Aula 1 2 - Estrutura da Matéria

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Resumo da Malu – 2020.1 
Estrutura da Matéria 
Estrutura da Matéria 
• Primeiros Registros: 
- Filósofos gregos (séc. 6 a.C.) 
- Consideravam que toda a matéria era composta por 4 
elementos 
• Atualmente: 
- Teoria Padrão: Toda matéria é composta por 12 
partículas 
 6 quarks – constituem os núcleons → partículas que 
constituem o núcleo atômico (prótons e nêutrons) 
 6 léptons – são elétrons e neutrinos (são partículas 
fundamentais) 
 
Neutrino 
→ Características: 
• Ausência de carga elétrica 
• Massa 1000x menor que o elétron 
• Tipos de neutrinos: 
Tipo Partícula Massa Spin 
Ve Elétron 2,8 eV ½ 
V𝛍 Múon 170 keV ½ 
VT Tau 18,2 MeV ½ 
» 1 eV (elétron-volt) = 1,6 x 10-19 J 
» 1 keV = 1000 eV 
» 1 MeV = 1000 000 eV 
 
• Possui pouca interação com a matéria → logo, não 
causa danos à matéria 
• Origem: 
- Núcleos instáveis – aqueles que emitem radiação 𝛽 
(positiva ou negativa) 
- Sol 
- Big-Bang (origem do universo) 
- Reatores nucleares – algumas reações nucleares 
emitem neutrinos 
- Terra 
- Raios cósmicos 
• Possui antipartícula (antineutrino) – É uma forma de 
matéria que ao interagir com uma partícula sofre 
aniquilamento 
• Possui difícil detecção 
Elétron 
→ Características: 
• Carga elétrica = 1,6 x 10-19 C (coulomb) 
• Massa = 9,11 x 10-31 Kg 
• Possui antipartícula (pósitron) – É um elétron positivo 
emitido por alguns núcleos instáveis 
Ex: 18F 
Quarks 
→ Características: 
• Andam em pares/duplas 
• Existem 3 pares: 
- up/down – constituem os prótons e nêutrons 
- charm/strange 
- top/botton 
 
Tipo Antipartícula Carga (e) 
Up Anti-up 2/3 
Down Anti-down -1/3 
Charm Anti-charm 2/3 
Strange Anti-strange -1/3 
Top Anti-top 2/3 
Bottom Anti-bottom -1/3 
 
• Constituição: 
- Próton – 2 quarks up + 1 quark down 
- Nêutron – 2 quarks down + 1 quark up 
 
 
• Transformação de um nêutron em próton: 
- Ocorre em um núcleo possui excesso de nêutrons 
- Ele irá emitir uma partícula 𝛽 negativa (elétron 
negativo = e-) + anti-neutrino de elétron (-Ve) 
 
 Resumo da Malu – 2020.1 
• Transformação de um próton em nêutron: 
- Se núcleos instáveis possuem excesso de 
prótons, algum dos prótons podem se transformar 
em nêutrons 
- Quando isso ocorre, há emissão de um elétron 
positivo (pósitron = e+) + neutrino de elétron (Ve) 
 
 
 
→ Comparação entre partículas elementares e estruturas 
microscópicas e macroscópicas: 
 
 
 
 
 
Estrutura Atômica 
• Raio Atômico: 10-8 cm 
• Raio do núcleo atômico: 10-13 cm = 1 fermi 
 
→ Modelo Atômico de Bohr: 
• Camadas Eletrônicas ou Níveis de energia: 
- Os elétrons estão distribuídos de forma organizada 
em diferentes camadas de energia presentes em 
torno do núcleo 
- K, L, M, N, O, P, Q – número quântico principal (n) 
 K – n=1 
 L – n=2 
 M – n=3 
 N – n=4 
 O – n=5 
 P – n=6 
 Q – n=7 
 
• Subníveis ou Orbitais: 
- É a subdivisão dos níveis de energia 
- s, p, d e f – número quântico azimutal (l) 
 s – l=0 
 p – l=1 
 d – l=2 
 f – l=3 
 
• Orientação dos elétrons em um campo magnético: 
- número quântico magnético (m) 
 m = -l, -(l-1), ... , (l-1), l 
 
• Nº máximo de elétrons em um nível de energia: 2n2 
 
→ Subpartículas atômicas e propriedades: 
• Características das subpartículas atômicas: 
Partícula Carga Massa (uma) Massa (kg) Massa (MeV) 
Elétron -1 0,000549 9,108x10-31 0,511 
Próton +1 1,00728 1,672x10-27 938,78 
Nêutron 0 1,00867 1,674x10-27 939,07 
 
→ Organização do Núcleo: 
• Núcleo esférico 
• Núcleons arranjados em níveis de energia no núcleo 
• Núcleos podem estar: 
- Estáveis – núcleons em níveis de energia estáveis 
- Instáveis – núcleons arranjados em níveis de 
energia não estáveis 
 Leva à instabilidade nuclear, fazendo com que 
esse núcleo se comporte como um elemento 
radioativo (chamado radionuclídeo) 
 
• Força Nuclear: 
- Responsável pela manutenção da estrutura atômica 
- Mantem os prótons e nêutrons no interior do núcleo 
- Atua em pequenas distancias (≈ 10-13 cm – diâmetro 
do núcleo) 
- Atua em altas densidades (≈ 1014 g/cm3 – densidade 
do núcleo) 
 
• Emissão de partículas α e β: 
- Fenômeno semelhante à evaporação → Passagem 
de uma molécula da fase liquida para a gasosa 
Conceitos Importantes 
• Nuclídeo – Conjunto de átomos que possuem número 
atômico (Z), número de massa (A) e níveis de energia 
nuclear idênticos 
Quark 
(10-18m) 
Próton 
(10-16m) 
Núcleo 
(10-15m) 
Átomo 
(10-10m) 
Terra 
(107m) 
Homem 
(1,8m) 
Célula 
(10-5m) 
DNA 
(2x10-9m) 
l = n-1 
 Resumo da Malu – 2020.1 
• Isótopos – átomos de mesmo número de prótons 
• Isóbaros – átomos de mesmo número de massa 
• Isótonos – átomos de mesmo número de nêutrons 
• Forças Intranucleares: 
- Força Gravitacional – Força de interação entre massa 
ou corpos. Possui ação a distancia 
- Força Eletrostática – Força de repulsão entre prótons 
e de atração dos elétrons ao núcleo 
- Força Nuclear – Força responsável pela manutenção da 
estrutura atômica 
o Mantem a coesão celular 
o Vence a força eletrostática 
• Estabilidade nuclear: 
- Átomos leves são estáveis quando o número de massa 
é 2x o número atômico (A = 2.Z) 
- Átomos pesados são estáveis quando possuem o número 
de massa 2x maior que o número atômico (A > 2.Z) 
• Instabilidade nuclear: 
- Núcleos instáveis emitem radiação para chegar à 
estabilidade 
- Processos para alcançar estabilidade: 
o Emissão de partícula 𝛼 
o Emissão de partícula 𝛽 
o Emissão de radiação eletromagnética de alta 
energia (Radiação 𝛾) 
o Captura eletrônica 
o Conversão interna 
→ Isótopos naturais: 
 
Tipos de Energia 
→ Formas de energia: 
• Energia potencial gravitacional – Energia que o 
corpo possui devido a atração gravitacional da Terra 
• Energia potencial elástica – Energia relacionada à 
elasticidade e deformação de corpos flexíveis 
• Energia cinética – Energia determinada em função da 
massa do corpo em movimento 
• Energia eletromagnética – Energia proveniente da 
radiação eletromagnética 
- Pode ser composta de fótons (partículas sem massa 
ou carga elétrica) ou ondas 
- Equação de Planck: 
 
 
→ Unidades de energia: 
• Joule (J) 
• Elétron-Volt (eV) 
 
→ Equivalência entre massa e energia: 
• Equação de Einstein: 
 
 
• Para o elétron: 
- m = 0,9 x 10-30 kg 
- E = 0,511 MeV 
 
→ Níveis de energia dos elétrons: 
• É a energia de ligação dos elétrons que os mantem 
naquele nível de energia 
 
 
• Energia média para ionização = 13,6 eV 
- Energia que mantem o elétron em torno do núcleo 
• Para um elétron ser retirado do seu nível de energia 
ele precisa ganhar energia através de uma fonte 
externa 
- Pode ser por interação com um fóton de radiação 
incidente ou por interação com uma partícula 
incidente (alfa, beta, gama) 
- Após ganhar energia ele fica instável em seu nível 
de energia, indo para um nível de energia superior 
- Caso receba muita energia, ele pode ir para um nível 
de energia tão superior, que pode-se dizer que ele 
não está pertencendo à eletrosfera desse átomo → 
chamado Processo de ionização 
• Radiações Ionizantes – Aquelas que possuem energia 
suficiente para efetuar o processo de ionização 
- Radiações alfa e beta (radiações corpusculares) – 
compostas por partículas com massa e carga 
- Radiações X e gama (radiações eletromagnéticas) – 
compostas por fótons, se comportam como ondas e 
possuem energia o suficiente para retirar um 
elétron de um átomo que compõe a matéria vida 
• Essas radiações ionizantes possuem energia média 
para ionização superior à 13,6 eV 
E = h . f • Constante de Planck: 
 h = 4,41 x 10-10 keV.s 
E = m . c2 • Velocidade da luz no vácuo: 
 c = 3x108 m/s 
E = - 
13,6
𝑛2
 • n = nº quântico principal 
 Resumo da Malu – 2020.1 
• Radiações Não-ionizantes – Aquelas que não possuem 
energia média para ionização superior à 13,6 eV 
- Radiações Eletromagnéticas:ultravioleta, visível, 
infravermelha, radiofrequência e microondas 
• Radiobiologia – Descreve os efeitos biológicos das 
radiações ionizantes 
• Fotobiologia – Descreve os efeitos biológicos das 
radiações não-ionizantes 
• Para átomos pesados (níveis mais internos): 
 
 
 
→ Energia dos elétrons: 
• O elétron ao sofrer energia da radiação, pode ser 
retirado do seu nível de energia deixando uma 
vacância na camada 
• Essa vacância provoca instabilidade na eletrosfera 
• O elétron da camada superior vai então ocupar esse 
espaço, e isso pode ocorrer de 2 formas: 
1. Raio Característico X → ele precisa se desfazer 
de parte da sua energia doando/emitindo essa 
energia na forma de um fóton de raio X (raio X 
característico) 
 
2. Elétron Auger → O elétron pode doar o excesso 
de energia para outro elétron da sua mesma 
camada, emitindo um elétron auger 
 
 
→ Energia de ligação dos elétrons: 
• A energia de ligação depende da quantidade de 
prótons presentes no núcleo 
- ↑ nº prótons = ↑ energia de ligação 
- + externa a camada = ↓ energia de ligação 
• Para ionizar determinado elemento ele precisa 
receber energia de uma energia de ligação 
ligeiramente maior que a sua própria 
 
 
→ Energia de ligação dos núcleons: 
• A integridade nuclear não depende apenas da força 
nuclear, mas também da energia de ligação dos 
núcleons 
• Quando os prótons e nêutrons estão juntos, parte da 
sua massa é convertida em energia para manter a 
integridade do núcleo 
• Essa diferença de massa é convertida em uma forma de 
energia, chamada de energia de ligação dos núcleons 
• Quando o núcleo sofre fissão, essa deficiência de massa 
é liberada, liberando energia 
• Quando ocorre a fusão, parte dessa energia é liberada 
 
 
- ∆m – deficiência de massa ou energia de ligação dos 
núcleons 
- Zmp + Nmn + Zme – soma das massas dos núcleons 
- Mnúcleo – massa do núcleo 
 
 
Unidades de energia 
• Joule (J) 
• erg 
• Caloria (cal) 
• Elétron-volt (eV) 
Relação entre energia e massa 
 
 
E = Z2 x 13,6 eV 
E = ∆m = (Zmp + Nmn + Zme) - Mnúcleo 
E = m . c2 
- m: massa da partícula 
- c: velocidade da luz no vácuo 
 
 Resumo da Malu – 2020.1 
→ Equivalência de unidades de energia: 
 
Aspectos Ondulatórios das Radiações 
→ Velocidade da luz no vácuo (c): 
• c = 2,997925 x 108 m/s 
 
→ Grandezas que caracterizam uma onda: 
• Frequência (f): 
- Unidade – hertz (Hz) 
• Período (T): Tempo necessário para uma oscilação 
completa ou para que o fenômeno se repita 
- Unidade – segundo (s) 
• Comprimento de onda (λ): 
- Unidade oficial (SI) – metro (m) 
- Unidade usual – nanômetro (nm) 
 1nm = 1 x 10-9m 
→ Relação entre frequência, período e comprimento de 
onda: 
 
 
→ Representação espacial dos campos magnético e 
eletromagnético de uma onda eletromagnética: 
• Onda eletromagnética: 
- Composta por 2 campos que oscilam no tempo e no 
espaço ao longo do deslocamento 
1. Campo elétrico (→) 
2. Campo magnético (→) 
- Se propaga no vácuo (na ausência de meio material) 
• Indução Magnética – A oscilação do campo elétrico 
gera um campo magnético 
• Indução Elétrica – A oscilação do campo magnético 
gerando um campo elétrico 
 
 
Aspectos Corpusculares da Radiação 
→ Dualidade onda-partícula: 
 
 
- h: constante de Planck (h = 6,6265 x 10-34 J.s) 
- f: frequência da radiação 
 
• Relação entre energia e frequência: 
- ↓ comprimento de onda = ↑ frequência 
- ↓ comprimento de onda = ↑ energia do fóton 
- Sabendo que: 
 
 
→ Características de uma onda: 
 
 
Espectro Eletromagnético 
 
 
 
→ Tipos de Radiação: 
• Policromática: 
- Composta por fótons de diferentes energias 
- Composta por ondas com diferentes frequências ou 
comprimentos de onda 
• Monocromática: 
- Composta por fótons de mesma energia 
- Composta por ondas de mesma frequência ou 
comprimento de onda 
 
→ Representação do espectro eletromagnético: 
• Espectro visível – compreende uma pequena parte do 
espectro eletromagnético 
• Infravermelho – radiação de frequência menor que o 
vermelho 
• Ultravioleta – radiação de frequência maior que a 
violeta 
 
λ = c . T = 
𝑐
𝑓
 • Velocidade da luz no vácuo: 
 c = 3x108 m/s 
E = h . f Energia de um fóton 
f = 
𝑐
λ
 E = 
1240
λ
 
Fótons de 
diferentes 
energias 
Diferentes 
propriedades 
físicas 
Diferentes 
efeitos químicos 
e biológicos 
- RF: radiofrequência 
- MO: microondas 
- IV: infravermelho