QUÍMICA-NUCLEAR

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Marcelo Batista - organizador 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apostila de 
Química Nuclear 
 
 
 
 
Prof. M. Sc. Jorge Lorenzo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 2 
CAPÍTULO 1 
INTRODUÇÃO 
 
 
1.1 - MATÉRIA 
 
O Universo é constituído de matéria e energia. Observando o ambiente que nos 
cerca, notaremos a existência de coisas que podemos pegar, como um copo, caneta, 
alimentos, etc., outras que podemos ver como a lua, o sol, as estrelas, etc. e outras que 
podem apenas ser sentidas, como o vento, a brisa, etc. Se colocarmos qualquer uma destas 
coisas em uma balança, constataremos que todas elas possuem certa quantidade de 
massa, medida em relação a um padrão pré-estabelecido. 
Assim, todas essas coisas que observamos, comparamos e cuja quantidade 
medimos, têm características comuns: ocupam lugar no espaço e têm massa. 
Portanto, matéria é qualquer substância (sólida, líquida, gasosa ou plasmática) que 
ocupa lugar no espaço. 
A teoria da relatividade de Einstein dá à matéria, do mesmo modo que à radiação, 
uma representação corpuscular. 
 
1.2 - ENERGIA 
 
O calor que nos aquece e a luz do Sol, de outras estrelas ou das lâmpadas, são 
formas de energia. Todas as substâncias que formam os materiais que encontramos na 
Terra, na Lua, nos outros planetas, nos seres vivos, nos alimentos, nos objetos, são formas 
diferentes de matéria. Todos os seres vivos são feitos de matéria e precisam de energia 
para que seu organismo funcione, seja ele uma planta, uma bactéria ou um ser humano. 
Em nossas atividades cotidianas precisamos de vários tipos de matéria e energia. 
Para nossa sobrevivência precisamos dos alimentos, para que estes nos forneçam energia 
para nossas funções vitais. Para o mais leve movimento que realizamos, como um piscar de 
olhos, precisamos de energia. 
Além dos alimentos, precisamos de materiais para produzir todos os objetos, 
utensílios, ferramentas que utilizamos: como um abridor de latas, uma mesa, um copo, uma 
máquina de lavar roupa, um fogão a gás, um computador, um caminhão. Para que qualquer 
instrumento, máquina ou ferramenta funcione precisamos de algum tipo de energia, por 
exemplo, para que um computador funcione precisamos de energia elétrica, para o 
funcionamento de um abridor de latas precisamos da energia dos nossos músculos. 
 
Matéria x Energia 
 
A energia é uma propriedade dos sistemas físicos que faz com que eles sofram (ou 
não) alterações com o tempo. A energia é uma espécie de medida do “potencial para 
mudanças” de um sistema. 
A massa é a medida da inércia de um sistema. A inércia de um sistema pode ser 
entendida como a dificuldade que teremos para fazê-lo sofrer uma aceleração (ou 
desaceleração). 
Embora massa e energia sejam coisas, em princípio, totalmente diferentes, a Teoria 
da Relatividade de Einstein prevê que elas são sempre proporcionais, segundo a fórmula: 
 
E = m . c 2 
 
 3 
sendo que c é o valor da velocidade da luz (uma constante universal, de acordo com a 
Teoria da Relatividade). 
A fórmula acima não diz que massa transforma-se em energia e vice-versa, ela diz 
que sempre que uma destas grandezas varia, a outra deverá variar proporcionalmente. 
Os fótons (partículas de que a luz é feita de acordo com a teoria corpuscular) não são 
feitos de energia pura. A energia dos fótons é apenas uma de suas propriedades. Estas 
partículas têm também massa. Acontece que a massa de qualquer sistema (que pode ser 
uma partícula como um fóton) depende de sua velocidade. Quanto mais próxima esta 
velocidade estiver da velocidade da luz, maior será a massa da partícula. O que o fóton não 
tem é massa de repouso, isto é, se conseguirmos parar um fóton, então ele não terá massa 
(e nem existirá). 
Sistemas em movimento possuem uma forma de energia chamada energia cinética. 
Assim, se aumentarmos a velocidade de um objeto, estaremos fornecendo-lhe energia 
cinética, o que aumenta sua massa, de acordo com a fórmula E = m.c 2. 
 
Energia potencial positiva 
 
Se você tenta aproximar dois objetos com carga elétrica positiva (ou ambos 
negativos), eles “tentam” resistir (existe uma força que tende a separá-los). Para aproximá-
los, você precisa vencer esta força. Ao vencer a força de repulsão, você está aumentando a 
energia potencial (de interação) dos objetos carregados. Quando você libertá-los, a energia 
potencial será liberada na forma de energia cinética. 
Se os objetos estiverem tão distantes a ponto de praticamente não interagirem, 
podemos considerar sua energia de interação (ou energia potencial), como sendo 
aproximadamente zero. 
Quando você aproxima cargas elétricas que se repelem (ou seja, possuem o mesmo 
sinal), você está fornecendo energia ao sistema. Se a energia potencial era nula antes de 
você fazer isso, ela se torna positiva após o processo. 
Quando a energia potencial é positiva, o sistema tende a desfazer-se. No caso do 
exemplo acima, os objetos com cargas elétricas iguais acabam se afastando se você para 
de tentar aproximá-los. 
 
Energia potencial negativa 
 
Consideremos agora o caso em que lidamos com dois objetos, um com carga elétrica 
positiva e outro com carga elétrica negativa. Eles tendem a se atrair. 
Imagine agora que eles estão inicialmente próximos um do outro. Quando você tenta 
afastá-los um do outro, você percebe uma força que tende a reaproximá-los (força de 
atração). 
Se você os afasta um pouco e depois os solta, eles ganham velocidade de 
aproximação, isto é, aumentam sua energia cinética. 
Quando você faz força e separa os objetos, você está fornecendo energia ao sistema. 
(O sistema é formado pelos dois objetos e mais o campo de forças pelo qual eles 
interagem). 
Se você fornece suficiente energia ao sistema a ponto de separar os objetos a tal 
distância que a força de atração entre eles seja imperceptível, então você terá trazido o 
sistema a uma situação em que a energia potencial (de interação) é praticamente nula. 
Agora note: você teve de fornecer energia ao sistema para que a energia potencial 
chegasse a ser zero. Isto significa que a energia potencial era negativa quando os objetos 
estavam próximos. 
Quando a energia de interação (potencial) entre dois objetos é negativa, então os 
objetos tendem a permanecer juntos. 
 4 
Quanto mais negativa for a energia potencial, mas difícil será separar os objetos 
ligados por ela. 
 
1.3 - Energia de ligação molecular 
 
Quando falamos em “energia de ligação molecular”, estamos nos referindo a energia 
de interação (ou potencial) entre átomos de moléculas. 
Para que uma molécula tenha alguma estabilidade, é necessário que a energia de 
cada uma de suas ligações seja negativa. Se a energia de uma “ligação” fosse positiva, 
então a ligação se desfaria espontaneamente. 
Isto significa que você nunca pode obter energia a partir de quebras de ligações 
moleculares. A quebra de uma ligação molecular sempre consome energia. 
Ao rompermos as ligações da molécula de álcool etílico na combustão, por exemplo, 
há liberação de energia!”. Realmente, há liberação de energia nessa reação, mas não é por 
causa da quebra das ligações do álcool. A combustão do álcool pode ser representada 
parcialmente pela fórmula: 
 
CH3CH2OH + 3O2 →→→→ 2CO2 + 3H2O + energia . 
Para romper as ligações do álcool e do gás oxigênio, é preciso fornecer energia ao 
sistema. É por isso que precisamos aproximar uma fonte de energia térmica ao álcool para 
iniciarmos a combustão. Se a energia fornecida inicialmente for suficiente, romperá as 
ligações de muitas moléculas de álcool e de gás oxigênio, sendo que alguma energia é 
absorvida no processo. 
Mas os átomos (e radicais livres) não permanecem isolados. Eles se recombinam 
para formar moléculas de gás carbônico e água. Estas moléculas, por sua vez, são mais 
fortemente ligadas do que as moléculas iniciais, isto é, possuem energia de ligação mais 
negativa. Isto significa que a energia liberada na formação de gás carbônico e água é maior 
do que a energia absorvida pela quebra das ligações das moléculasoriginais (álcool e 
oxigênio). A energia excedente serve, parcialmente, para quebrar outras ligações de álcool e 
oxigênio, realimentando o processo. 
 
1.4 – a dualidade da matéria 
 
 Em 1924, Louis de Broglie, baseado no fato de que a energia luminosa tem ao 
mesmo tempo um comportamento de onda e de partícula, propôs que a matéria apresentaria 
essa mesma dualidade em seu comportamento. 
 Baseou, matematicamente, a sua hipótese em duas equações muito conhecidas: 
 
 Equação de Einstein: E = m c2 (energia de uma partícula de massa m) 
 
 Equação de Planck: E = h . f (energia de uma onda de freqüência f) 
 
 Pela dedução de De Broglie: m . c 2 = h . f (massa de um fóton de freqüência f), onde 
h é a constante de Planck (6,626 . 10–24 J . s) e c a velocidade da luz (3 . 108 m/s). 
 Como o comprimento de onda de uma radiação eletromagnética pode ser calculado 
pela equação abaixo: 
 5 
=λ
logo:
v
λ
f
e sendo v = c, temos
m . c 2 = h . h
=λ c
f
∴ =
λ
cf
portanto =
λ
c
m . c
substituindo-se λ h =
m . v
 (v) temos:c pela velocidade do elétron
 
 
 Este comprimento de onda (λ) permite prever o deslocamento de uma partícula 
material. 
 A teoria de De Broglie prevê que um feixe de partículas poderia sofrer difração do 
mesmo modo que um feixe luminoso. Para o caso dos elétrons, a teoria previa um 
comprimento de onda comparável ao dos raios X que sofrem difração ao atravessar um 
material cristalino. 
 Quatro anos depois, dois grupos, um nos Estados Unidos e outro na Escócia, 
conseguiram efetuar a difração de elétrons ao atravessar um cristal. Essa evidência 
experimental marcou a aceitação oficial da teoria no meio científico. 
 Em 1926, Schrödinger aplica aos átomos equações anteriormente usadas para 
fenômenos ondulatórios e cria a mecânica quântica ou ondulatória. Schrödinger chegou aos 
mesmos resultados de Heisenberg, isto é, conseguiu teoricamente descrever perfeitamente 
o átomo de hidrogênio. 
 Na mecânica quântica de Schrödinger, como é conhecida hoje, havia um componente 
chamado função de onda (Ψ) cuja interpretação não era muito clara. O alemão Born indicou 
que essa função de onda elevada ao quadrado nos dá com grande probabilidade (90%) a 
região do espaço onde o elétron se encontra. Estava criado o conceito de orbitais. 
 A equação de Schrödinger ψH ψ ^ = E pode ser aplicadas a vários cálculos, para o 
cálculo da energia de um elétron utilizamos o operador hamiltoniano . Para uma molécula 
genérica com N núcleos e n elétrons a sua descrição completa é: 
 
 
 
onde é o operador da energia cinética dos núcleos; 
 
 é o operador da energia cinética dos elétrons; 
 
 é o operador de energia potencial de atração núcleo-elétron; 
 
 6 
 é o operador de energia potencial de repulsão elétron-elétron; 
 
 é o operador de energia potencial de repulsão núcleo-
núcleo. 
 
 são operadores diferenciais de momentum dos núcleos e elétrons. 
 
 
 Devido à impossibilidade matemática de resolvemos a equação de Schrödinger para 
átomos com mais de 1 elétron, recorremos a simplificações: Uma primeira simplificação 
conhecida como aproximação de Born-Oppenneimer que considera os núcleos como fixos 
eliminando o operador de energia cinética dos núcleos e simplificando grandemente o 
operador de repulsão núcleo-núcleo. 
 O quadrado das equações acima define o conceito de orbital, que é a região do 
espaço onde há maior probabilidade (cerca de 90%) de encontrarmos um elétron. A forma 
espacial do orbital é calculada através de complicadas equações matemáticas, de forma que 
o modelo atual é um modelo matemático. 
 
 
 
 7 
 
 
 
 
 
1.5 - estabilidade nuclear 
 
Radioatividade é a atividade que certos átomos possuem de emitir radiações 
eletromagnéticas e partículas de seus núcleos instáveis com o propósito de adquirir 
estabilidade, independentemente do estado físico e das ligações efetuadas pelo átomo. 
 A estabilidade de um núcleo está ligada à sua relação nêutrons/prótons. Existe uma 
relação ótima de nêutrons/prótons, um desvio grande desta relação torna o átomo instável. A 
faixa de estabilidade é constituída por átomos estáveis que apresentam uma relação 
nêutrons/prótons próxima da ótima. 
 
 8 
20 40 60 80 100 Z
20
40
60
80
100
n
o
oo
o
o
o
o
o
o
o
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o
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o
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o
o
o
o
o
o
 n = Z
Ca
40
20
1:1
Hg
200
80
1,5:1
Zr
90
40
1,25:1
Nd
144
60
1,4:1
Faixa de estabilidade
 
 
 1º – Os átomos situados dentro da faixa de estabilidade são estáveis e os átomos 
situados fora da faixa são radioativos, pelo excesso ou falta de nêutrons. 
 
 2º - Quanto maior o número atômico de um átomo mais nêutrons ele necessita para 
estabilizar-se. O 20Ca possui uma relação nêutrons/prótons de 1:1 (20 nêutrons para 20 
prótons), já o 80Hg possui uma relação nêutrons/prótons de 1,5:1 (120 nêutrons para 80 
prótons). 
 
 3º - O átomo de hidrogênio é o único que não necessita de nêutrons pois possui 
apenas um próton. 
 
 4º - O 83Bi é o último elemento a apresentar um isótopo estável (83Bi
209), a partir desse 
elemento nenhum átomo é estável ou seja estão acima da faixa de estabilidade. 
 
 Os isótopos que estão acima da faixa de estabilidade possuem um número de 
nêutrons muito grande e para diminuir esse número caindo na faixa de estabilidade podem 
emitir uma partícula beta ou um nêutron. 
 
 6C
14 → 7N14 + -1β0 36Kr90 → 36Kr89 + 0n1 
 
 Os isótopos que estão abaixo da faixa de estabilidade possuem um número de 
prótons muito grande e para diminuir esse número caindo na faixa de estabilidade podem 
emitir um pósitron, uma partícula alfa ou capturar um elétron da camada K. 
 
 15P
30 → 14Si30 + +1β0 90Th230 → 88Ra226 + 2α4 
 
 54Xe
127 + -1e
0 → 53I127 + raios X 
 
 
 Os isótopos que estão além da faixa de estabilidade possuem um número de 
núcleons (prótons e nêutrons) muito grande para serem estáveis e para diminuir esse 
número caindo na faixa de estabilidade podem emitir uma partícula alfa diminuindo 
simultaneamente o número de prótons e nêutrons ou ainda uma partícula beta para 
equilibrar melhor a relação nêutrons/prótons. 
 
 92U
235 → 90Th231 + 2α4 94Pu241 → 95Am241 + -1β0 
 9 
 
Modelos nucleares 
 
 Os cálculos em supercomputadores mostraram que os isótopos mais abundantes e 
que possuem maior estabilidade nuclear são aqueles que apresentam um número de 
prótons e/ou nêutrons iguais a 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126. Esses números foram chamados 
de mágicos por não se saber a razão dessa maior estabilidade. 
- os átomos cujos núcleos apresentam tanto número de prótons como número de 
nêutrons igual a um número mágico possuem uma estabilidade muito grande. Por 
exemplo o 82Pb
208 (Z = 82 e n = 126). 
- os átomos que possuem um número de núcleons uma unidade superior a um 
número mágico emitem partículas com grande facilidade. 
 
A partir de uma analogia com as camadas eletrônicas se desenvolveram alguns 
modelos para o núcleo atômico: 
 
Modelo de camadas 
 
 Criado para explicar o comportamento de átomos que possuem um número de 
prótons e de nêutrons igual ou próximo aos dos números mágicos. 
 Os átomos que possuem exatamente o número mágico de prótons e/ou nêutrons, 
teriam seus núcleons distribuídos em camadas definidas, formando um grupo estável e 
compacto. 
 Os átomos que possuem um número de prótons e/ou nêutrons próximo a um número 
mágico, teria o seu núcleo composto um grupo estável e compacto de núcleons na região 
central e os demais prótons e nêutrons ficariam orbitando ao redor desse centro sem 
nenhuma direção preferencial. 
 
Modelo coletivo 
 
 Criado para explicar o comportamento de átomos que possuem um número de 
prótons e nêutrons distante de um número mágico. 
 Segundo esse modelo, como o número de núcleons é insuficiente para formar uma 
camadacompleta há uma aproximação entre eles, de modo que um passa a influir no 
movimento do outro. 
 
 Encontrar um modelo para o núcleo que possa explicar todas as suas propriedades 
tem se mostrado uma tarefa bem mais difícil do que para a eletrosfera. 
Essa dificuldade resulta do fato do núcleo ter um tamanho de 10.000 a 100.000 vezes 
menor que a eletrosfera, de suas radiações possuírem freqüências muito altas, cuja 
detecção e análise são difíceis com a tecnologia atual e também do fato de não se 
conhecerem exatamente a natureza das forças que atuam em um núcleo. 
 
Forma do núcleo 
 
 As forças nucleares são de curtíssimo alcance (do tamanho de um núcleo) e atuam 
sobre os prótons e os nêutrons. Com base na análise dessas forças, Niels Bohr propôs um 
modelo de núcleo, cujo formato seria baseado numa gota d’água que não estaria submetida 
a nenhuma força de ação externa. 
 Uma molécula de água no interior de uma gota é atraída por moléculas em todas as 
direções, porém as moléculas de água da superfície são atraídas para o lado e na direção 
do interior da gota. 
 10 
 As forças que atuam sobre as moléculas de água levam a gota a assumir a forma 
esférica, que é a de menor superfície possível, podendo esse núcleo “esférico” alongar-se 
ou contrair-se mediante alguma excitação externa. 
Dimensões Nucleares 
 
Na experiência de Rutherford partículas α foram lançadas contra uma folha de ouro 
(Z=79) muito fina. A partir do espalhamento dessas partículas, Rutherford estimou o raio 
nuclear, considerando que este é aproximadamente igual à distância mais próxima ao 
núcleo, atingida pela partícula α. 
 A partícula α tem energia cinética igual a 7,7 Mev. Quando esta partícula é lançada 
frontalmente contra o núcleo, a interação coulombiana faz com que sua energia cinética seja 
transformada em energia potencial eletrostática. Quando toda a energia cinética é 
transformada em energia potencial, a partícula chega à distância mais próxima, e para. 
Nesse momento temos: 
Ec=(1/4 π ε0)(2 Z e2/r0) 
 
Utilizando os valores numéricos conhecidos (1/4 π ε0 = 9 x 109 Nm/C2; e = 1.6 x 10-19 
C), obtém-se: 
r0 = 3 x 10
-14 m 
 
Portanto, o raio do núcleo de ouro deve ser menor do que 3 x 10-14 m, isto é, menos 
do que 1/10.000 do raio atômico. 
É razoável esperar que o volume nuclear seja proporcional ao número de massa. 
Assim, considerando o núcleo como uma esfera de raio R, tem-se: 
 
R = R0 A
1/3, onde R0 = 1,2 x 10
-15 m (fornece raios aproximados) 
 
 As dimensões nucleares são mais convenientemente descritas através de uma nova 
unidade, denominada fermi ou fentômetro (fm), definida por 1 fm = 10-15 m. 
 
Energia de ligação nuclear 
 
 A tabela abaixo apresenta as massas de 5 núcleos leves e do nêutron. 
 
nome símbolo massa (u) 
Próton 1H
1 1,007825 
Nêutron 0n
1 1,008665 
Deutério 1H
2 2,014102 
Trítio 1H
3 3,016049 
Hélio 3 2He
3 3,016030 
Partícula alfa 2He
4 4,002604 
 
 O deutério que contém 1 próton e 1 nêutron apresenta uma massa menor do que a 
soma das massas do próton e do nêutron (mp + mn = 1,007825 + 1,008665 = 2,016490). 
Quando dois ou mais núcleons se combinam para formar um núcleo, a massa total do 
núcleo é menor do que a soma das massas dos núcleons. Esta massa restante transforma-
se em energia, sendo responsável pela ligação nuclear. Essa energia de ligação, que 
também é necessária para separar o núcleo em prótons e nêutrons, relaciona-se com a 
variação de massa através da famosa equação proposta por Einstein: 
 
E=∆mC2 
 
Usando a equação acima vemos que a energia de ligação do deutério é de 2,22 Mev. 
 11 
CAPÍTULO 2 
HISTÓRICO 
 
 
2.1 - A radiação dos corpos luminescentes 
 
 A descoberta dos raios X suscitou quase instantaneamente um grande número de 
trabalhos na Academia de Ciências de Paris. 
 A hipótese levantada por Poincaré de que os vidros emitem raios X tornando-se 
fluorescentes é que irá levar aos estudos de Becquerel, buscando uma relação entre a 
fluorescência e os raios X. Na verdade, de acordo com os nossos conhecimentos atuais, não 
existe relação direta entre a emissão de raios X e a luminescência. Mas é graças a essa 
pista falsa que muitas descobertas serão feitas. 
 As observações de Niewenglowski corroboravam as de Charles Henry: os materiais 
fosforescentes pareciam emitir raios X, quando iluminados. Ainda mais: Niewenglowski 
estuda o efeito da fosforescência do sulfeto de cálcio colocado em um local escuro, depois 
de ter recebido a luz do sol, concluindo que também nesse caso o material continuava a 
emitir radiações capazes de atravessar o papel negro. 
 Em 24/02/1896, Piltchikof anuncia que, utilizando uma substância fortemente 
fluorescente dentro do tubo de Crookes, no local onde os raios catódicos atingem a parede 
de vidro, observou um grande aumento da intensidade dos raios X, permitindo a realização 
de radiografias em 30 segundos (anteriormente, eram necessários vários minutos). 
 No laboratório de seu pai, Henri Becquerel desenvolveu seu treino cientifico e realizou 
suas primeiras pesquisas - quase todas sobre óptica e muitas delas, no período de 1882 a 
1897, sobre fosforescência. Entre outras coisas, estudou a fosforescência invisível (no 
infravermelho) de várias substâncias. Estudou, em particular, os espectros de fluorescência 
de sais de urânio, utilizando amostras que seu pai havia acumulado ao longo dos anos. 
 De fato: parecia simplesmente que, além de poderem emitir radiação visível e 
infravermelha, os corpos luminescentes podiam também emitir raios X. Becquerel resolve 
fazer experimentos sobre o assunto. 
 Envolveu uma chapa fotográfica de Lumiére em duas folhas de papel negro muito 
espessas, de tal forma que a chapa não escurecia mesmo exposta ao sol durante um dia. 
Coloca uma placa da substância fosforescente, o sulfato duplo de urânio e potássio, sobre o 
papel, do lado de fora, e o conjunto é exposto ao sol durante várias horas. Quando se revela 
a chapa fotográfica, surge a silhueta da substância fosforescente, que aparece negra no 
negativo. Se for colocada uma moeda ou uma chapa metálica perfurada, entre a substância 
fosforescente e o papel, a imagem desses objetos poderá ser vista no negativo. 
 Note-se que Becquerel conhece os trabalhos anteriores de Henry e Niewenglowski e 
que reproduz, sem grande alteração, o experimento do segundo. Apenas testou uma nova 
substância, o sulfato duplo de uranila e potássio, confirmando, também nesse caso, a 
hipótese de Poincaré. 
 No dia 2 de março de 1896, Becquerel prossegue o estudo dos efeitos produzidos 
pelo sulfato duplo de uranila e potássio. Varia o experimento anterior, observando que as 
radiações emitidas por esse material são menos penetrantes do que os raios X comuns. 
Nota também que a emissão da radiação penetrante ocorre tanto no caso em que o material 
fosforescente é iluminado diretamente pelo sol quanto ao ser iluminado por luz refletida ou 
refratada. Observa também que, mesmo no escuro, o material estudado sensibiliza chapas 
fotográficas. 
 Segue a transcrição de parte do artigo de Becquerel: “uma hipótese que surge muito 
naturalmente ao espírito seria a suposição de que essas radiações, cujos efeitos possuem 
 12 
uma forte analogia com os efeitos produzidos pelas radiações estudadas por Lenard e 
Roentgen (raios X), poderiam ser radiações invisíveis emitidas por fosforescência, cuja 
duração de persistência fosse infinitamente maior do que a das radiações luminosas 
emitidas por essas substâncias”. 
 Note-se que não há quase nada de novo nesse "novo tipo de fenômeno". A única 
novidade é que a fosforescência invisível parecia durar muito mais do que a fosforescência 
visível (o que não era, de modo algum, contrário ao que se conhecia). 
 Passam-se duas semanas e Becquerel publica novo trabalho (23/03/1896). Nele, 
descreve observações de que alguns compostos de urânio que não são luminescentes 
também produzem os efeitos antes descritos. Assim sendo, essa fosforescência invisível 
parece não ter ligação com a fosforescênciaou fluorescência visível. 
 Passam-se agora 7 semanas. Só então Becquerel apresenta nova comunicação. 
Depois de ter observado que todos os compostos de urânio (luminescentes ou não) emitiam 
essas mesmas radiações invisíveis, Becquerel resolve testar o urânio metálico. Obtém uma 
amostra preparada por Moissan (químico que nesse mesmo ano havia isolado o metal) e 
verifica que ele também emite a radiação. Ora, isso poderia ter mostrado que não se tratava 
de um fenômeno de fosforescência e sim algo de outra natureza. Mas Becquerel conclui que 
esse é o primeiro caso de um metal que apresenta uma fosforescência invisível. Seria 
natural, a partir daí, pesquisar a existência de outros elementos que emitissem radiações 
semelhantes, mas Becquerel não o faz. Após esse trabalho, de 18 de maio, ele parece se 
desinteressar e abandona esse estudo. 
 Como se pode perceber pela descrição feita até aqui, os trabalhos de Becquerel não 
estabeleceram nem a natureza das radiações emitidas pelo urânio nem a natureza 
subatômica do processo. 
 Poucos pesquisadores se dedicaram ao estudo dos "raios de Becquerel" ou "raios do 
urânio" até início de 1898. Por um lado, os próprios compostos luminescentes do urânio (ou 
o urânio metálico) eram de difícil obtenção. Por outro lado, Becquerel parecia ter esgotado o 
assunto. Além disso, muitos outros fenômenos anunciados na mesma época desviavam a 
atenção e apontavam igualmente para aspectos delicados desse tipo de estudos. 
 Em um artigo de revisão do assunto publicado em 1898, Stewart descreveu todos os 
tipos de trabalhos publicados na época. Chegou à conclusão (provavelmente a mais aceita, 
na época) de que os raios de Becquerel eram ondas eletromagnéticas transversais (como a 
luz) de pequeno comprimento de onda e que o processo de emissão era um tipo de 
fosforescência. 
 
2.2 - A descoberta de novos materiais radioativos 
 
 No início de 1898, dois pesquisadores, independentemente, tiveram a idéia de tentar 
localizar outros materiais, diferentes do urânio, que emitissem radiações do mesmo tipo. A 
busca foi feita, na Alemanha, por G.C. Schmidt e, na França, por Marie Sklodowska Curie. 
Em abril de 1898, ambos publicaram a descoberta de que o tório emitia radiações, como o 
urânio. O método de estudo não foi fotográfico e sim com o uso de uma câmara de ionização 
(precursora do contador Geiger), observando-se a corrente elétrica produzida, no ar, entre 
duas placas eletrizadas, quando se colocava um material que emitia radiações entre as 
placas. Esse método de estudos era mais seguro do que o uso de chapas fotográficas que 
podem ser afetadas por muitos tipos de influências diferentes. 
 A radiação emitida pelo tório era observada em todos os seus compostos 
examinados, como ocorria com o urânio. Ela produzia efeitos fotográficos e era um pouco 
mais penetrante do que a do urânio. Schmidt afirmou ter observado a refração dos raios do 
tório (como Becquerel fizera anteriormente) mas não conseguiu notar nem reflexão nem 
polarização dos raios. 
 13 
 Marie Curie estudou vários minerais, além de substâncias químicas puras. Notou, 
como era de se esperar, que todos os minerais de urânio e de tório emitiam radiações. Mas 
observou um fato estranho. 
 "Todos os minerais que se mostraram ativos contêm os elementos ativos. Dois 
minerais de urânio: a pechblenda [óxido de urânio] e a calcolita [fosfato de cobre e uranila] 
são muito mais ativos do que o próprio urânio. Esse fato é muito notável e leva a crer que 
esses minerais podem conter um elemento muito mais ativo do que o urânio. Reproduzi a 
calcolita pelo processo de Debray com produtos puros; essa calcolita artificial não é mais 
ativa do que outros sais de urânio". 
 Nesse mesmo trabalho, Marie Curie chama a atenção para o fato de que o urânio e o 
tório são os elementos de maior peso atômico (dos que eram conhecidos). Especula 
também sobre a causa do fenômeno. Diante da enorme duração da radiação, parecia 
absurdo, na época, que toda a energia emitida (que parecia infinita) pudesse provir do 
próprio material. Marie Curie supõe que a fonte seria externa, ou seja, que todo o espaço 
estaria permeado por uma radiação muito penetrante, imperceptível, que seria absorvida 
pelos elementos mais pesados e reemitida sob uma forma observável. 
 A descoberta do efeito produzido pelo tório deu novo impulso à pesquisa dos "raios de 
Becquerel". Agora, percebia-se que esse não era um fenômeno isolado, que ocorria só no 
urânio. Marie Curie é quem dá a esse fenômeno o nome "radioatividade": 
 Chamarei de radioativas as substâncias que emitem raios de Becquerel. O nome de 
hiperfosforescência que foi proposto para o fenômeno, parece-me dar uma falsa idéia de sua 
natureza. 
 Poucos meses depois, Marie Curie através de processos de químicos obtém da 
pechblenda um material que era 400 vezes mais ativo do que o urânio puro. O casal Curie 
sugere: "Cremos portanto que a substância que retiramos da pechblenda contém um metal 
ainda não identificado, vizinho ao bismuto por suas propriedades analíticas. Se a existência 
desse novo metal for confirmada, propomos dar-lhe o nome de polônio, nome do país de 
origem de um de nós". 
 Não se pode dizer que estivesse, de fato, estabelecida a existência de um novo 
elemento. O suposto novo metal se comportava como o bismuto e não tinha raias espectrais 
que pudessem ser notadas. Houve por isso certo ceticismo em relação a essa descoberta, 
inicialmente. 
 Em artigo escrito após o trabalho relativo ao polônio, Marie Curie faz uma revisão dos 
conhecimentos sobre o assunto. Nele, coloca em dúvida a existência de reflexão, refração e 
polarização dos raios de Becquerel e nega, com base nos estudos de Elster e Geitel, a 
possibilidade de intensificar a radioatividade pela exposição ao sol. Marie Curie defende 
claramente a idéia de que a radioatividade é uma propriedade atômica. 
 Na última reunião de 1898 da Academia de Ciências, os Curie e Bélmont apresentam 
evidências de um novo elemento radioativo, quimicamente semelhante ao bário, extraído 
também da pechblenda. Também nesse caso, não foi possível separar o novo elemento; 
mas foi possível obter um material 900 vezes mais ativo do que o urânio. Além disso, desta 
vez a análise espectroscópica permitiu notar uma raia espectral desconhecida. Os autores 
do artigo dão a esse novo elemento o nome de "rádio", por parecer mais radioativo do que 
qualquer outro elemento. 
 
2.3 - A natureza da radioatividade 
 
 A natureza e diversidade das radiações emitidas por materiais radioativos foram 
estabelecidas gradualmente. No início de 1899, Rutherford notou a existência de dois tipos 
de radiação de urânio, uma mais penetrante e outra facilmente absorvida. Chamou-as de α 
(a menos penetrante) e β. No entanto, imaginou que ambas eram diferentes tipos de raios X. 
No final de 1899, Geisel observou que as radiações de polônio eram desviáveis por um ímã. 
 14 
Esses raios não podiam, portanto, serem raios X. O casal Curie verificou que alguns raios 
eram defletidos pelo ímã e outros não. Os que eram defletidos correspondiam à radiação β 
de Rutherford. O sentido da deflexão mostrou que eram semelhantes aos raios catódicos, ou 
seja, dotados de carga elétrica negativa. 
Posteriormente, o casal Curie observou, por medidas elétricas, que essa radiação 
transportava de fato uma carga negativa. A radiação não defletida foi identificada como 
radiação α (que na verdade é pouco desviada por sua grande razão massa/carga). 
Em 1900, Villard descobriu que os raios não desviáveis eram de dois tipos: os raios α 
(pouco penetrantes) e outros raios muito penetrantes, que foram denominados "raios γ". 
Apenas em 1903, Rutherford observou que a radiação α podia ser defletida elétrica e 
magneticamente, verificando então tratar-se de partículas com carga positiva. Só então ficou 
mais clara a noção a respeito da natureza dessas três radiações. 
 Outro aspecto da radioatividade, a transformação dos elementos radioativos emergiu 
também aos poucos. Em1899, Rutherford observou a existência de uma emanação 
radioativa do tório. Dorn verificou que o rádio também produzia uma emanação semelhante. 
Depois de vários meses, verificou-se se tratar de um novo elemento químico gasoso 
(radônio). Esse gás estava sendo produzido pelo material radioativo. Além disso, os Curie 
haviam notado, no final de 1899, que o rádio podia tornar radioativos os corpos próximos. No 
ano seguinte, Rutherford descobriu que a radioatividade induzida era devido a um depósito 
criado pela emanação gasosa. No entanto, esse depósito não era idêntico à emanação. 
 Descobriu-se também que a emanação e o depósito perdiam rapidamente suas 
radioatividades, o que mostrou tratar-se de uma mudança atômica gradual. Após esses e 
outros estudos, Rutherford e Soddy apresentaram a teoria das transformações radioativas 
em 5 artigos publicados de novembro de 1902 a maio de 1903. Com esses trabalhos, as 
linhas gerais da nova visão sobre a radioatividade haviam já sido estabelecidas. Muitos 
aspectos foram esclarecidos nos anos seguintes. 
 
2.4 – As partículas subatômicas 
 
A técnica fundamental na física de partículas consiste em bombardear um alvo com 
um feixe de partículas, pontas de prova cujo poder de resolução está associado á sua 
energia. Os produtos da reação induzida pela ponta de prova são detectados. A detecção é 
em geral baseada na ionização que uma partícula carregada provoca ao passar por um meio 
dielétrico. Podemos assim reconstituir o desenvolvimento temporal da reação, o que nos 
fornece informações sobre o processo fundamental ocorrido. 
As pontas de prova disponíveis no começo do século passado se limitavam a fontes 
radiativas, cuja energia (alguns MeV) era suficiente para penetrar no átomo, mas não no 
núcleo. Os detectores mais comuns eram a câmara de Wilson e emulsões fotográficas. A 
câmara de Wilson permite observar a trajetória de uma partícula carregada. Na presença de 
um campo magnético é possível determinar o momentum da partícula medindo o raio de 
curvatura de sua trajetória. A energia da partícula pode ser determinada medindo o 
comprimento do traço deixado na câmara. 
O bombardeamento de folhas finas de ouro por um feixe de partículas alfa foi a 
técnica empregada por Rutherford na série de experimentos que resultou na descoberta do 
núcleo atômico, em 1911, revelando que os átomos são objetos com uma estrutura interna 
(quase 60 anos depois uma versão moderna da mesma técnica revelou a estrutura interna 
dos prótons e nêutrons). 
O modelo atômico moderno surgiu 20 anos depois, quando, em 1932, empregando 
basicamente a mesma técnica, Chadwick anunciou a descoberta de um segundo 
componente do núcleo: o nêutron. Como acontece com freqüência, uma descoberta 
preenche uma lacuna ao mesmo tempo em que suscita novas questões. As perguntas 
naturais que se seguiram à descoberta do nêutron foram: o que mantêm os núcleons (nome 
 15 
genérico dado a prótons e nêutrons) unidos dentro do núcleo; seria esta interação a 
responsável pelo decaimento beta dos núcleos? 
Em 1935, o físico japonês Yukawa propôs um modelo em que a estabilidade da 
matéria seria garantida por um novo tipo de força, transmitida por uma nova partícula de 
massa em torno de 200 MeV. Segundo Yukawa esta interação causaria também o 
decaimento beta. 
Alguns anos antes Pauli havia proposto uma explicação diferente para o decaimento 
beta. Analisando o espectro de energia do elétron, Pauli concluiu que deveria existir uma 
partícula neutra e muito leve, de forma a explicar uma aparente violação da conservação da 
energia. Esta partícula – posteriormente identificada com o neutrino - interagiria muito 
fracamente com a matéria. Assim sendo, a estabilidade da matéria e o decaimento beta 
seriam fenômenos com origens distintas. 
A partir da década de 30, os raios cósmicos substituíram as fontes radiativas como 
pontas de prova. A principal vantagem é a energia daqueles, muito superior a das fontes 
radiativas, permitindo assim provar a estrutura da matéria em escalas menores. 
O pósitron, descoberto em 1931 por C. Anderson, após analisar a passagem de raios 
cósmicos através de uma câmara de Wilson. Era o primeiro indício de que havia algo além 
da matéria ordinária. 
Em 1937 C. Anderson, estudando raios cósmicos, observou pela primeira vez os 
mésons. 
No início dos anos 50, os aceleradores substituíram os raios cósmicos como fonte 
primária de partículas energéticas. Apesar das energias menores, as vantagens eram claras: 
controle total do fluxo, energia, tipo de feixe, repetitividade de uma reação. 
Com o uso dos aceleradores uma nova classe de partículas foi encontrada: as 
partículas com vida média extremamente curta, da ordem de 10-23s. Essas partículas 
decaem por interação forte em partículas estáveis (o píon, apesar de uma vida média de 10-
8s, ´e considerado uma partícula estável!). 
Uma variedade tão grande de hádrons sugeria uma estrutura subjacente mais 
fundamental. Durante os anos 60 houve várias tentativas de encontrar uma explicação e a 
mais bem sucedida, foi o modelo a quarks, formulado independentemente por Gell-Mann e 
Zweig. No entanto, a realidade física dos quarks só viria a ser estabelecida no final da 
década de 60 e início da década de 70, com os experimentos de espalhamento 
profundamente inelástico. 
Próton 
 
Os raios canais foram obtidos pela primeira vez por Goldstein, em 1886. Fazendo-se 
a descarga num tubo com gás à pressão da ordem de 10 mm Hg e usando-se um cátodo 
perfurado, nota-se que do orifício do cátodo parte um feixe luminoso que se propaga em 
sentido oposto ao dos raios catódicos. Esse feixe luminoso foi chamado raio canal. 
Experiências posteriores mostraram que: 
1º - os raios canais são constituídos de partículas com carga positiva (íons positivos) 
e, por isso, foram chamados raios positivos; 
2º - a massa das partículas constituintes dos raios canais varia de acordo com o gás 
residual utilizado; 
3º - a massa desses íons positivos é aproximadamente igual à massa das moléculas 
do gás residual; 
4º - quando o gás residual é o hidrogênio, os raios positivos obtidos são os de menor 
massa; 
5º - a massa das partículas constituintes dos raios positivos obtidos com o hidrogênio 
como gás residual é 1836 vezes maior que a massa do elétron, e a carga dessas partículas 
é igual à do elétron, com sinal contrário. 
 
 16 
Baseado nesses resultados experimentais, Thomson, em 1911, confirmou a 
existência do próton, como a menor unidade de carga positiva. Em 1920, Rutherford propôs 
o nome de próton para essa unidade de carga elétrica positiva. 
 
Nêutron 
 
 A descoberta dos raios beta (β), que são elétrons de alta velocidade causou muita 
surpresa. Existiriam elétrons dentro dos núcleos? Ótimo, pois isso resolveria uma questão 
que estava pendente. Veja, por exemplo, o caso do núcleo de carbono. O carbono tem peso 
12, mas a carga elétrica 6 indicando que só existem 6 prótons no seu núcleo. Agora está 
resolvido, o núcleo do carbono tem 12 prótons e 6 elétrons. Isso baixa a carga para 6 e 
mantém o peso em pouco mais de 12. 
Essa era uma explicação atraente, mas Niels Bohr mostrou que estava errada. Bohr 
calculou as energias que os elétrons deveriam ter se fossem confinados no apertado espaço 
de um núcleo, mostrando que um elétron dentro de um núcleo deveria ter energia da ordem 
de bilhões de elétrons-volt. (O elétron-volt é uma unidade de energia muito usada em Física 
Atômica e Nuclear). Só que as partículas β tinham energia bem menores, da ordem de 
apenas uns poucos milhões de elétrons-volts. Não dava para manter um elétron tão 
energético dentro de um núcleo por muito tempo. 
Rutherford, então, fez outra hipótese: o núcleo conteria, além de prótons, outras 
partículas com peso semelhante ao dos prótons, mas, sem carga elétrica. Essa partícula 
neutra seria híbrida, composta da associação de um próton com um elétron. O núcleo do 
carbono, por exemplo, conteria 6 prótons e 6 partículas neutras. A radiação beta aconteceriaquando essa partícula neutra se rompesse em um próton e um elétron e, como o elétron não 
poderia ficar dentro de um núcleo, seria cuspido para fora. O núcleo, nesse processo, teria 
sua carga aumentada de uma unidade e passaria a ser o núcleo de outro elemento. 
Quando James Chadwick relatou a Rutherford a experiência de Irene e Frederico 
Joliot-Curie e a explicação dada pelo casal, segundo a qual a radiação do berílio seria 
constituída de raios gama, Rutherford disse logo: "não acredito nisso", pois os raios gama 
não teriam energia suficiente para arrancar prótons da parafina. Chadwick resolveu, então, 
reproduzir a experiência. 
O arranjo experimental montado por Chadwick era esquematicamente o seguinte: 
 
 
 
A fonte radioativa de polônio emite partículas alfa que incidem sobre um disco de 
berílio. O berílio bombardeado pelas alfas produz uma radiação neutra desconhecida. Para 
descobrir a natureza dessa radiação, Chadwick captou-a em uma câmara de ionização. 
Como o nome indica, a passagem da radiação pela câmara ioniza átomos de um gás que 
serão, então, capturados por uma placa metálica eletricamente carregada. Desse modo, 
Chadwick observou que surgiam 4 deflexões por minuto no oscilógrafo. 
A seguir, observou que, colocando uma placa de parafina entre o berílio e o detector, 
as contagens no oscilógrafo aumentavam para cerca de 10 por minuto. 
 
 
 17 
 
Isso indicava claramente que a radiação desconhecida induzia a produção de outro 
tipo de radiação a partir da parafina. Alguns testes logo mostraram que essa nova radiação 
era formada de prótons. Chadwick conseguiu medir a energia desses prótons e logo ficou 
claro que eles não poderiam ser produzidos por raios gama. Uma comparação utilizando a 
conservação da energia em um choque frontal entre partículas mostrou que uma radiação 
gama não seria capaz de arrancar prótons da parafina com a energia observada. 
 Foi então que Chadwick supôs que a radiação fosse composta de partículas neutras 
com peso semelhante ao peso do próton. Levando em conta essa hipótese, Chadwick usou 
a radiação neutra do berílio para bombardear vários gases diferentes. Desse modo, medindo 
a energia dos átomos desses gases após serem atingidos pela radiação, conseguiu calcular 
a massa das partículas neutras. Obteve um valor um pouco maior que a massa do próton, 
como era de se esperar. 
Bothe e Becker bolaram o arranjo experimental e produziram o feixe de nêutrons 
saindo do berílio, os Joliot-Curie usaram esses nêutrons para arrancar prótons da parafina, 
mas, foi Chadwick, finalmente, quem mostrou com clareza a identidade desses nêutrons. 
 A hipótese de Rutherford, segundo a qual o nêutron era uma partícula composta, 
mistura de próton com elétron, foi descartada rapidamente. Werner Heisenberg, famoso 
físico alemão, mostrou que o nêutron era uma partícula inteira. 
 
Antimatéria 
 
A teoria mais aceita para a criação do universo é a do Big Bang que diz que tudo se 
iniciou em uma grande explosão. Nos primeiros instantes o universo não era constituído por 
matéria mas sim por energia sob forma de radiação. O universo então passou a se expandir 
e, conseqüentemente, a se resfriar. Pares de partícula-antipartícula eram criados e 
aniquilados em grande quantidade. Com a queda de temperatura a matéria pôde começar a 
formar hádrons, assim como a antimatéria a formar anti-hádrons, pois matéria e antimatéria 
foram criadas em quantidades iguais. Atualmente, no entanto, parece que vivemos em um 
universo onde só há matéria. O que aconteceu, então, a antimatéria que foi criada em 
associação a esta matéria? 
 Na realidade, já é estranho que o universo exista, pois, quando a matéria e a 
antimatéria se encontram, o processo inverso da criação ocorre, ou seja, elas se aniquilam 
gerando apenas energia nesse processo. Seria altamente provável, portanto, que logo após 
terem sido criadas, partículas e antipartículas se aniquilassem, impedindo que corpos mais 
complexos como hádrons, átomos, moléculas, minerais e seres vivos pudessem se formar. 
Acredita-se que esse processo de criação e aniquilação realmente ocorreu para quase toda 
a matéria criada durante o início da expansão do universo, mas o simples fato de existirmos 
indica que ao menos uma pequena fração de matéria escapou a esse extermínio precoce. 
 É possível que algum processo, de origem desconhecida, tenha provocado uma 
separação entre a matéria e a antimatéria. Neste caso existiriam regiões do universo em que 
a antimatéria e não a matéria seria mais abundante. 
 Em 1966, um físico russo de nome Andrei Sakharov delineou três condições 
necessárias para que aparecesse esse desequilíbrio entre matéria e antimatéria. A primeira 
diz que os prótons devem decair, a segunda restringe a maneira como o universo esfriou 
após o Big Bang e a terceira descreve uma diferença de propriedade, mensurável, entre 
matéria e antimatéria. Até hoje não houve nenhuma observação experimental do decaimento 
de um próton, entretanto espera-se que isto seja um evento tão raro que não estaria ao 
alcance dos métodos experimentais atuais. As condições de não equilíbrio do esfriamento 
do universo são compatíveis com os modelos teóricos existentes e com as observações 
realizadas. O ponto crucial para comprovar a hipótese de Sakharov é o estudo da diferença 
de comportamento entre a matéria e a antimatéria. Isto está no limite de nossa capacidade 
 18 
experimental e existem, no momento, vários experimentos em preparação para tentar 
observá-la. 
 
A equação básica da mecânica quântica, a equação de onda de Schroedinger é uma 
equação não relativística. Corresponde ao caso em que a energia total de uma partícula é 
dada pela relação: 
p 2
 2m
+ V = E
 
 
onde o primeiro termo corresponde à energia cinética e V à energia potencial da 
partícula. Alguns anos depois de Schroedinger ter apresentado sua equação, Dirac 
desenvolveu a equação correspondente relativística, para descrever o movimento de um 
elétron. Como a energia relativística de uma partícula, na ausência de potenciais externos é 
dada por: 
= p2 cE
 o
 2 2 2+ m c 4
 
 
a equação desenvolvida por Dirac é: 
 
p c + V = E
 o
 2 2 2+ m c 4+-
 
 
 A equação de Dirac admite uma solução com energia positiva e uma solução com 
energia negativa, este observou que não havia razão para ignorar a solução com energia 
negativa. Assim previu a existência de elétrons com energia negativa. 
Um elétron usual, com energia positiva, tendo disponível um estado possível de 
energia mais baixa (energia negativa), migraria para aquele estado, emitindo a diferença de 
energias na forma de um fóton. Assim, todos os elétrons disponíveis iriam para esses tais 
estados negativos e o nosso mundo não seria possível. Dirac postulou então que a natureza 
é de tal forma que todos os estados de energia negativa estão ocupados. Deste modo, não 
há como os elétrons de nosso mundo passar para os estados de energia negativa, 
conhecidos como o mar de Dirac. Pode-se mostrar que esse mar de partículas com energia 
negativa (isto é, com massa negativa) não interage com nosso mundo usual, não podendo 
portanto ser observado. 
 Dirac previu ainda a ocorrência de um fenômeno bastante interessante. Um fóton de 
alta energia (um raio γ), tendo energia maior que a abertura entre as duas faixas de energias 
permitidas para os elétrons ∆ E > 2moc2 = 1022 KeV poderia ceder toda sua energia para um 
elétron de energia negativa (como no efeito fotoelétrico) de modo que agora este elétron 
teria energia positiva e seria observado como um elétron normal em nosso mundo. Já no 
mar de elétrons com energia negativa, sobraria um lugar vago, um buraco. Pode-se mostrar 
que num mar de elétrons com energia negativa, um buraco se comporta como uma partícula 
de massa positiva (igual a do elétron), e com carga oposta à do elétron. Este buraco é então 
visto em nosso mundo como uma partícula similar ao elétron, mas com carga oposta e é 
chamado de pósitron ou antielétron. Do ponto de vista observacional,o fenômeno é visto 
como a criação de um par partícula-antipartícula por um fóton de alta energia, e daí o nome 
criação de pares. 
 A validade dessas suposições de Dirac foi confirmada experimentalmente alguns 
anos mais tarde, quando em 1932 Anderson descobriu o pósitron em traços deixados por 
essas partículas em fotografias tiradas com câmaras de Wilson (câmara de bolhas). Nessa 
câmara, há um campo magnético aplicado na direção perpendicular ao plano da fotografia, 
de modo que o pósitron e o elétron, tendo cargas opostas, fazem um movimento espiralado 
 19 
em direções opostas. As espirais têm raio decrescente devido à perda de velocidades das 
partículas, por colisões com outros elétrons no material. É interessante notar que no mesmo 
ano em que Anderson publicou suas observações (1933), dois outros artigos foram também 
publicados, confirmando as observações de Anderson e a origem dessas partículas. 
 Em 1955, foi descoberto o antipróton e em 1956 o antinêutron. 
 
 
Méson 
 
 Em 1935, o físico japonês Yukawa propôs uma teoria para explicar a interconversão 
de nêutrons e prótons, propondo a existência de uma nova partícula. Yukawa deduziu 
matematicamente as características dessa nova partícula, concluindo que ela teria uma 
massa intermediária entre a massa do próton e a massa do elétron, daí o nome méson. Um 
próton recebendo um méson π- (píon) se transforma em um nêutron e um nêutron recebendo 
um méson π+ se transforma em um próton. 
 
próton + méson π- → nêutron 
nêutron + méson π+ → próton 
 
 Essas conversões ocorreriam milhões de vezes por segundo assegurando a 
estabilidade do núcleo. 
Em 1937 Carl Anderson, estudando raios cósmicos, observou pela primeira vez uma 
partícula com características bastante singulares: um grande poder de penetração e uma 
massa muito maior que a do elétron, mas cerca de 5 vezes menor que a do próton. 
A partícula observada por Anderson produzia uma ionização baixa, o que, além da 
massa muito maior, descartava a hipótese de ser um elétron. Logo foi identificada 
(erroneamente) com a partícula de Yukawa, responsável pelas interações entre os núcleons. 
Essa partícula foi chamada de méson µ ou múon. O méson µ pode ter carga positiva ou 
negativa. 
 Em 1947, um grupo de cientista observaram na radiação cósmica a existência de 
duas partículas de massa em torno de 200 MeV, sendo a mais leve originada do decaimento 
da mais pesada. A mais pesada foi chamada de píon e a mais leve de múon, sendo 
identificando o píon (méson π) como a verdadeira partícula de Yukawa. O méson π pode ter 
carga positiva, negativa ou neutra. 
 Em 1948, o brasileiro César Lattes detectou pela primeira vez o méson π em 
laboratório, utilizando o ciclotron da Universidade da Califórnia. 
 
Quarks 
 
No início dos anos 50 os aceleradores substituíram os raios cósmicos como fonte 
primária de partículas energéticas. Apesar das energias menores, as vantagens eram claras: 
controle total do fluxo, energia, tipo de feixe, repetitividade de uma reação. 
O princípio básico dos aceleradores é a combinação de um mecanismo para a 
aceleração - as cavidades ressonantes (campos elétricos oscilando em radiofreqüência) - 
com um mecanismo de manutenção das partículas em uma órbita definida - os campos 
magnéticos de dipolo e quadrupolo. A ação dos campos magnéticos focaliza o feixe ao 
mesmo tempo que o mantém na trajetória desejada. Ela deve estar em perfeita sincronia 
com o mecanismo de aceleração. 
Há dois tipos básicos de experimentos: os anéis de colisão e os com alvo fixo. O feixe 
pode ser feito de prótons ou antiprótons, elétrons, píons, káons, nêutrons ou antinêutrons, 
neutrinos e fótons. Nos anéis de colisão dois feixes são forçados a colidir em determinado(s) 
ponto(s). O detector envolve a zona de interação, uma vez que as partículas originadas da 
interação são produzidas em todas as direções. Já nos experimentos com alvo fixo o 
 20 
detector é montado logo após o alvo, pois nesse caso as partículas são produzidas num 
cone cujo ângulo de abertura é tanto menor quanto maior for a energia do feixe. 
Em geral os detectores são modulares: há um componente (em geral câmaras de fios, 
preenchidas com gás) usadas para determinar trajetórias de partículas carregadas, 
magneto(s) para medir os momenta, detectores de radiação para identificação de partículas, 
calorímetros para determinar a energia de partículas neutras, detectores de silício 
(microtiras, pixels) com alto poder de resolução espacial, usados para detectar o decaimento 
de partículas com pequena vida média. 
Segundo o modelo a quarks a multiplicidade de hádrons observada na natureza seria 
resultado da combinação de três tipos de quarks, q = u, d, s (e seus respectivos antiquarks, -
q). Os hádrons seriam formados por um par q -q (mésons) ou por um triplete qqq (bárions). 
Bombardeando prótons com pontas de prova suficientemente energéticas, foi possível 
demonstrar que estas partículas possuem uma estrutura interna, à semelhança do que 
ocorrera em 1911 com os experimentos de Rutherford. Uma série de experimentos foram 
realizados no acelerador linear de elétrons onde um fóton virtual com alta energia era 
trocado entre o elétron do feixe e um próton do núcleo alvo. Tendo alta energia, o que 
significa um comprimento de onda muito menor que o raio do próton, o fóton podia, pela 
primeira vez, testar a estrutura interna dessas partículas. 
Em linhas gerais, os experimentos consistiam em medir a seção de choque e-p em 
função de duas variáveis: a diferença entre as energias inicial e final do elétron, v, e o 
momento transferido, q2. 
Havia em 1969 duas idéias básicas a respeito das interações e-p a altas energias: a 
primeira era o modelo a pártons (hoje quarks), de Feynman, que postulava serem os 
hádrons feitos a partir de constituintes mais fundamentais, os pártons; a segunda, de J. 
Bjorken, previa que a altas energias a seção de choque e-p teria um comportamento 
simples, dependendo apenas da razão entre v e q2. A junção destas duas idéias forneceu o 
quadro das interações e-p que logo seria confirmado. 
Na interação com um fóton de comprimento de onda comparável ao raio do próton, 
este se comportaria como uma distribuição contínua de cargas. Mas à medida que a energia 
do fóton aumenta e seu comprimento de onda diminui, este passa a “enxergar” detalhes na 
estrutura interna do próton: em, vez de interagir com o próton como um todo, o fóton agora é 
capaz de interagir com os pártons, numa interação bem localizada. O intervalo de tempo da 
interação fóton-párton é agora muito pequeno comparado com o tempo necessário para que 
a informação sobre esta perturbação localizada se propagasse por todo o núcleon. Desta 
forma os outros pártons só percebem a interação com o fóton quando esta já acabou, não 
havendo tempo para que o próton se comporte como um corpo único. Com resultado, os 
pártons se comportam como se fossem partículas livres, o próton se comporta como uma 
coleção de pártons livres e a seção de choque passa a depender apenas da fração do 
momento do núcleon que é carregada pelo párton, x = q2/2Mv, onde M é a massa do próton. 
Esta era a chamada hipótese de scaling. A confirmação do scaling foi a primeira evidência 
concreta e irrefutável da existência dos quarks. 
Laboratórios no mundo todo passaram a estudar a estrutura dos núcleons usando, além de 
elétrons, feixes de múons e neutrinos. Descobriu-se então que os pártons eram objetos com 
carga fracionária e spin 1/2, exatamente como os quarks de Gell-Mann/Zweig. Como 
sempre, uma descoberta leva a novas perguntas: o que mantém os pártons unidos dentro de 
um núcleon? Outro mistério, relacionado a esta pergunta, era o fato de a soma dos momenta 
de todos os pártons correspondia a apenas metade do momento dos núcleons. Onde estava 
a outra metade? Não tardou para que estas perguntas fossem respondidas. A teoria das 
interações fortes, de que falaremos mais adiante, estabelece que as interações entre quarks 
é mediadapor partículas de spin 1 e massa zero, os glúons. 
 
 21 
CAPÍTULO 3 
PARTÍCULAS ELEMENTARES 
 
 
3.1 - GLOSSÁRIO 
 
Acelerador de partícula - Aparelho destinado a acelerar, mediante o uso de campos 
eletromagnéticos intensos, feixe de partículas atômicas ou subatômicas carregadas 
eletricamente, aumentando sua energia. 
 As partículas-projéteis (nêutron, alfa, próton ou íons maiores) são acelerados a 
altíssimas velocidades para poderem adquirir energia suficientemente grande para vencer as 
forças de repulsão do núcleo-alvo e penetra-lo. Os tipos principais de aceleradores de 
partículas são: o gerador de van de Graaf, o acelerador linear e o ciclotron de Lawrence. 
 O gerador de van de Graaf é uma máquina eletrostática, o acelerador é composto de 
cilindros ocos cujos comprimentos são proporcionais às velocidades adquiridas pelos íons e 
o ciclotron, composto de dois eletrodos ocos em forma de D que impulsionam a partícula-
projétil numa trajetória em espiral até o alvo. 
 
Antimatéria - Átomo ou matéria constituída pelas antipartículas do próton, do nêutron, do 
elétron, etc. Um átomo de antimatéria em contato com o seu análogo material levaria ao 
aniquilamento dos dois, com as transformações destes em neutrinos e radiação gama. 
 
Atividade nuclear - Número de partículas emitidas por uma amostra, por unidade de 
tempo. 
 
Bárion - Designação genérica de partículas elementares pesadas, sensíveis a interações 
fortes, e compostas de três quarks. O bárion mais leve e estável é o próton. O número de 
bárions se conserva nas interações entre partículas. 
 
Becquerel (Bq) - Unidade de medida de radioatividade definida como a atividade de um 
material radioativo no qual se produz uma desintegração nuclear por segundo. 
 
Beleza - Número quântico introduzido para caracterizar propriedades de certos tipos de 
partículas que contêm pelo menos um bottom. Por convenção, o bottom tem beleza –1. 
 
Bóson de gauge - Partícula elementar de spin inteiro mediadora das interações entre 
partículas, nas teorias de gauge. O fóton, os bósons W e Zo, o glúon e o gráviton são os 
bósons de gauge das interações eletromagnéticas, fracas, fortes e gravitacionais, 
respectivamente. 
 
Bottom - Quark com carga elétrica -1/3, spin 1/2, número bariônico 1/3 e com beleza –1. A 
primeira evidência experimental deste tipo de quark ocorreu em 1977. Símbolo b. 
 
Câmara de Wilson ou câmara de bolhas - Câmara de traço em que o elemento 
detector é um líquido superaquecido que se vaporiza ao longo da trajetória das partículas 
ionizantes que o atravessam. 
 
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Charm - Quark com carga elétrica 2/3, spin 1/2, número bariônico 1/3, e número quântico 
de charme + 1. Número quântico introduzido para caracterizar propriedades de partículas 
que contêm, pelo menos, um quark charme. 
 
Constante de Planck - Constante de proporcionalidade entre a energia de uma partícula 
e a freqüência da onda associada à partícula. É uma constante universal igual a 6,626 x 10-
34 joule vezes segundo. Símbolo h. 
 
Contador Geiger-Müller – Utilizado para detectar radioatividade baseado no poder 
ionizante das partículas radioativas. É constituído de um tubo cheio de gás argônio 
(geralmente utilizasse este gás), carregado negativamente, à baixa pressão que possui à 
frente uma janela de vidro muito fina por onde as radiações penetram, um eletrodo central, 
carregado positivamente. a partícula ao penetrar pela janela ioniza o gás que passa a 
conduzir corrente elétrica que é registrada num circuito externo. 
 
Cor - Número quântico associado ao grau de liberdade que têm os quarks e os glúons, e 
que, na cromodinâmica quântica, tem papel análogo ao da carga elétrica na eletrodinâmica. 
Cada sabor de quark existe em três cores distintas (verde, vermelho e azul), que 
representam propriedades adicionais desta partícula. 
 
Cromodinâmica - Teoria das interações fortes que explica as forças nucleares como 
resultantes das interações entre quarks e glúons. 
 
Curie - Unidade de medida de radioatividade, igual à atividade de uma amostra na qual o 
número de desintegrações por segundo é 3,700 x 1010. Símbolo Ci. 
 
Decaimento alfa - Diminuição da atividade de uma amostra de um radionuclídeo que 
com o correr do tempo emite partículas alfas. 
 
Decaimento beta - Diminuição da atividade de uma amostra de um radionuclídeo que 
com o correr do tempo emite partículas betas. 
 
Decaimento radioativo - Diminuição da atividade de uma amostra de um radionuclídeo 
com o correr do tempo. Desintegração de partícula instável em outras de menor massa. 
 
Deutério - Isótopo do hidrogênio, com número de massa 2, gasoso, incolor. Símbolo D. 
 
Down - Quark com carga elétrica -1/3, spin 1/2, número bariônico 1/3, e com a componente 
z do isospin -1/2. Símbolo d. 
 
Elemento transurânico - Aquele que tem número atômico maior que o do urânio. 
 
Elétron - Partícula elementar estável descoberta em 1897 pelo físico inglês J. J. Thomson 
(1856-1940), fundamental na constituição dos átomos e moléculas, com massa 0,510999 
MeV/c2 (equivalente a 9,109389 x 10 -31 kg), spin 1/2, e carga elétrica negativa e de 
magnitude igual a 1,602177 x 10 -19 C. Por ser portadora da menor quantidade de carga 
elétrica livre que se conhece, é freqüentemente usada como unidade de carga elétrica. O 
elétron não sofre interações fortes, pertence à família dos léptons, e tem como antipartícula 
o pósitron. Símbolo e ou e-. 
 23 
 
Elétron-volt - Unidade de medida de energia, igual à energia adquirida por um elétron 
quando é acelerado por uma diferença de potencial de um volt, que equivale a 1,602177 x 
10-19 J, e é largamente usada na física atômica, nuclear e de partículas elementares. 
Símbolo eV. 
Com base na relação de equivalência entre massa e energia (E=mc2, onde E = 
energia, m = massa, c = velocidade da luz) estabelecida por Einstein, massas podem ser 
expressas na unidade eV/c2, onde 1 e V/c2 = 1,782662 x 10 -36 kg. Freqüentemente a massa 
das partículas é expressa como a energia de repouso equivalente, em MeV. 
 
Estranheza - Na teoria das partículas elementares, número quântico introduzido para 
caracterizar o comportamento peculiar de certas partículas que contêm, pelo menos, um 
quark estranho. Por convenção, o quark estranho tem estranheza -1. 
 
Femtômetro - Unidade de medida de comprimento, usada em física nuclear igual a 10 -15 
m. Símbolo fm . 
 
Fermi – Idem femtômetro. 
 
Férmion - Partícula com spin semi-inteiro, e que obedece à estatística de Fermi-Dirac. 
 
Fóton - Partícula elementar associada ao campo eletromagnético, com massa nula, spin 1, 
carga elétrica nula, estável, e cuja energia é igual ao produto da constante de Planck pela 
freqüência do campo; quantum de luz. 
 
Geração - Num sistema em que estejam ocorrendo fissões nucleares, conjunto de 
nêutrons produzidos em um mesmo intervalo de tempo. 
 
Glúon - Bóson vetorial de massa nula, associado ao campo de cor na teoria da 
cromodinâmica quântica, mediador das interações fortes entre quarks, e responsável pela 
força de coesão que mantém os quarks unidos para formar hádrons. 
 
Gráviton – Partícula cuja existência é prevista na teoria quântica do campo gravitacional, e 
que deve ter massa em repouso igual a zero, carga elétrica nula e spin igual a dois. A 
detecção experimental desta partícula ainda não foi conseguida. 
 
Hádron - Designação genérica de partículas que sofrem interações fortes, e da qual se 
conhecem dois tipos: os bárions, formados por três quarks, e os mésons, formados por um 
quark e um antiquark. 
 
Híperon - Denominação genérica de bárions instáveis mais pesados que o próton, e que 
contêm pelo menos um quark estranho. São híperons as partículas lambda, sigma, csi e 
ômega-menos. 
 
Interação eletromagnética - Tipo de força de longo alcance que atua entre partículas 
ou corpos que têm carga elétrica, e é mediada por fótons. 
 
Interação forte - Tipo de força muito intensa, de alcance da ordem de 10-15 m, que atua 
entre quarks e glúons, e é responsável pela estabilidade dos núcleosatômicos. 
 
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Interação fraca - Tipo de força de curto alcance que atua nos quarks e léptons, mediada 
pelos bósons W e Z-zero, responsável pelo decaimento de muitas partículas elementares, 
tais como o nêutron, o múon e o káon, e pela desintegração radioativa de núcleos atômicos. 
 
Interação gravitacional - Tipo de força de longo alcance, que atua sobre os corpos 
com massa ou energia, e que gera uma atração mútua entre eles. 
 
Isospin – Ver spin isotópico. 
 
Káon - Designação genérica de mésons de massa aproximadamente igual à metade da 
massa do próton e que contêm um quark ou um antiquark estranho. Símbolo K. 
 
Káon-curto - Káon neutro com vida média de 0,89 x 1010 s, e que pode ser representado 
como um sistema káon-zero mais antikáon-zero. Símbolo Ks0. 
 
Káon-longo - Káon neutro com vida média de 5,17 x 108 s, e que pode ser representado 
como um sistema káon-zero menos antikáon-zero. Símbolo KL0. 
 
Káon-mais - Méson de massa 493,67 MeV/c2, isospin 1/2, spin zero, paridade negativa, 
carga elétrica igual à do próton, e estranheza +1, composto de um quark u e de um antiquark 
s. Símbolo K+. 
 
Káon-menos - Antipartícula do káon-mais. Símbolo K -. 
 
Káon-zero - Méson de massa 497,67 MeV/c2, isospin 1/2, spin zero, paridade negativa, 
carga elétrica nula, e estranheza +1, composto de um quark d e de um antiquark. Símbolo 
K0. 
 
Lépton - Férmion que não sofre interação forte e interage com outras partículas através de 
interações fracas, eletromagnéticas ou gravitacionais. São léptons: o elétron, o múon, o tau, 
e os neutrinos associados a cada uma dessas partículas. O número de léptons se conserva 
nas interações entre partículas. Para cada lépton existe uma antipartícula equivalente. 
 
Massa relativista – É a massa de uma partícula calculada em função da sua velocidade. 
Para pequenas velocidades a diferença entre a massa em repouso e a massa relativista é 
desprezível, porém para grandes velocidades a diferença torna-se considerável. 
 O físico holandês Lorentz estabeleceu a seguinte fórmula para o cálculo da massa 
relativista: 
m =
m
1 - v
c
 2
 2
o
 
 
 onde m = massa relativista, mo = massa em repouso, v = velocidade da partícula e c = 
velocidade da luz. 
 Sabendo-se que a massa do elétron em repouso é 9,10953 . 10-28 g, calcule a sua 
massa relativista a 100.000 Km/s e a 290.000 Km/s. 
 
 25 
m =
9,10953
1 - (1 . 10
5
 . 10
 )
 - 28
 2
(3 . 10 5 ) 2
V = 100.000 Km/s m = 9,662 . 10 - 28 g...
m =
9,10953
1 - (2,9 . 10
 5
 . 10
 )
 - 28
 2
(3 . 10 5 ) 2
V = 290.000 Km/s m = 35,578 . 10 - 28g...
 
 
Megaton - Unidade de medida empregada para avaliar a energia que se desprende numa 
explosão nuclear, e equivalente à energia libertada na explosão de um milhão de toneladas 
de trinitrotolueno, ou, aproximadamente, a 1015 calorias. 
 
Méson - Designação genérica de partículas elementares de spin nulo ou inteiro, 
constituídas por um par quark-antiquark. O méson mais leve é o píon. 
 
Méson µµµµ ou múon - Partícula elementar da família dos léptons, com propriedades 
semelhantes às do elétron, mas com massa 207 vezes maior. Abundante nos raios 
cósmicos que atingem a superfície da Terra, esta partícula é instável e decai num elétron 
mais um neutrino e um antineutrino. Existe em dois estados de carga elétrica, o múon-mais 
e o múon-menos. 
 Múon-mais - Antipartícula do múon-menos. Símbolo µ+. 
 Múon menos - Lépton de massa 105,66 MeV/c2, spin 1/2, carga elétrica igual à do 
elétron e número leptônico + 1. Símbolo µ -. 
 
Méson ππππ ou píon - Designação genérica de méson com massa da ordem de 140 MeV/c2, 
isospin 1, spin nulo, paridade negativa, com três estados de carga elétrica. Foi descoberto 
em 1947 por Lattes, Occhialini e Powell, em emulsões fotográficas especiais expostas a 
raios cósmicos. Símbolo p. 
 
Momentum (momento) - Produto da massa pela velocidade de um corpo; impulso, 
quantidade de movimento. 
 
Neutrino - Partícula elementar da família dos léptons, de massa nula ou muito pequena, 
carga elétrica nula, spin 1/2, formada em diversos processos de desintegração beta, e na 
desintegração dos mésons K. Símbolo νννν. 
Há três tipos de neutrino, associados respectivamente ao elétron, ao múon e ao tau. A 
cada neutrino corresponde um antineutrino. Os neutrinos sofrem, apenas, interações fracas 
e gravitacionais. Evidências experimentais recentes parecem indicar que os neutrinos se 
podem transformar de um tipo em outro à medida que se deslocam; essas oscilações são 
previstas em teorias que supõem uma diferença de massa entre os tipos de neutrino. 
 
Neutrino eletrônico ou neutrino do elétron - Neutrino associado ao elétron, e de 
número eletrônico +1. Símbolo νννν e. 
 
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Neutrino muônico ou neutrino do múon - Neutrino associado ao múon-menos, e de 
número muônico +1. Símbolo νννν µ. 
 
Neutrino tauônico ou neutrino do tau - Neutrino associado ao tau, e de número 
tauônico +1, ainda não detectado experimentalmente. Símbolo νννν ττττ. 
 
Nêutron - Bárion de massa 939,56MeV/c2, isospin 1/2, spin 1/2, paridade positiva, carga 
elétrica nula, número bariônico unitário, composto de quarks u, d e d. Juntamente com o 
próton, é um dos constituintes dos núcleos atômicos. Símbolo n. 
 
Núcleon - Designação genérica das partículas que constituem o núcleo atômico, isto é, o 
próton e o nêutron. 
 
Nuclídeos - Átomo caracterizado por um número de massa e um número atômico 
determinados, e que tem vida média suficientemente longa para permitir a sua identificação 
com um elemento químico. 
 
Número bariônico - Número associado às partículas elementares, e que tem 
propriedades conservativas nas transformações dessas partículas; número igual a um para 
os bárions, a zero para os léptons e bósons, e a menos um para os antibárions. 
 O número bariônico é a diferença entre o número de bárions (partículas compostas 
por três quarks) e de anti-bárions (compostas por três anti-quarks). 
 
Número leptônico – Número quântico associado aos léptons e que é igual à soma dos 
números eletrônico, muônico e tauônico. Elétrons, múons-menos, taus e neutrinos têm 
número leptônico +1; pósitrons, múons-mais, taus-mais e antineutrinos têm número leptônico 
-1; e hádrons têm número leptônico nulo. O número leptônico bem como os números 
eletrônico, muônico e tauônico se conservam nas interações entre partículas. 
 O número leptônico de uma partícula é a diferença entre o número de léptons 
(elétron, múon, tau e respectivos neutrinos) e o número de anti-léptons (pósitron, anti-múon, 
anti-tau e seus anti-neutrinos). 
 
Número muônico - Número leptônico associado ao múon e ao neutrino do múon, igual a 
+1 para essas partículas, -1 para suas antipartículas e zero para os demais léptons. 
 
Número quântico – Qualquer dos números necessários para caracterizar o estado de um 
sistema quantificado, e que permite identificar univocamente a função de onda associada ao 
estado. 
 
Número tauônico – Número leptônico associado ao tau e ao neutrino do tau e igual a +1 
para essas partículas, -1 para suas antipartículas e zero para os demais léptons. 
 
Paridade - Propriedade duma função de onda, característica do seu comportamento na 
troca de sinal das coordenadas espaciais que envolve. 
 
Partícula alfa - Núcleo de hélio emitido em um processo radioativo ou acelerado 
convenientemente. 
 
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Partícula beta - Elétron ou pósitron emitido num processo de desintegração nuclear, e 
possuidor de energia cinética. 
 
Partícula elementar – Partícula que se supõe fazer parte do conjunto de constituintes 
fundamentais da matéria. As partículas elementares são caracterizadas por um conjunto de 
números quânticos: massa, isospin, spin, paridade, carga elétrica, número leptônico, número 
bariônico, estranheza, charme, beleza e top. Incluem-se nesta classe os léptons, os mésons, 
os bárions, o fóton, os bósons W e Z e as respectivas antipartículas. 
 
Partícula estranha – Partícula elementar em que a estranheza não é nula. 
 
Partícula W - Bóson de massa80,22 GeV/c2, spin 1, com estados de carga elétrica igual à 
do próton ou à do elétron. É mediador das interações fracas, descoberto em 1983. 
Representa-se por W + ou W -, conforme a carga elétrica. 
 
Partícula Z - Bóson de massa 91 GeV/c2. 
 
Párton - Partícula subnuclear, postulada na cromodinâmica quântica como constituinte de 
núcleons para explicar o comportamento destes em colisões com elétrons a altíssimas 
energias, e atualmente identificada com os quarks. 
 
Pósitron - Antipartícula do elétron, a qual tem massa e spin iguais aos do elétron, mas 
carga elétrica igual, e de sinal contrário. 
 
Próton - Partícula elementar estável de massa 938,27MeV/c2 (equivalente a 1,672623 x 
10-27 kg), isospin 1/2, spin 1/2, paridade positiva, carga elétrica positiva e igual à do elétron 
em magnitude, número bariônico +1, composto de dois quarks u e de um quark d; forma o 
núcleo do átomo de hidrogênio e, juntamente com o nêutron, é um dos constituintes de 
todos os núcleos atômicos. Símbolo p. 
 
Quantum (quanta) - Quantidade indivisível de energia eletromagnética que, para uma 
radiação de freqüência f, é igual ao produto h x f, onde h é a constante de Planck. 
 
Quark - Partícula subatômica de carga elétrica fracionária (2/3 da carga do próton ou 1/3 da 
carga do elétron) e de spin + 1/2, considerada como um dos constituintes fundamentais da 
matéria. Supõem-se seis sabores de quarks: up, down, estranho, charme, bottom e top (u, d, 
s, c, b, t), de cujas combinações resultam os bárions, formados por três quarks, e os mésons 
formados por um quark e um antiquark. Devido ao confinamento, os quarks não podem ser 
observados como partículas isoladas. Cada tipo de quark existe em três cores distintas, que 
representam propriedades adicionais desta partícula com respeito às interações fortes. 
 Quark leve - Denominação comum aos quarks u, d e s. 
 Quark pesado - Denominação comum aos quarks c, b e t, cuja massa é superior à do 
próton. 
 
Radionuclídeo – Nuclídeo radioativo. 
 
Raios alfa - Radiação constituída por partículas alfa. 
 
Raios beta - Radiação constituída por partículas beta. 
 28 
 
Raios canais - Radiação constituída por íons positivos acelerados por um campo elétrico, 
e que se forma numa descarga elétrica em gases rarefeitos. 
 
Raios cósmicos - Conjunto formado por partículas de grande energia, de origem 
extraterrestre, e pela radiação corpuscular ou eletromagnética que elas provocam ao 
interagir com a atmosfera da Terra. 
 
Raios gama - Radiação eletromagnética, de pequeno comprimento de onda, emitida num 
processo de transição nuclear ou de aniquilação de partículas. 
 
Ressonância - Partícula elementar, de vida muito curta, e que, aparentemente, é um 
sistema transitório que se forma em interações de outras partículas. 
 
Röentgen (rem) - Unidade de medida de exposição a uma radiação eletromagnética igual 
à quantidade de raios X ou raios gama, em que a emissão corpuscular que lhe é associada 
liberta, em 0,001293g de ar seco, uma unidade eletrostática de carga elétrica positiva. É 
equivalente a 2,58003 x 10-4 C/kg. Símbolo R. 
 
Sabor - Número quântico correspondente à propriedade que tem cada tipo de quark. 
Supõem-se seis variedades de sabores, associados aos seis diferentes tipos de quarks: u, d, 
s, c, b e t. 
 
Spin - Número quântico associado a uma partícula, e que lhe mede o momento angular 
intrínseco. De acordo com as regras da mecânica quântica, o spin pode tomar apenas certos 
valores especiais, iguais a um número inteiro, ou a um número semi-inteiro, multiplicado pela 
constante de Planck reduzida. 
 
Spin isobárico - Número quântico associado a um núcleon, ou a um núcleo, e que mede 
o momento angular total próprio da partícula em unidades iguais à constante de Planck 
reduzida. 
 
Spin isotópico - Número quântico associado aos hádrons para distinguir entre membros 
de um conjunto de partículas de massa muito próxima que diferem nas suas propriedades 
eletromagnéticas (carga elétrica), mas que têm propriedades idênticas com relação às 
interações fortes. 
 
Strange - Diz-se de quark com carga elétrica -1/3, spin 1/2, número bariônico 1/3 e 
estranheza –1. Símbolo s. 
 
Tau - Lépton descoberto em 1975, de massa 1777,1 MeV/c2, spin 1/2, carga elétrica igual à 
do elétron e número leptônico +1. Símbolo ττττ. 
 
Top - Quark com carga elétrica +2/3, spin 1/2, número bariônico 1/3 e top +1. Esse tipo de 
quark, previsto na cromodinâmica quântica, foi descoberto em 1995. Símbolo t. 
 
Trítio, trício ou tritério - Isótopo do hidrogênio, de número de massa 3, gasoso, 
radioativo. Símbolo T. 
 
 29 
Up - Tipo de quark de carga elétrica +2/3, spin 1/2, número bariônico 1/3 e com a 
componente z do isospin +1/2. Símbolo u. 
 
3.2 – ressonâncias 
 
Com o uso dos aceleradores uma nova classe de partículas foi encontrada: as 
ressonâncias. Ressonâncias são partículas com vida média extremamente curta, na escala 
de tempo do princípio de incerteza: 10-23s. Decaem por interação forte em partículas 
estáveis (o píon, apesar de uma vida média de 10-8s, é considerado uma partícula estável). 
Apesar de uma vida tão efêmera, as ressonâncias são consideradas partículas como 
outras quaisquer, com números quânticos bem definidos. No entanto, ao contrário de outras 
partículas estáveis, uma ressonância não tem uma massa bem definida, mas sim uma 
distribuição que é representada por uma função Breit-Wigner: 
 
f (m) =
( m
1
 - m ) + ( m I ) 2
 o
22
 o
-
o
2
 
 
Na expressão acima m0 é chamado valor nominal da massa, que é o valor de m para 
o qual a função f(m) é máxima; I-0 é a metade da largura na metade da altura de f(m = m0). 
Uma ressonância fica, assim, caracterizada por estes dois parâmetros, m0 e I
-
0. 
Em poucos anos a análise da seção de choque de espalhamentos de diversos tipos 
revelou a existência de mais de cem ressonâncias. Podemos nesse ponto introduzir uma 
nova classificação das partículas segundo as interações que possuem: hádrons são as 
partículas que possuem os 4 tipos de interação; e léptons, que são as partículas que não 
interagem fortemente. As ressonâncias, portanto, pertencem à família do hádrons, assim 
como as partículas estáveis - píons, káons núcleons e híperons. As partículas mais pesadas 
que o próton recebem a denominação de bárions, enquanto que as mais leves são 
chamadas mésons. Há uma classe de ressonâncias que têm sempre um bárion entre os 
produtos do seu decaimento. São as ressonâncias bariônicas, que têm spin semi-inteiro; as 
demais são as ressonâncias mesônicas, que decaem em píons e káons, majoritariamente, 
tendo spin inteiro. 
 
3.3 – Modelo de Quarks 
 
Uma variedade tão grande de hádrons sugeria uma estrutura subjacente mais 
fundamental. Durante os anos 60 houve várias tentativas de encontrar uma ordem no 
aparente caos. A mais bem sucedida foi o modelo a quarks, formulado independentemente 
por Gell-Mann e Zweig. Segundo o modelo a quarks a multiplicidade de hádrons observada 
na natureza seria resultado da combinação de três tipos de quarks, q = u, d, s (e seus 
respectivos antiquarks, ¯ q). Os hádrons seriam formados por um par q ¯ q (mésons) ou por 
um triplete qqq (bárions). Com spin 1/2, os quarks de Gell-Mann e Zweig possuíam uma 
propriedade insólita: carga elétrica fracionária (-1/3 da carga do elétron ou +2/3 da carga 
elétrica do próton). A cada quark foram atribuídos números quânticos, isospin, paridade, 
conjugação de carga e estranheza. Os hádrons foram agrupados em famílias em que todos 
os membros têm em comum os mesmos números quânticos de spin e paridade. 
Deve-se ressaltar o tremendo sucesso do modelo a quarks na classificação dos 
hádrons. O modelo previa um estado que ainda não havia sido observado, o Ω-. Um ano 
após sua previsão, este estado foi observado em colisões, reforçando a idéia de que algo de 
verdadeiramente fundamental havia no modelo a quarks. No entanto, a realidade física dos 
quarks só viria a ser estabelecida no final da década de 60 e início da década de 70, com os 
experimentos