Alquimia cosmica - aula 1

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A origem dos 
elementos químicos 
da tabela periódica
Prof. Alan Alves Brito
01
Parâmetros Curriculares 
Nacionais
Conhecer as relações entre os movimentos da Terra, 
da Lua e do Sol para a descrição de fenômenos 
astronômicos (duração do dia e da noite, estações do 
ano, fases da lua, eclipses etc.).
1 • Terra e Sistema Solar
Compreender as interações gravitacionais, identificando 
forças e relações de conservação, para explicar aspectos 
do movimento do sistema planetário, cometas, naves e 
satélites.
02
Parâmetros Curriculares 
Nacionais
Conhecer as teorias e modelos propostos para a origem, 
evolução e constituição do Universo, além das formas 
atuais para sua investigação e os limites de seus 
resultados no sentido de ampliar sua visão de mundo.
2 • O Universo e sua origem
Reconhecer ordens de grandeza de medidas 
astronômicas para situar a vida (e vida humana), 
temporal e espacialmente no Universo e discutir as 
hipóteses de vida fora da Terra.
03
Parâmetros Curriculares 
Nacionais
Conhecer aspectos dos modelos explicativos da 
origem e constituição do Universo, segundo diferentes 
culturas, buscando semelhanças e diferenças em suas 
formulações.
3 • Compreensão humana do Universo
Compreender aspectos da evolução dos modelos 
da ciência para explicar a constituição do Universo 
(matéria, radiação e interações) através dos tempos, 
identificando especificidades do modelo atual.
04
Parâmetros Curriculares 
Nacionais
Identificar diferentes formas pelas quais os modelos 
explicativos do Universo influenciaram a cultura e a 
vida humana ao longo da história da humanidade e 
vice-versa.
3 • Compreensão humana do Universo
05
Programa do Curso
Este minicurso apresentará conceitos fundamentais de 
Física e Astronomia presentes nos currículos escolares 
e que buscam compreender a gênese dos elementos 
químicos da Tabela Periódica – do hidrogênio ao urânio – 
no Universo. 
Destina-se a professores e estudantes da educação 
básica (ensinos fundamental e médio) e público em geral.
06
Conteúdo Programático
A tabela periódica dos elementos químicos
Espectroscopia
A história térmica do Universo 
 Nascimento, vida e morte das estrelas 
07
Conteúdo Programático
Contexto histórico e propriedades gerais. 
1 • Parte 1: A tabela periódica dos elementos 
químicos
Conceitos fundamentais de Física Quântica e Física de 
Partículas. 
• Jogo de cartas envolvendo a classificação periódica 
dos elementos químicos segundo Mendeleev. 
• Discussão do método científico e classificação das 
propriedades observadas na Natureza.
• Filmes
08
Astronomia
A mais antiga das ciências, presente em todas as 
civilizações, em todas as épocas
09
São encontradas em gravuras rupestres, que 
denotam a passagem de cometas, meteoros, e datam 
aproximadamente 4.400 anos atrás.
Em 1.500 a. C., os egípcios haviam determinado um 
calendário com a descrição das estrelas.
Astronomia foi muito útil para guiar os navegadores no 
período das grandes navegações. 
Primeiras evidências de registro astronômico: 
10
observação
previsão
teoria
ciência
11
Ciência e Cultura
Como o Universo se formou?
Qual é a idade do Universo? 
Como estelas, galáxias, aglomerados de galáxias, 
planetas, asteroides e cometas se formam?
De que é constituído o Universo?
Quais são os métodos de detecção de informação 
astrofísica? 
O que é a vida?
De onde viemos?
Para onde vamos?
12
Contexto Histórico
Grécia: Período Arcaico (século VII a.C.)
Princípio material  primordial do Universo:
 água, apeiron, ar
Tales Anaximandro Anaxímenes
13
Contexto Histórico
Grécia: Período Arcaico (século VI a.C.)
Propõe a teoria dos quatro elementos:
 água, terra, fogo, ar
Empédocles
14 Contexto Histórico
Grécia: Período Arcaico (século VI a.C.)
Atomismo grego: 
 propõem uma teoria materialista do Universo
Demócrito Leucipo
15
Contexto Histórico
Para Platão e Aristóteles, não deveria haver partículas 
indivísiveis. 
A noção sobre átomos ressurge na Europa durante o 
século XVII, quando os cientistas tentam explicar as 
propriedades dos gases.
O primeiro elemento a ser descoberto foi o fósforo, em 
1669, pelo alquimista Henning Brand.
Alquimistas da Idade Média até o início do século XVIII: 
transformação de elementos. 
chumbo (82 prótons) em ouro (79 prótons)
16
Perguntas Fundamentais 
De que é feita a matéria?
Como os elementos químicos foram formados?
Quem somos? De onde viemos? Para onde vamos?
17
Motivação • 01
Aplicação Tecnológica
18
Motivação • 02
nitrogênio, oxigênio, neônio, ferro, cálcio, silício, 
ouro, flúor
Aplicação Tecnológica
19
Motivação • 03
Elementos Biogênicos
Oxigênio (65%)
Carbono (18.5%)
Hidrogênio (9.5%)
Nitrogênio (3.2%)
Cálcio (1.5%)
Fósforo (1%)
Potássio (0.4%)
Enxofre (0.25%)
20
Motivação • 04
Composição do Universo
Energia Escura
Matéria Escura
Matéria Bariônica
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Contexto Histórico
O primeiro elemento a ser descoberto foi o fósforo, em 
1669, pelo alquimista Henning Brand.
200 anos se passaram: aumentaram os conhecimentos 
relativos às propriedes dos elementos e seus compostos.
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Teoria Atômica de Dalton
Toda matéria é composta de átomos.
Os átomos são permanentes e indivísiveis, não podendo 
ser criados nem destruídos.
Os elementos são caracterizados por seus átomos.
23
Teoria Atômica de Dalton
 As transformações químicas de uma substância 
consistem em separações e recombinações de átomos.
 Os compostos químicos são formados por combinações 
de dois átomos de um ou mais elementos em 
determinada proporção.
Final do século XIX: o átomo não é uma partícula 
indivísivel ou imutável 
24
Teoria Atômica de Thomson
Joseph John Thomson 
(1856-1940)
Tubo de descarga de gás: dois 
eletrodos conectados à uma 
fonte de alta tensão e uma 
bomba de vácuo, com a função 
de diminuir gradualmente a 
pressão interna do tubo. 
25
Teoria Atômica de Thomson
Em 1887, Thomson mostrou que o feixe do tubo 
de Crookes correspondia à partículas carregadas 
negativamente. 
Átomo seria um fluído contínuo, 
com carga positiva, dentro do 
qual flutuavam cargas negativas. 
Pudim de Passas. 
26
Teoria Atômica de Rutherford
O átomo de Rutherford, final do século XIX, início do 
século XX: núcleo no centro e elétrons em volta. Mas o 
que acontece com uma partícula de movimento circular 
e com aceleração centrípeta?
elétrons emitiriam radiação, 
perderiam energia (velocidade) : 
colapso e colisão com o núcleo.
Próton: 1914 (Rutherford)
Nêutron: 1932 (Chadwick)
27
Teoria Atômica de Bohr
No início do século XX, Bohr percebeu que, em um átomo, 
os elétrons não se encontram totalmente livres para 
ter qualquer energia. Segundo ele, os elétrons somente 
poderiam ter certas quantidades específicas de energia.
28
Teoria Atômica de Bohr
Há um estado de energia mínima (E_min)
do sistema: estado fundamental: condição normal do 
elétron orbitando o núcleo.
Há uma máxima energia que o elétron pode adquirir e 
ainda estar ligado ao átomo (E_max). Se E > Emax:
elétron desliga-se do átomo: fica IONIZADO: íon
Somente certas órbitas discretas são permitidas ao 
elétron (entre Emin e Emax): o elétron pode existir 
somente em tais órbitas ou estados de energia: são 
QUANTIZADOS: Mecânica Quântica 
29
30
Exemplos (Linha 
de Balmer do H)
Para estrelas com temperatura muito alta: Hidrogênio 
quase todo ionizado devido às frequentes colisões e 
poucos átomos excitados.
Linhas de Balmer fracas em estrelas muito quentes ou 
muito frias apesar de H ser o elemento mais abundante 
nas estrelas !
31
Eletrosfera: região 
que contém os 
elétrons, que estão 
em constante 
movimento.
Quando estável, o 
número de e- = ao 
número de prótons
Camadas: regiões 
da eletrosfera 
com maior 
probabilidade 
de encontrar os 
elétrons.
Núcleo: prótons 
(positivos)+ 
nêutrons
O número de 
nêutrons pode 
ser diferente do 
número de prótons
32
O átomo de oxigênio 
possui apenas as 
camadas K e L
K (2 elétrons), 
L (8 elétrons), 
M (18 elétrons), 
N (32 elétrons), 
O (32 elétrons), 
P (18 elétrons) e 
Q (8 elétrons)
Os átomos dos elementos 
químicos conhecidos 
atualmente podem ter até 7 
camadas ou níveis de energia, 
designados pelas letras 
33
Conceitos Fundamentais
Matéria: tudo o que ocupa espaço e tem massa
Toda matéria é feita de átomos
Átomos: tijolos fundamentais da matéria
Próton: carga positiva
Nêutron: carga neutra
Elétron: carga negativa
Núcleo: prótons + nêutrons
carga elétrica é a 
propriedade fundamental
massa e spin
34
Átomo de H 
aumentado por 
1012, faz o núcleo 
do tamanho de 
uma semente de 
uva e a órbita do 
elétron 4.5x o 
tamanho de um 
campo de futebol.
Núcleo é ~100.000x menor que o átomo, mas contém ~ 
toda a massa: massa do p e n é cerca de 2.000x mais que a 
do elétron.
35
1 próton
1 elétron
0 nêutrons
hidrogênio hélio carbono
2 próton
2elétron
2 nêutrons
6 próton
6elétron
6 nêutrons
Acrescentar um nêutron cria um isótopo: versão 
mais “gorda” do átomo.
Acrescentar um próton cria um novo átomo. 
36
Raio Atômico
É a distância que vai do núcleo do átomo até o seu 
elétron mais externo
37
Energia de Ioinização
É a energia necessária para remover um ou mais elétrons 
de um átomo isolado no estado gasoso
38
Afinidade Eletrônica
É a energia necessária para remover um ou mais elétrons 
de um átomo isolado no estado gasoso
39
Eletronegatividade
É a energia necessária para remover um ou mais elétrons 
de um átomo isolado no estado gasoso
40
As Quatro Forças 
Fundamentais 
da Natureza
Eletromagnetismo GravitaçãoInteração 
Fraca
Interação 
Forte
41 Força Intensidade dentro do 
núcleo
Intensidade 
fora do 
núcleo
Partícula Papel
Forte 100 0 Glúons Núcleo
Eletromag-
netismo 1 1 Fótons
Química/ 
Biologia
Fraca 10-5 0
Bósons 
Fracos
Reações 
Nucleares
Gravidade 10-43 10-43 Grávitons
Estrutura 
em Larga 
Escala
42
A Força Gravitacional
Interação entre massas
43
A Força Eletromagnética
atração entre cargas opostas; repulsão entre 
cargas iguais
Próton: carga positiva
Nêutron: carga neutra
Elétron: carga negativa
Núcleo: prótons + nêutrons
Nuvem eletrônica
44
A Força Forte 
Poderosa atração entre os quarks
próton (carga +1) nêutron (carga 0)
u: carga elétrica + 2/3
d: carga elétrica -1/3
45
A Força Fraca
Interação que pode causar a transformação de partículas
próton (carga +1)
interação fraca
neutrino
nêutron (carga 0)
quark muda de tipo e o 
nêutron se transforma 
em próton
u: carga elétrica + 2/3
d: carga elétrica -1/3
46
Partículas 
Ementares
Férmions
Partículas 
Mediadoras Bósons
léptons
hádrons
bárions
prótons
elétrons
mésons
nêutrons
núcleo átomos
Partículas 
Constituintes
quarks
glúon
fo
rt
e
fr
ac
a
Z e W
fóton
eletrom
agnética
obedecem ao 
Princípio de Pauli
NÃO obedecem ao 
Princípio de Pauli
com carga cor
sem carga cor
co
m
 3
 
qu
ar
ks com quark e 
antiquark
gráviton
gravitacional
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Quarks e cores
Em quaisquer combinações para formar os 
bárions e mésons o resultado tem que ser um 
objeto sem cor (branco)
Vermelho + verde + azul = branco 
 Cor + anticor = branco 
Antivermelho + antiverde + antiazul = branco
48 Quark Massa Carga
Up 1.5 - 5 MeV
+2/3 “em unidades 
de prótons”
Charm 1.1 - 1.4 GeV + 2/3
Top 173.8 +/- 5.2 GeV + 2/3
Down 3 - 8 MeV - 1.3
Strange 60 - 170 MeV - 1/3
Bottom 4.1 - 4.4 GeV - 1/3
6 “sabores” e 3 “cores”( Vermelho, verde, azul) = 18 famílias 
49
Massas dos Quarks
A massa cresce em cada família, sucessivamente
Top
(descoberto 
1995)
E= mc2 
1 massa do p ~ 1GeV 
(10-27 Kg)
50
Lépton Massa Carga
e- 0.511 MeV 0
Ve 0 0
μ 106.1 MeV -1
Vμ 0 μ 0
T 1780 MeV -1
VT 0 0
51
Antimatéria
Para toda partícula fundamental há uma antipartícula 
com mesma massa e propriedades (spin) mas com carga 
oposta da partícula
Matéria Antimatéria
Existem antipartículas correspondentes para todas 
as famílias
Antimatéria pode ser produzida através dos 
aceleradores
Fóton: antipartícula é a própria partícula
A antipartícula de uma antipartícula é a própria 
partícula
pósitron
barra indica 
antipartícula
ne ne
e+e-
+2/3 -2/30 0
-1/3 +1/3-1 +1
uu
dd
52
E=mc²
Large Hadron Collider
Albert 
Einstein
Criação de partículas
Aniquilação de partículas
2 fótons são criados para que a 
energia e o momento se conservem
fóton de raio gama
fóton de raio gama
elétron
anti-elétron
e+
e-
fóton de raio gama
fóton de raio gama
elétron
anti-elétron
e+
e-
53
Na Perspectiva dos 
Astrofísicos
METAIS
H He
54
Jogo de Cartas de Mendeleev
55
Tabela Periódica
Dmitri Ivanovich Mendeleev
Propriedades físicas e 
químicas dos elementos: 
função periódica da 
massa atômica
Publicou a tabela 
periódica em seu livro 
Princípios da Química 
em 1869, com apenas 
cerca de 60 elementos 
químicos
56
Tabela Periódica
Um mapa dos tijolos fundamentais da matéria
57
58
Rock Star
O mistério da água
Origem do metal
https://www.youtube.com/watch?v=f4WR73u0Dyc
https://www.youtube.com/watch?v=wIEhSIt1oEI
59
Ciência e Cultura
O universo conhecido 
por AMNH
Dentro do universo
http://apod.nasa.gov/apod/ap100120.html
http://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/scienceopticsu/powersof10/
60
Referências
Andery, M. et al. Para compreender a ciência: uma 
perspectiva histórica. 16a edição. Rio de Janeiro: 
Garamond, 2012.
Bennett, J., Donahue, M., Schneider, N., & Voit, M. The 
Essential Cosmic Perspective. Sixth Edition.
Kepler, S.O., Oliveira Saraiva, M. F. Astronomia e 
Astrofísica, 2014 e a Versão eletrônica do livro
Angelo Stefanovits, Ser protagonista: Física 1o e 3o 
anos, 2a edição, São Paulo, Edições SM, 2013. 
Luiz Carlos de Menezes et al., Quanta Física, 2o ano, 2a 
edição, São Paulo, Pearson Education do Brasil, 2013. 
Brasil, Parâmetros Curriculares Nacionais: Enisnos 
Fundamental e Médio. 2002
	Botão 1: 
	Botão 2: 
	Botão 3: 
	Botão 4: