Quando abordamos os modelos atômicos, muitos alunos perguntaram a respeito das outras partículas dos átomos.

Para isso, tivemos que recorrer aos conhecimentos da Física Quântica e a disciplina de Física, provando assim a intimidade entre essas disciplinas.

O texto abaixo foi adaptado de duas fontes, uma do professor Roberto A. Salmeron da USP e outra da professora Talita A. Anjos, do Portal do Professor.

Para completar no final foi colocado o documentário “O Discreto Charme das Partículas Elementares” da professora Maria Cristina Batoni Abdalla.

Aproveitem bem.

A divisão do átomo

Foram os filósofos gregos que primeiro observaram a grande quantidade de matéria existente na natureza. Eles então deduziram que tudo isso devesse vir de algo que pudesse originar tal variedade.

Demócrito e Leucipo já usavam o termo átomo por volta de 460 a.C., para fins de estudo, mas foi apenas no século XIX que houve a convicção de que toda matéria de fato é constituída por átomos.

Acreditou-se que o átomo seria a origem da matéria, pelo fato de que, no século XIX, cerca de 100 tipos de átomos já haviam sido mapeados. Mas esse número foi ficando cada vez maior, o que levou os pesquisadores a observarem a existência de partículas ainda menores presentes na constituição do átomo. Definiram, então, que os átomos são formados por elétrons, prótons e nêutrons.

A divisão atômica é feita da seguinte forma:

Na parte central do átomo está concentrado o núcleo. Dentro desse núcleo encontramos prótons e nêutrons, que são também conhecidos como nucleons.

Os nêutrons são formados por quarks, que se dividem em dois tipos: u e d.

Acredita-se que os quarks sejam os principais responsáveis pela constituição da matéria.

Existem seis espécies de quarks, u (up), d (down), c (charmed), s (strange), b(bottom) e t (top), em que cada uma delas possui três cores: vermelho, verde e azul.

Uma das características dos quarks é possuir cargas elétricas fracionadas, que ficam sempre “presas” em outras partículas chamadas hádrons.

Os hádrons podem ser formados por três quarks ou por apenas um quark e um antiquark:

• Quando são formados por três quarks, os hádrons recebem o nome de bárions;
• Quando formado por um quark e um antiquark, recebem o nome de mésons.

Na parte externa do núcleo, ou seja, em volta dele, estão presentes os elétrons, que giram em torno do núcleo em órbitas circulares, formando assim a eletrosfera.

Abordamos então um pouco das partículas elementares, mas o principal é considerar campos de força e interações, o que direcionará este estudo para as partículas mediadoras, que são fundamentais para a natureza.

Por Talita A. Anjos
Graduada em Física
Equipe Brasil Escola

As partículas fundamentais
Roberto A. Salmeron - USP

Chamam-se partículas fundamentais às partículas constituintes do átomo(antigamente eram chamadas partículas elementares; mas, depois se descobriu que várias delas podem se desdobrar em duas ou mais partículas, isto é, não são elementares).

Atualmente são conhecidas onze partículas fundamentais cuja existência está definitivamente comprovada. Além dessas, há várias que foram descobertas recentemente e cujas propriedades são muito mal conhecidas.

As onze partículas são:

elétron, ou negatron
próton
neutron
pósitron, ou elétron positivo
neutrino
méson leve positivo
méson leve negativo
méson pesado positivo
méson pesado negativo
méson pesado neutro
fóton

1. Elétron ou Negatron

Já se suspeitava da existência do elétron na segunda metade do século passado. Mas, a sua existência foi definitivamente comprovada só em 1897, por J.J. Thomson.

O elétron é uma partícula que possui carga elétrica negativa, cujo valor absoluto se representa por e.

-e = -4,8024 . 10^-10ues CGSq.

É a menor carga elétrica que existe isolada na natureza.

Sua massa é muito pequena. Em unidades de massa atômica, vale: 0,00054862 u. ("Unidades de Massa Atômica"). Em gramas, 9,11 . 10²⁸gramas. É aproximadamente 1/1837 da massa do átomo de hidrogênio.

Ofeixe de elétrons emitidos numa ampola de Crookes é chamado de raio catódico. Os elétrons são emitidos pelas substâncias radioativas; e nesse caso são chamados raios beta. Os elétrons emitidos pelas substâncias radioativas têm esse nome porque, quando os raios beta foram descobertos não se sabia que eram elétrons.

2. Próton

Rutherford

A existência de uma partícula com carga positiva foi evidenciada pela primeira vez quando, em 1886, Goldestein descobriu os raios positivos. A prova definitiva da existência do próton foi dada em 1919 por Rutherford.

O próton é o núcleo do átomo de hidrogênio. É uma partícula de carga elétrica +e, isto é, de mesmo valor absoluto que a carga do elétron, mas, positiva. Pelo fato de ter carga elétrica, ele é desviado nos campos elétricos e magnéticos.

Sua massa é 1,007582 em unidades de massa atômica, e 1,67248 . 10^-24gramas. É cerca de 1837 vezes mais pesado que o elétron.

Entra na formação do núcleo, havendo tantos prótons no núcleo quantos são os elétrons das órbitas, isto é, um número igual ao número atômico Z.

3. Nêutron

James Chadwick

Sua descoberta é atribuída a Chadwick, em 1932, embora essa descoberta tenha sido feita com apoio em trabalhos dos físicos Bothe, Becker e do casal Irene Curie – Frederic Joliot.

É uma partícula neutra. E, não tendo carga elétrica, não é desviado em campos elétricos, nem em campos magnéticos, o que dificulta a sua observação. Pelo fato de não ter carga elétrica ele penetra na matéria com relativa facilidade, porque, sendo neutro, não é repelido pelas cargas elétricas dos átomos da substância em que está penetrando. Por causa disso faz-se “bombardeamento” de átomos com nêutrons.

É a partícula mais pesada que conhecemos. Sua massa é 1,008930 em unidades de massa atômica, e 1,67472 .10^-24gramas. É um pouco mais pesada que o átomo de hidrogênio (some a massa do próton com a do elétron, e verifique que essa soma é menor que a massa do nêutron).

Durante algum tempo se pensou que o nêutron fosse uma reunião de um próton com um elétron. Depois foi demonstrado que isso não é verdade. O nêutron é uma partícula independente. Uma das provas disso é que a massa do nêutron é maior que a soma das massas do próton e do elétron.

4. Pósitron ou elétron positivo

Carl D. Anderson

Foi descoberto em 1932 por Carl D. Anderson.

O pósitron é um elétron positivo, isto é, tem a mesma massa que o elétron, e carga elétrica de mesmo valor absoluto, mas, positiva. Por causa disso, foi proposto que se desse o nome de negatron ao elétron; mas esse nome e pouco usado. Tendo carga elétrica é desviado em campos elétricos e magnéticos; e como sua carga é positiva ele é desviado sempre em sentido oposto ao do elétron.

O pósitron é uma partícula que é criada e destruída constantemente nos átomos. Tem vida muito curta: da ordem de milionésimos de segundo. Por isso a sua observação é muito difícil.

5. Neutrino

Viu-se acima que se chamam partículas beta os elétrons emitidos pelas substâncias radioativas. Estudando matematicamente essa emissão de partículas beta, os físicos chegaram a um resultado que não puderam aceitar. Pois concluíram que nesse fenômeno não vale o princípio da conservação da energia, que é um princípio considerado geral, válido para todos os fenômenos físicos. Para poder manter o princípio da conservação da energia na emissão de partículas beta, tiveram de admitir que, quando uma partícula beta é emitida, juntamente com ela deve ser emitida uma outra partícula. Essa partícula deve ter as seguintes características:

1º) deve ser neutra;

2º) deve ter massa menor que a do elétron.

Por isso ela foi chamada neutrino (que em italiano significa neutronzinho).

Já foram realizadas diversas experiências em que indiretamente ficou provado que o neutrino existe. Mas ainda não foi possível realizar nenhuma experiência em que o neutrino fosse observado diretamente, pois a pequena massa e a ausência de carga elétrica dificultam a observação.

6. Fóton

Albert Einstein

Em 1905, Einstein, estudando certos fenômenos em que intervém a luz, concluiu que para explicá-los não basta considerar a luz como ondas eletromagnéticas. Além disso, é preciso admitir que essas ondas eletromagnéticas se propaguem por grupos, isto é, por pacotes. Esses pacotes de onda se comportam como se fossem partículas materiais. São chamados fótons.

7. Os Mesons

a) Mesons leves ou mesons mu (m)

Em 1935, o físico Yukawa, estudando matematicamente como se deve processar o equilíbrio entre os nêutrons e os prótons no núcleo dos átomos, concluiu o seguinte: para se explicar esse equilíbrio, deve-se admitir a existência de uma outra partícula. Concluiu matematicamente que essa partícula deve ter carga elétrica, e deve ter massa intermediária entre a do próton e a do elétron (daí o nome méson). No ano seguinte os físicos Carl D. Anderson e Neddermeyer comprovaram experimentalmente a existência da partícula (uma nota: Anderson é o mesmo que em 1932 descobriu o pósitron). Eles verificaram mais o seguinte:

1º) que esses mésons têm massa aproximadamente igual a 212 vezes a massa do elétron;

2º) que têm carga elétrica de valor absoluto igual à do elétron;

3º) que existem dois mésons com essa massa: um com carga positiva +e; outro com carga negativa -e.

Êsses mésons são os que hoje chamamos mésons leves: o méson leve positivo e o méson leve negativo.

b) Mesons pesados ou mesons pi (p)

Em 1947 os físicos Cesar Lattes, Ochialini e Powell descobriram mais dois mésons. São partículas que têm as seguintes características:

1º) massa aproximadamente igual a 300 vezes a massa do elétron (daí o nome de mésons pesados, porque são mais pesados que os descobertos por Anderson e Neddermeyer).

2º) um têm carga elétrica +e, outro têm -e.

Até 1948 esses quatro mésons só eram observados em raios cósmicos, isto é, chegados à superfície da Terra através da atmosfera. Nesse ano, o físico brasileiro Cesar Lattes juntamente com o americano Eugene Gardner conseguiu pela primeira vez produzir mésons no laboratório; isto é, conseguiu produção artificial de mésons.

c) Mesons neutro

Tem massa de mesma ordem de grandeza que a dos mésons pesados, e não tem carga elétrica. Suas propriedades são muito mal conhecidas.

O NÚMERO DE AVOGRADO

Chama-se Número de Avogadro, ou Constante de Avogadro ao número de moléculas existentes na molécula-grama de qualquer corpo. É também o número de átomos existentes no átomo-grama de qualquer elemento.

Esse número pode ser determinado experimentalmente do seguinte modo: quando deduzimos as leis da eletrólise, que:

Sendo