médio das duas provas. 
A prova substitutiva (SUB) será aberta a todos e substituirá 
obrigatoriamente a menor nota obtida nas provas regulares. 
Conceito De Até 
A 90% 100% 
B 75% 90% 
C 50% 75% 
D 40% 50% 
F 0 40% 
A: desempenho excepcional, demonstrando excelente compreensão da disciplina 
B: bom desempenho, demonstrando capacidade boa de uso dos conceitos da 
disciplina; 
C: desempenho adequado, demonstrando capacidade de uso dos conceitos da 
disciplina e capacidade para seguir em estudos mais avançados; 
D: aproveitamento mínimo dos conceitos da disciplina, com familiaridade 
parcial do assunto, mas demonstrando deficiências que exigem trabalho 
adicional para prosseguir em estudos avançados; 
F: reprovado. A disciplina deve ser cursada novamente para a obtenção de 
crédito; 
O: reprovado por falta. A disciplina deve ser cursada novamente para a 
obtenção de crédito. 
Conceitos 
P1 - 31/10/2014 
Datas e conteúdo das provas 
Partículas e forças fundamentais da natureza; Unidades e dimensões; 
Evidências do Átomo na Química; Lei dos Gases, gases reais, o número de 
Avogrado; Experiência de Thomson e Milikan, descoberta do Elétron; 
Radioatividade; Descoberta do núcleo; Modelos atômicos; Modelo de Bohr e 
espectros atômicos; Radiação de corpo negro; Efeito Fotoelétrico; Mecânica 
Quântica: Dualidade onda‐partícula; Princípio da Incerteza. 
P2 - 08/12/2014 
 Orbitais, números quânticos e o átomo de hidrogênio; Átomos 
multieletrônicos, spin, princípio da exclusão e periodicidade; Representação 
de Lewis, Regra do Octeto e ligações químicas; Modelo de repulsão dos pares 
de elétrons da camada de valência, geometria molecular e polaridade; 
Hibridização e teoria da ligação de valência; Teoria dos orbitais moleculares; 
Interações intermoleculares. 
SUB - 12/12/2014 
Toda a matéria (obrigatoriamente 
substitui a menor nota). 
Desde sempre, o ser humano olha ao seu redor e 
faz perguntas. 
 
Por que existe uma “mancha clara”, de formato 
alongado, no céu? Do que ela é feita? Como surgiu? 
O Universo 
 Muitas respostas que 
foram dadas a estas 
perguntas são 
profundamente ligadas 
à cultura e história dos 
povos, às suas crenças 
religiosas e sua 
organização social. 
A ciência é uma forma de abordar questões como essa. Ela 
procura primar pela objetividade, pela clareza e pela 
precisão. 
É uma tradição de pensamento em que estas qualidades são 
buscadas e valorizadas, e onde a verificação experimental é 
considerada como o argumento fundamental. 
... aprendemos que o sol é 
apenas uma entre uma 
infinidade de estrelas que 
se aglomeram em galáxias. 
A faixa iluminada no céu é 
a imagem que temos de 
nossa galáxia, vista de 
dentro. 
A ciência nasce de uma 
característica fundamental do 
espírito humano: a CURIOSIDADE. 
 
Além disso, a ciência também é muito 
útil e permite aprimorar nossa 
TECNOLOGIA. 
Para atender aos critérios de 
objetividade, clareza e precisão, a 
MATEMÁTICA tornou-se uma ferramenta 
básica da ciência. 
“O livro da natureza é 
escrito em caracteres 
matemáticos”. 
A ciência permite ao conhecimento 
humano ultrapassar seus próprios 
limites físicos. 
A ciência consegue estender a 
compreensão do ser humano para 
estruturas extremamente 
grandes e pequenas. 
Interações Tecnologias 
Estruturas 
Átomo 
Do macro ao micro 
 
 
 
 
 
• Estruturas: (do macro ao micro) universo, galáxias, estrelas/planetas, 
matéria macroscópica, moléculas, átomos, elétrons e núcleo, prótons e 
nêutrons, hádrons e léptons, quarks; 
 
• Interações: 4 fundamentais (eletromagnética, gravitacional, nuclear forte, 
nuclear fraca), ligações químicas, forças intermoleculares, estados da 
matéria, matéria macroscópica, domínio da gravidade (órbitas, formação de 
planetas, estrelas e galáxias, síntese de elementos químicos, anãs-brancas, 
estrelas de nêutrons e buracos negros); 
 
• Tecnologias: aceleradores e reatores nucleares, RMN, laser, nanotecnologia, 
química, bioquímica, semicondutores, microeletrônica, computação, 
microbiologia, eletrônica, mecânica, aviação, astronáutica, etc. 
 
Da teoria atômica 
12 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 milhões de anos-
luz (1023m) de 
distância da Via 
Láctea. 
Imagine um lugar muito distante! 
13 
1 milhão de 
anos-luz (1022m) 
Torna-se visível 
o espiral 
Vamos nos aproximar e 
entender a estrutura daquilo 
que nos cerca. 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
14 
100.000 anos-luz 
(1021m) 
Nosso sol mal pode 
ser vista! 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
15 
100 anos-luz (1018m) 
Nada além de estrelas 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 ano-luz (1016m) 
O Sol aparece bem 
pequeno 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 trilhão de quilômetros 
(1015m) 
O Sol um pouco maior 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 bilhões de 
quilômetros (1014m) 
O Sistema Solar começa 
a aparecer 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 bilhões de quilômetros 
(1013m) 
Nosso Sistema Solar mais 
definido 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 bilhão de quilômetros 
(1012m) 
Órbitas de: Mercúrio, 
Vênus, Terra, Marte e 
Júpiter 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 milhões de 
quilômetros (1011m) 
 
Órbitas de: Vênus, 
Terra e Marte 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 milhões de quilômetros 
(1010m) 
Parte da órbita da Terra 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 milhão de 
quilômetros (109m) 
Pode ser vista a 
órbita da Lua 
Órbita 
da 
Lua 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100.000 quilômetros 
(108m) 
 
A Terra ainda pequena 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10.000 quilômetros (107m) 
O Hemisfério Norte da 
Terra 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1.000 quilômetros (106m) 
Foto característica de 
satélite (estado da 
Flórida, USA) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 quilômetros (105m) 
da superfície. 
 Cidade de Tallahassee 
na Flórida USA, um 
pouco mais próximo... 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 quilômetros (104m) 
Os quarteirões mal são 
vistos 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 quilômetro (103m) 
É possível a prática de 
paraquedismo 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
UFABC!!! 
Campus SA 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 metros (102m) 
Vista típica de helicóptero 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 metros (101m) 
Vista típica de edifício 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 metro (100m) 
Quando olhamos algo com o 
braço esticado... 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 centímetros (10-1m) 
Pode-se tocar nas folhas 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 centímetro (10-2m) 
É possível sentir o cheiro 
da folha 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 mícrons (10-4m) 
 
As células praticamente 
estão definidas 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 mícrons (10-5m) 
As células aparecem 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 mícron (10-6m). 
O núcleo da célula já 
fica visível 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1.000 angstroms
(10-7m) 
Os cromossomas aparecem 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 angstroms (10-8m) 
A cadeia de DNA pode ser 
visualizada 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 nanometro (10-9m) 
Os blocos 
cromossômicos 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 Angstrom (10-10m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 picometros (10-11m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 picometro (10-
12m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
100 fermis (10-13m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
10 fermis (10-14m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
1 fermi (10-15m) 
Dimensões das Estruturas do 
Universo 
Neste curso, vamos mostrar um pouco da resposta que a 
ciência forneceu a duas perguntas: 
• Do que a matéria é feita? (átomos, moléculas) 
• Por que a matéria se organiza da forma como ela se 
organiza? ( Interações ) 
 
Estas respostas não são simples. A humanidade levou 
séculos para desenvolvê-las. Muitas partes destas 
respostas envolvem uma matemática muito complicada, que 
não podemos descrever neste curso. Muitas vezes vamos 
apresentar “regras” que não poderemos justificar por não 
dominar a matemática necessária. 
Física de Altas Energias 
 Estrutura da Matéria 
10-10m 10-14m 10-15m 
<10-18m 
10-9m 
Matéria 
<10-19m 
Molécula Átomo Núcleo 
prótons, nêutrons, 
mésons, etc. 
S�:�/��� 
top, bottom, 
charm, strange, 
up, down 
Matéria condensada/Nanociência/Química 
Hádron 
(Bárion) 
Elétron 
(Lepton) 
u 
Quark 
10-2m 
Física Nuclear 
Física Atômica 
 A natureza elementar da matéria é estudada através de 
experimentos de colisões. 
LHC, próximo a Genebra, na fronteira Suíça - França. 
Túnel de 27Km de circunferência, a 100 
metros de profundidade, com equipamentos 
resfriados a hélio líquido a uma temperatura 
de −271.25° C 
PARTÍCULAS ELEMENTARES 
PARTÍCULAS ELEMENTARES 
Detectores de partículas 
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Experimentos mostraram um “zoológico” de partículas que podem ser criadas em 
determinadas condições mas que não existem normalmente na natureza. 
quark up 
quark down 
neutrino do elétron 
elétron 
quark charm 
quark strange 
neutrino do múon 
múon 
quark top 
quark botton 
neutrino do tau 
tau 
PARTÍCULAS ELEMENTARES 
Estrutura interna do átomo 
Tudo que existe no universo é feito 
de átomos, que por sua vez são 
feitos por partículas menores, 
indivisíveis, chamadas de partículas 
elementares. 
Pergunta: como as partículas 
elementares conseguem se 
organizar em estruturas de 
tamanhos tão diferentes, e tão 
complexas, como observamos na 
natureza? 
Resposta: em última instância, graças 
às interações fundamentais (ou 
forças elementares) que são sentidas 
por estas partículas elementares. 
FORÇA 
INTERAÇÃO 
interação (s. f.) 
1. Influência recíproca de dois ou mais 
elementos. 
(…) 
3. Fís. Ação recíproca que ocorre entre 
duas partículas. 
 
fonte: www.priberam.pt/DLPO 
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A noção de interação está significa 
basicamente aquilo que conhecemos, na 
física de Newton, como força, isto é, 
uma influência exercida por um corpo 
sobre o outro. 
 
Sabemos, pela 3ª lei de Newton, que 
esta influência sempre é recíproca. 
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
A maior parte das interações (forças) que vemos no dia-a-dia 
exigem um contato direto entre os corpos envolvidos. 
Algumas forças, contudo, agem mesmo que não 
haja contato direto entre os dois corpos envolvidos. 
 
Exemplo: uma maçã sendo atraída pela Terra 
devido à força gravitacional. 
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
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INTERAÇÕES DE CONTATO 
INTERAÇÕES 
MEDIADAS 
POR UM CAMPO 
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
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GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES 
● PUXÕES 
● EMPURRÕES 
● ATRITO 
● ..... 
● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL 
interações de contato 
interações de campo 
FORÇAS 
ELÉTRICAS 
FORÇAS 
MAGNÉTICAS 
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
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GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES 
 
● PUXÕES 
● EMPURRÕES 
● ATRITO 
● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL 
● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
interações de contato 
interações de campo 
Ao longo do século XIX descobriu-se profundas relações 
entre o campo elétrico e o campo magnético. 
Na verdade, não são dois campos separados: são dois 
aspectos de um único fenômeno, o que se chama campo 
eletromagnético. 
 
James Clerk Maxwell foi o descobridor deste fato, 
formulando as chamadas equações de Maxwell, que você 
futuramente estudará. 
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INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
Relembremos que o átomo é composto por 
partículas com carga negativa (elétrons) e 
positiva (prótons) em igual número, ou seja, 
tipicamente o átomo é eletricamente 
neutro. 
 
Uma vez que os átomos são neutros, o que 
faz com que eles se unem formando 
moléculas estáveis? 
Resposta: A força residual eletromagnética. 
As partes carregadas de um átomo podem 
interagir com as partes carregadas de outro 
átomo. Isso permite que diferentes átomos 
mantenham-se ligados. 
INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
A força eletromagnética é responsável, em última instância, por todas 
as ligações químicas entre átomos. 
Ou seja, toda a química existe porque existe a interação 
eletromagnéticas. Ela é responsável por todas as propriedades 
químicas dos diferentes elementos. 
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INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
A vida depende 
necessariamente de um 
conjunto extremamente 
complexo de reações 
químicas. Por isto, a 
existência da interação 
eletromagnética é 
também, em última 
instância, o que propicia 
a existência da vida. 
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INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
FORÇAS DE CONTATO não 
são mais que o produto das 
interações eletromagnéticas 
entre os átomos da superfície 
dos materiais. 
FORÇAS COMO 
● PUXÕES 
● EMPURRÕES 
● ATRITO 
não são elementares, mas sim 
resultados de interações 
eletromagnéticas. 
Além disso, sempre que temos duas superfícies “em contato”, os átomos 
que compõem as duas superfícies estão tão próximos que podem 
exercer forças eletromagnéticas uns entre os outros... 
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INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
LISTA DAS FORÇAS (INTERAÇÕES) ELEMENTARES 
 
● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL 
● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
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INTERAÇÕES FUNDAMENTAIS 
GRANDE LISTA UNIVERSAL DAS INTERAÇÕES 
 
● PUXÕES 
● EMPURRÕES 
● ATRITO 
● INTERAÇÃO GRAVITACIONAL 
● INTERAÇÃO ELETROMAGNÉTICA 
interações de contato 
interações de campo 
próton neutron 
“FORÇA” NUCLEAR FORTE 
“FORÇA” NUCLEAR FRACA 
A lista de interações fundamentais 
está quase completa. 
Existem só mais duas interações, que 
foram descobertas mais 
recentemente, e que basicamente só 
“funcionam” dentro do núcleo atômico. 
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INTERAÇÕES ELEMENTARES 
A força eletromagnética tenderia a fazer o 
núcleo se despedaças. Por outro lado, a força 
gravitacional é sempre atrativa, mas é de fraca 
demais para “vencer” a força eletromagnética. 
O núcleo é formado de prótons e nêutrons. 
Os nêutrons tem carga nula os prótons tem carga positiva e se 
repelem uns aos outros. Por que então o núcleo não explode ? 
A força nuclear forte é responsável por 
“colar” os quarks formando prótons e 
neutrons, e também pela força de atração 
que mantêm os prótons e neutrons juntos 
no núcleo. 
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INTERAÇÕES ELEMENTARES 
Toda máteria estável no universo
é composta por quarks mais leves 
(up e down) e pelo elétron que é o lépton carregado mais leve. 
 
Interações fracas são as responsáveis pelo decaimento de quarks e 
léptons pesados em quarks e léptons mais leves. 
Decaimento beta: um 
neutron transforma-se 
num próton, liberando um 
elétron e um neutrino. 
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INTERAÇÕES ELEMENTARES 
Interações Elementares 
• Interação gravitacional 
• Interação eletromagnética 
• Interação forte (ou nuclear forte) 
• Interação fraca (ou nuclear fraca) 
Esta é, até onde sabemos, uma lista completa de todas as 
interações elementares observadas no universo. 
 
É uma lista surpreendentemente curta – representa uma 
grande síntese do conhecimento físico acerca do universo 
1 – Revista Scientific American Brasil, Edição Especial sobre o Universo, Vol. 2, 
3, 4 e 5. 
 
2 – Daltamir Justino Maia, J. C. de A. Bianchi, Química Geral :Fundamentos, 
Pearson Education do Brasil, Cap. 1 e 2, 2007. 
 
3 – Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. Burdge, 
Química a Ciência Central, Pearson Education do Brasil, Cap. 3, 9ª. Ed., 2005. 
 
4 – Site do Prof. Alysson Ferrari: sites.google.com/site/alyssonferrari 
Bibliografia