Curso de Particulas Elementares, Notas de estudo de Física

Baixe Curso de Particulas Elementares e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! A TRANSPOSIÇÃO DAS TEORIAS MODERNAS E CONTEMPORÂNEAS PARA O ENSINO MÉDIO Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo – FEUSP Núcleo de Pesquisa em Inovações Curriculares – NUPIC Laboratório de Pesquisa em Ensino de Física – LaPEF PARTÍCULAS ELEMENTARES PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 2 A Transposição das Teorias Modernas e Contemporâneas para a Sala de Aula: Partículas Elementares Laboratório de Pesquisa em Ensino de Física da Faculdade de Educação da USP São Paulo, 2010 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 5 4. Quadro Sintético ATIVIDADES MOMENTOS COMENTÁRIOS TEMPO ESTIMADO 1. Analisando Radiografias. Propor e explicar o conteúdo do curso. A atividade motivacional e introdutória aos assuntos que serão abordados. 2 aulas Alunos respondem questionário inicial. Atividade 1 – Analisando Radiografias. Questionário sobre a experiência. Discussão sobre a descoberta dos raios X, sua natureza na época desconhecida e suas aplicações. Sistematização e respostas às perguntas do texto. Texto “Vendo através da pele: a descoberta dos raios X” Correção e discussão das questões do texto. 2. Papel fotográfico. Atividade 2 – “Raios–X” com papel fotográfico. Analogia para explicar o princípio da radiografia 2 aulas Discussão sobre as respostas do roteiro Discussão e sistematização geral sobre os aspectos do raios-X Dar orientação para realização da pesquisa Sistematização dos raios-X com a radioatividade Texto “A descoberta da radioatividade”. Leitura e resposta das questões do texto Correção e discussão sobre as questões do texto 3. Demonstração investigativa sobre campos. Demonstração investigativa sobre campos. Atividade 3 (parte 1) com pêndulos. Um estudo sobre a natureza dos campos e a transferência de informação. 2 aulas Demonstração investigativa sobre campos. Atividade 3 (parte 2) com celulares e papel alumínio. Sistematização da atividade e do conceito discutido Leitura e resposta das questões proposta no texto. Texto: “Aspectos do campo elétrico e magnético”. Correção e discussão das questões do texto. Considerações finais. 4. Estudo sobre raios ,  e  Retomada das discussões sobre os raios-X e a radioatividade para discutir as radiações. Texto: "Entra em cena uma nova figura: Ernest Rutherford". 1 aula Leitura e resposta das questões do texto. Correção e sistematização das questões do texto. 5. Vídeo: "A descoberta da radioatividade”. Vídeo: "A descoberta da radioatividade”. É recomendável que se tenha em vista a ordem cronológica da construção da ciência. 1 aula Sistematização dos conceitos estudados até aqui 6. Avaliação Aplicação de uma prova. 1 aula PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 6 5. Descrição aula-a-aula AULA 1 Tema: descoberta dos raios X. Objetivo: sensibilizar e motivar os alunos para o estudo da física de partículas e dos raios X, através da análise de um efeito dos raios X: a radiografia. Conteúdo Físico: concepções prévias sobre física de partículas e raios X. Recursos Instrucionais:  Questionário inicial  Roteiro da atividade 1;  Radiografias diversas; Motivação: curiosidade sobre as radiografias e as chapas radiográficas. Momentos: 1 º M o m en to Apresentação geral da proposta de curso para sala. Entrega do questionário individual: Questionário Inicial. Tempo para os alunos responderem. O professor deve enfatizar que a proposta dessa atividade é verificar o que os alunos sabem sobre essa área de conhecimento, instigar sua curiosidade sem nenhuma finalidade avaliativa, pois os alunos costumam apresentar uma preocupação enorme com a nota. Tempo:  15 min 2 º M o m en to Propor a atividade 1: enquanto entrega as radiografias e o roteiro da atividade, separe os alunos em grupos de aproximadamente 5 alunos, de modo que eles discutam as questões propostas no roteiro. Tempo:  20 min 3 º M o m en to Discussão sobre as questões: Instigue os alunos a falarem sobre as questões, desta forma a discussão será mais interativa. Mas procure encaminhá-la para o processo de produção, detecção, a natureza dos raios-X e sobre as radiografias. Tempo:  15 min Sugestão: Caso as aulas não sejam no mesmo dia e o professor perceba a dificuldade, por parte dos alunos em formarem os grupos, pode optar por realizar a atividade com o papel fotográfico. Aproveitando que os grupos já estão formados evita-se um gasto de tempo extra para organização dos grupos novamente na 2ª aula. Nesse caso as questões devem ser trabalhadas pelos grupos na aula seguinte. Você pode pedir aos alunos uma pesquisa de campo com médicos, centros de radiologia e profissionais da área. Dinâmica da Aula: após o professor explicar o curso, apresentando sucintamente o conteúdo que será abordado e seu caráter inovador no ensino de física da escola média, os alunos respondem a um questionário para que o professor possa compreender suas concepções prévias sobre o assunto, assim como de antemão motivá-los a aprender sobre os tópicos perguntados. Depois, os alunos exploram as diversas radiografias. Você pode começar a atividade perguntando quais alunos já tiraram radiografias e aí pedir para que contem sobre o processo. Sugestão de possíveis perguntas para esta aula: onde a radiografia é tirada? Qual a preparação para o exame? Fica alguém na sala? Por que o funcionário “some”? Para onde ele vai? Por que em alguns exames colocamos um colete de chumbo? Quando você sabe que os raios X passaram por você? Apesar do barulhinho que se ouve, você vê os raios X? Como saber se a radiografia foi tirada? Onde fica a chapa da radiografia durante o exame? Como alguns órgãos e os ossos aparecem na chapa? Estimule-os a analisarem pelo menos 3 radiografias e a “brincarem” de fazer diagnóstico. Peça para que observem onde a radiografia é mais clara e a que partes do corpo correspondem. Preferencialmente os alunos devem responder por escrito às questões, mas essa atividade pode ser feita apenas com a discussão entre os grupos e depois com o professor. Caso surjam questões sobre o acidente de Goiânia, ou sobre PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 7 urânio e césio, peça para que aguardem “as cenas dos próximos capítulos”. Lembre-se de comentar com os alunos sobre a utilização do chumbo na proteção contra a ação dos raios X. Faça uma breve sistematização dos conceitos discutidos, focando a parte histórica e a parte física dos raios-X. Fotos: PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 10 AULA 3 Tema: descoberta dos raios X. Objetivo: discutir sobre a descoberta, a produção e a utilização atual dos raios X e da radioatividade. Conteúdo Físico: raios X. Recursos Instrucionais:  Roteiro da atividade 2;  Papel fotográfico;  Alguns objetos opacos, transparentes e translúcidos como, caneta, régua, borracha, celular e outros objetos de fácil acesso. Motivação: compreender o processo dos raios-X e das radiografias.. Momentos: 1 º M o m en to Propor a atividade 2: peça aos alunos que sentem em grupos e peguem objetos diversos. Entregue a eles o papel fotográfico e peça para que coloquem os objetos sobre o papel. Tempo:  10 min 2 º M o m en to Sistematização da atividade. Fazendo uma analogia com os raios-X. Tempo:  20 min 3 º M o m en to Sistematização geral, sobre o que foi discutido sobre os raios-X. Tempo:  20 min Sugestões: O professor pode explorar os efeitos biológicos dos raios X. Aproveitando a atenção dos alunos, explique como eram complicados os exames antigamente. O tempo necessário para a exposição do papel fotográfico que sugerimos ser de 5 min. Dinâmica da Aula: iniciar a discussão explicando o que são os raios X (raios de alta freqüência) e como são absorvidos de maneiras diferentes pelos diversos materiais. Explique a sua produção e a origem do seu nome relatando como foram a descobertos. Comente sobre as aplicações dos raios X, responda às eventuais questões dos alunos e explique em detalhes o processo de obtenção das radiografias (Ver o texto “como são produzidas as radiografias”, página 19.). Use a atividade da analogia com papel fotográfico, para o aluno entender o processo. Nessa atividade os alunos colocarão diversos objetos sobre um papel fotográfico e aguardarão por cerca de 5 minutos (faça o teste antes) para observar o efeito da luz. Peça para que eles respondam às questões propostas. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 11 Fotos: PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 12 Atividade 2 – “Raio-X” com papel fotográfico Objetivo: compreender a formação das imagens em chapas radiográficas, por analogia, a imagens registradas em papel fotográfico. Roteiro Formem pequenos grupos (máximo 5 alunos). Escolha alguns materiais transparentes, translúcidos e opacos. O professor lhe fornecerá papel fotográfico, que é sensível à luz. Coloque os materiais que você selecionou sobre o papel e deixe exposto à iluminação por cerca de cinco minutos. Decorridos os cinco minutos, retire os materiais que estão sobre o papel fotográfico e responda: 1) Todos os contornos das imagens formadas no papel fotográfico têm a mesma nitidez? Quais apresentam melhor nitidez? Por quê? 2) Há diferença nas imagens formadas pelos materiais transparentes, translúcidos e opacos? Justifique sua resposta. 3) Como se formaram as regiões claras e escuras no papel fotográfico? 4) Como se formam as regiões claras e escuras em uma radiografia? 5) Faça uma comparação entre as formas apresentadas no papel fotográfico e as radiografias? (Compare a forma de produção, como a luz e o raios X são absorvidos, a diferença entre as fontes de raios X e luz entre outras coisas) PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 15 Atividade 3 – A percepção de campos e de sua natureza 1ª parte Objetivo: compreender a distinção entre a natureza dos campos e algumas propriedades. Roteiro Sobre a mesa há três pêndulos semelhantes. Em um deles a esfera é de isopor, em outro, no interior da esfera de isopor há um pedaço de clipes e no último, no interior, há um ímã. Você deve completar a tabela abaixo anotando suas observações, se ocorre atração, repulsão, ou se não ocorre nada, ao aproximar de cada uma das esferas dos pêndulos, os seguintes corpos: a) um canudinho; b) um canudinho eletrizado. Eletriza-se um canudinho atritando-o com uma toalha de papel; c) um ímã. A fim de identificar a repulsão, realize uma atividade preliminar: Abandone um ímã sobre uma mesa e tente aproximar um segundo ímã pelos pólos de mesmo nome. Note que o primeiro ímã irá girar e ser atraído pelo segundo ímã. Assim um giro seguido de uma atração, deve ser interpretado como a ocorrência de uma repulsão. Pêndulo 1 Pêndulo 2 Pêndulo 3 Canudinho Canudinho eletrizado Imã Responda: 1) Qual pêndulo tem um pedaço de clipes no interior? 2) E qual pêndulo tem um ímã no interior? 3) Qual pêndulo é somente de isopor? Questões: 1) Haveria diferença se fosse utilizado um ímã “mais intenso”? O que leva a informação ao pêndulo sobre a intensidade do ímã? 2) Como o pêndulo “sabe” o lado pelo qual ocorre à aproximação dos corpos? 3) Como o pêndulo identifica quando é aproximado um ímã ou um canudinho eletrizado, ou seja, o que detecta a aproximação do ímã e do canudinho eletrizado? PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 16 2ª parte. Objetivo: compreender a possibilidade de impedimento da ação das ondas eletromagnéticas. Utilize dois telefones celulares e uma folha de papel alumínio. Um aluno deve utilizar um aparelho e discar para um aparelho receptor. Não é necessário atender. Observe o tempo que a informação leva para chegar ao aparelho receptor. Embrulhe o aparelho receptor com papel alumínio e refaça a ligação. Caso o aparelho receptor não toque, refaça a ligação. Se possível, utilize um aparelho com viva voz para fazer as ligações, a fim de que se evidencie claramente se o sinal está ou não chegando ao aparelho receptor. Questões 1) Houve alguma diferença nas chamadas e recepções, realizadas com os aparelhos celulares? 2) Qual a natureza das informações propagadas? 3) Se o celular fosse embrulhado em um papelão, o efeito seria o mesmo? 4) O que impede a chegada do sinal ao aparelho celular receptor? PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 17 AULA 6 Tema: campo elétrico e campo magnético Objetivo: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos, entendendo a radiação eletromagnética. Conteúdo Físico: campo elétrico e magnético; ondas eletromagnéticas; transporte de energia e informação nas ondas eletromagnéticas. Recursos Instrucionais:  Texto: "Aspectos do campo elétrico e magnético”;  Aula expositiva; Motivação: Compreender a natureza das ondas eletromagnéticas, sejam ondas de radio ou raios X. Momentos: 1 º M o m en to Leitura e resposta das questões do texto: “Aspectos do campo elétrico e magnético” Tempo:  25 min 2 º M o m en to Correção e discussão sobre as questões do texto. Tempo:  15 min 3 º M o m en to Considerações finais retomando as idéias apresentadas desde a atividade com celular até questões trabalhadas pelos alunos. Tempo:  10 min Sugestão: Caso o professor queira mais material sobre campo e ondas eletromagnéticas, pode encontrar mais informações e aulas no site: www.lapef.fe.usp.br Dinâmica da Aula: Pedir que os alunos leiam o texto e respondam às questões propostas. Se possível corrigir as questões e fechar a discussão nesta aula. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 20 AULA 9 Tema: raios X e outras radiações Objetivo: verificação de aprendizagem. Recursos Instrucionais:  Avaliação escrita Momentos: 1 º M o m en to Avaliação sobre os assuntos do Bloco I Tempo:  45 min Observação: Caso o professor tenha a disponibilidade de duas aulas em seqüência pode iniciar a avaliação um pouco antes de terminar 9ª aula disponibilizando mais tempo de resolução para os alunos. Dinâmica da Aula: entrega das avaliações individuais sobre o Bloco I. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 21 Como são produzidas as radiografias Quando o filme é exposto ao feixe de raios X, as interações com material químico sobre a tela (haleto de prata – brometo de prata com 1% a 10% de iodo de prata), libera elétrons de alguns íons do brometo (Br - ), causando a liberação do gás bromo (Br2). O elétron liberado vai combinar com alguns íons de prata carregados positivamente na rede cristalina, transformando-os em átomo neutros (prata metálica). A agregação de um pequeno núcleo de átomo de prata tornará o cristal de brometo de prata sensível à revelação. Desta forma a radiação que interagiu com esses cristais produz uma imagem latente. Na revelação, ocorre uma transformação química de todos os íons de prata do cristal exposto, transformando- os em prata metálica. Essa é uma transformação que ocorre em todos os átomos, porém os que foram expostos aos raios X se transformam mais rapidamente. Assim na revelação deve-se fazer uma combinação do tempo de revelação, da concentração do preparado químico e da temperatura da reação, de forma a ocorrer à transformação do máximo número de cristais expostos e do mínimo de não expostos, visualizando a imagem latente. Ao final os cristais não transformados devem ser retirados para não serem transformados com o tempo e escurecerem a placa. A retirada é feita no momento da fixação e da lavagem. Na fixação, os cristais não transformados são retirados mais rapidamente que os transformados. O restante dos produtos químicos é retirado na lavagem final, restando, em sua grande maioria, àqueles cristais que foram expostos aos raios X. Desta forma, podemos notar que a parte clara da radiografia representa a região de pouco ou quase nenhuma incidência de raios X, devido à absorção dessa radiação pelos materiais presentes ali. Já a região escura, representa a parte de grande incidência de raios X, pois não há quase nenhum material para absorver a radiação. Hoje em dia, pode-se encontrar os raios X sendo utilizados em testes não destrutivos de peças, verificando alguma fissura nela, em conservação de alimentos, como o caso de batatas que não brotam e também com pesquisas de absorção de nutrientes. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 22 QUESTIONÁRIO INICIAL 1 Objetivo: Estimular a discussão sobre as partículas e a curiosidade por aprender mais Esta atividade introduz o estudo no campo das partículas elementares e interações fundamentais. Ela tem o intuito de desafiar seus conhecimento e concepções acerca dos fundamentos da física dessa área. O questionário traz afirmações que você pode concordar (sim), pode descordar (não) ou pode não saber nada sobre a afirmação (não sei) e está desenhado para despertar o seu interesse em aprender mais sobre este campo. Não temos preocupação em testar os seus conhecimentos sobre o assunto. Queremos fazer somente um levantamento do que é conhecido por você no início e no final do curso. Nome: _________________________________________________________ Série: __________ Turma: ________ Data: _____/_____/_____ SIM NÃO NÃO SEI 1. O átomo é a menor estrutura conhecida e não pode ser dividida. 2. As forças fundamentais da natureza são: eletromagnética e gravitacional. 3. Existem partículas subatômicas que não têm massa nem carga elétrica. 4. Algumas partículas podem viajar através de bilhões de quilômetros de matéria sem ser detectadas (sem interagir). 5. A antimatéria é ficção científica e não um fato científico. 6. Os aceleradores de partículas são usados para o tratamento do câncer. 7. Os menores componentes do núcleo de um átomo são os prótons e os elétrons. 8. As partículas e as antipartículas podem se materializar a partir de energia. 9. Os Físicos de partículas necessitam de aceleradores maiores para poderem investigar objetos cada vez maiores. 10. Nos aceleradores circulares os imãs são usados para que as partículas se movam mais rápido. 11. O trabalho feito pelos Físicos de partículas nos aceleradores está nos ajudando a compreender a evolução inicial do universo. 12. Das forças fundamentais da natureza, a força da gravidade é a mais intensa. 1 Adaptado do site: cpepweb.org PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 25 7) A partir de um arranjo experimental, pode-se diferenciar os raios alfa, beta e gama emitidos por uma amostra de material radioativo do elemento Urânio. Para isso, esses raios atravessam um campo elétrico estabelecido entre duas placas carregadas de sinais contrários. A partir da realização do experimento, consegue- se observar as trajetórias dos raios conforme a figura abaixo. a) Justifique a razão pela qual, os raios sofrem desvios diferentes. b) Qual desses raios é o mais penetrante e qual é o menos penetrante na matéria? c) Quais os números que indicam os raios  e ? 8) Considere as seguintes situações: I. Um corpo condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica. II. Um transformador em funcionamento. III. Um feixe de elétrons movimentando-se com velocidade constante. Em que situações se forma um campo magnético? a. Apenas I. b. Apenas II. c. Apenas I e II. d. Apenas II e III e. I, II e III. 9) Sabe-se que, ao contrário do que ocorre na Terra, não existe um campo magnético na superfície da Lua. Pode-se, então, concluir que, se uma agulha imantada, usada como bússola na Terra, for levada para a Lua, ela: a. fornecerá leituras mais precisas do que ao ser usada na Terra. b. indicará a direção norte-sul lunar c. perderá sua imantação. d. não será desviada quando colocada próxima de uma corrente elétrica contínua. e. não poderá ser usada como bússola magnética. 10) Um imã é partido em quatro partes iguais. Obtêm-se: a. quatro pedaços de imã, sendo dois pólos norte e dois pólos sul. b. dois imãs inteiros e dois pedaços de imã, sendo um pólo norte e um pólo sul. c. imãs inteiros e pedaços de imã, dependendo de como o imã foi dividido. d. quatro imãs completos. 11) Analise cada uma das seguintes afirmações, sobre gravitação, eletricidade e magnetismo, e indique se é verdadeira (V) ou falsa (F). 1. Sabe-se que existem dois tipos de carga elétrica e dois tipos de pólos magnéticos, mas não se conhece a existência de dois tipos de massa gravitacional. 2. Um corpo pode ser magnetizado pelo atrito com um pano, como se faz para eletrizar um corpo. 3. Um ímã permanente pode ser "descarregado" de seu magnetismo por um leve toque com a mão, assim como se descarrega um corpo eletrizado de sua carga elétrica. Assinale a alternativa que apresenta a seqüência correta de indicações, de cima para baixo. a. V – V – V b. V – V – F c. V – F – F d. F – F – V e. F – F – F PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 26 Vendo através da pele: a descoberta dos Raios-X Há pouco mais de 100 anos atrás, não era possível o médico visualizar o interior do corpo humano sem ter que abrí-lo e isso dificultava muito o diagnóstico de doenças e fraturas nos pacientes. Mas em 1895 uma grande descoberta revolucionou a humanidade, principalmente a física e a medicina, nesse ano eram descobertos os raios X. Mas como isso ocorreu? Na noite de 8 de novembro de 1895 o físico holandês Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), seguindo as tendências de sua época, estava fazendo mais uma experiência com descargas elétricas nos tubos de raios catódicos (figura 1), estudando o fenômeno da luminescência produzida pelos raios no tubo, quando notou que algo de diferente acontecia. Em sua sala de experiências totalmente às escuras, ele viu a folha de papel, usada como tela e tratada com uma substância química fluorescente (platinocianeto de bário), colocada a uma certa distância do tubo brilhar emitindo luz. Röntgen espantado, pode imaginar que alguma coisa devia ter atingido a tela para que ela reagisse dessa forma. Mas o tubo de raios catódicos estava coberto por uma cartolina negra e nenhuma luz ou nenhum raio catódico poderia ter escapado dali. Surpreso e perplexo com o fenômeno, ele decidiu pesquisá-lo mais a fundo. Virou a tela, de modo a que o lado sem a substância fluorescente ficasse voltado para o tubo; mesmo assim, a tela continuava a brilhar. Ele então afastou a tela para mais longe e o brilho persistiu. Depois, colocou diversos objetos (uma camada de papelão, pedaços de madeira, um livro de 1000 páginas e até finas placas metálicas) entre o tubo e a tela e todos pareceram transparentes. Quando sua mão escorregou em frente à válvula ele viu os ossos na tela (figura 2). Descobrira “um novo tipo de raio”, conforme ele mesmo explicou em sua primeira publicação. Röntgen havia ficado tão perplexo com sua descoberta, que teve que se convencer primeiro antes de falar com qualquer pessoa sobre sua descoberta do novo tipo de raio. Trabalhou sozinho durante sete semanas nessa tentativa, quando finalmente estava convencido, registrou sua descoberta (imagem da mão) em chapas fotográficas, e só então passou a ter certeza. Em 1º de janeiro de 1896, ele distribui o relatório preliminar de sua descoberta, o que causou grande agitação, mas sua descoberta não podia ser refutada facilmente, pois havia fotografias dos raios X de suas mãos anexadas nele. No decorrer do mês, a notícia havia se espalhado por todo o mundo. Pode-se imaginar o deslumbramento em relação a esses raios aos quais tudo se tornava transparente e por meio dos quais todos podiam ver seus próprios ossos. Pode-se ver praticamente os dedos sem os músculos, mas com anéis, como se podia ver também uma bala alojada no corpo. As conseqüências para a medicina foram imediatamente percebidas. Imagine você nessa época, podendo ver os seus ossos, sem qualquer corte ou perfuração. Somente assim terá idéia da revolução causada com essa descoberta. O trabalho de Röntgen sobre os raios X foi perfeito à luz do conhecimento existente em sua época. Mas ele, não conseguiu entender a natureza dos raios X, ou seja, ele não conseguiu comprovar que se tratava de uma radiação eletromagnética. No entanto, ele conseguiu mostrar que os raios podiam atravessar materiais sólidos, podiam ionizar o ar, não sofriam reflexão no vidro e não eram desviados por campos magnéticos, mas não conseguiu observar os fenômenos da refração e da interferência normalmente associados a ondas (ondas eletromagnéticas, neste caso) por isso ficou o nome enigmático de raios X (X é o símbolo pra nomear o desconhecido) Mais tarde sua natureza foi desvendada, mostrando que eles eram conseqüência da colisão dos raios catódicos com a parede do tubo e, por terem comprimento de onda muito pequeno, Röntgen não podia observar os fenômenos necessários para comprovar que os raios-X são ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética) de alta freqüência. Figura 1 Figura 2 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 27 Uma ilustração do equipamento de Röntgen é mostrado ao lado. Entre os catodos do tubo de vidro, os raios catódicos são inicialmente acelerados, com voltagem de até 100 kV (100.000 V) e, em seguida, são bruscamente freados (há uma colisão dos raios e o alvo). Por causa disso, ocorre uma emissão de radiação eletromagnética com um comprimento de onda muito pequeno (da ordem de 10 -12 m), que corresponde a radiações de alta freqüência. É assim que são produzidos os raios X. As aplicações dos raios X são as mais diversas possíveis. Elas vão desde “simples” obtenção de chapas fotográficas (radiografias) para detectar uma fratura, uma inflamação e uma cárie até a determinação de uma certa porcentagem de uma substância em um composto, através da difração dos raios X, como é o caso da quantidade de carbono existente no aço. Essa determinação é importante, pois permite que o aço fique mais maleável e conseqüentemente consegue-se produzir chapas mais finas. Atualmente, os raios X também são utilizados na área de segurança, como é o caso dos aeroportos. Com eles, é possível “ver” dentro das malas e constatar se existem objetos metálicos e até mesmo se as pessoas carregam algum tipo de arma (figura 3). Sua utilização também pode ser vista na fronteira dos E.U.A com o México, onde a polícia o utiliza para vasculhar o interior dos veículos (figura 4). Figura 3 Figura 4 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 30 A essa altura, um casal de cientistas iniciava suas investigações sobre a radioatividade em Paris, estudando vários minérios, uma vez que Henri Becquerel focalizou suas pesquisas somente no urânio. Marie Sklodowska Curie (1867-1934), polonesa, e seu marido francês Pierre Curie (1859-1906), após analisar vários compostos de urânio, verificaram a constatação de Becquerel, confirmando que a emissão de raios é uma propriedade do elemento urânio e assim, decidiram examinar todos os elementos conhecidos. Descobriram que também o tório emitia raios semelhantes aos do urânio. Nesse ponto, depois de descobrirem que o urânio não era o único elemento a emitir radiação espontaneamente, Marie decidiu então, analisar todos os minérios naturais e para sua surpresa um mineral de urânio (uranita) era três ou quatro vezes mais radioativo do que se esperava. Desta forma concluiu que um elemento extremamente radioativo deveria existir enquanto impureza nesse minério. Depois de um longo e exaustivo trabalho, em julho de 1898, Marie com a ajuda de seu marido Pierre, conseguiu isolar a impureza e perceberam que se tratava de um novo elemento, que designaram de polônio, em homenagem ao país de origem de Marie, a Polônia. Ao aprimorar mais os seus métodos de purificação da uranita, o casal Curie, acabou por encontrar, em setembro desse mesmo ano, um elemento altamente radioativo que recebeu o nome de rádio. Marie propôs a palavra radioatividade para esse fenômeno. Mas apesar de conseguir descobrir mais elementos radioativos, permaneciam dois grandes problemas a serem resolvidos, segundo os Curie: Qual era a origem da energia emitida por esses elementos radioativos? Qual é a natureza das radiações emitidas? Questões: 1) Qual foi a principal contribuição que os Curie deram para a radioatividade? 2) Você sabe a diferença entre material fluorescente e fosforescente? 3) Explique a frase “para ativar a fosforescência do sal de urânio, ele expôs tudo ao sol por várias horas”. 4) Se na experiência de Becquerel, ele tivesse colocado entre o filme revelador e o sal de urânio uma placa grossa (~3 mm) de chumbo, conseguiria ver alguma mancha? Por quê? Isolante PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 31 q q Figura 1: representação do campo elétrico de uma carga elétrica q Aspectos do Campo Eletromagnético Ao aproximarmos um ímã de um pedaço de certo metal pendurado por um fio, vemos que este é “puxado” pelo ímã. Se pegarmos agora um canudinho e atritarmos com uma lã ou papel higiênico, ele ficará carregado eletricamente. Aproximando o canudinho de uma bola de isopor pequena, pendurada por um fio isolante ela será “puxada” pelo canudinho. Vemos assim que a bolinha sente a presença do canudinho, bem como aquele metal sente a presença do ímã, mesmo sem ter contato. Mas como pode um objeto sentir a presença do outro sem haver contato? Como eles não têm olhos, de que forma eles sabem que há um outro corpo por perto que os atrai? Para responder essa questão, utilizamos o conceito de campo. Ele surgiu na primeira metade do século XIX para explicar fenômenos parecidos a estes. Nesses fenômenos, temos um campo elétrico (associado às cargas do canudinho) e um campo magnético (associado ao ímã). Esses campos são semelhantes ao campo gravitacional que estamos mais familiarizados. Mas afinal o que são esses campos? Ele é algo que está ao redor dos corpos (estendendo-se até o infinito, porém sua intensidade diminui com a distância). Podemos entendê-lo como sendo uma “aura” (algo sutil e tênue envolvendo o corpo) que preenche o espaço em volta deles. Para cada um dos campos existe um ente responsável associado a sua presença. No caso do campo eletromagnético é a carga elétrica e, no caso do gravitacional é a massa. Dessa forma, não temos carga elétrica e massa sem campo e vice-versa. Devemos destacar ainda, que o campo existe independente da presença de outras cargas elétricas ou massa nas vizinhanças, podendo ser representado como algo contínuo que se estende até o infinito em todas as direções. No entanto, o interesse aqui é estudar o campo elétrico e magnético, deixando a discussão do campo gravitacional para outra ocasião. A intensidade do campo elétrico decresce com o aumento da distância em relação à carga, como podemos observar na figura 1. No entanto, essa não é a única maneira que temos para representá-lo. A figura 2 mostra as linhas de campo de uma carga elétrica positiva, representado o campo elétrico dessa carga. No caso do canudinho, devido ao desequilíbrio das cargas elétricas causado pelo atrito com a lã ou papel higiênico, a ação desse campo “puxa” a bolinha. Essa ação é conhecida como força elétrica ou interação elétrica. Assim, é graças ao campo elétrico e magnético que a bolinha sente a presença do canudinho e o metal a presença do ímã. A maneira como uma carga elétrica comunica ou interage com outras cargas pode ocorrer de duas formas: atração ou repulsão. Isso ocorre devido ao sinal que as cargas elétricas podem ter, isto é, positiva (+) ou negativa (-). Quando as cargas têm o mesmo sinal ocorre à repulsão e quando forem de sinais contrários, ocorre a atração. Assim, as cargas elétricas no espaço, sentem a presença do campo uma da outra e se interagem, como aconteceu com as cargas do canudinho e da bolinha. Desta forma, podemos dizer que o campo elétrico é algo sutil, tênue, real, que não pode ser visto, nem tocado e envolve a carga elétrica, comunicando a sua presença a outras cargas a sua volta. Dependendo do sinal das cargas elétricas envolvidas, essa comunicação ocasiona uma atração ou a uma repulsão. Isso tudo pode parecer muito novo ou estranho, mas a interação eletromagnética está presente ostensivamente em nosso cotidiano: nas reações químicas, na luz que recebemos do Sol, na televisão e mais ainda, ela é a responsável pela formação dos aglomerados que constitui a matéria. A matéria da cadeira que você está sentado agora se mantém coesa devido à interação eletromagnética, o mesmo acontecendo com os átomos que formam a água que você bebeu hoje. Contudo essas são descrições de campos elétricos e magnéticos associados à carga e ímã em repouso. O que aconteceria com esse campo se a carga ou o ímã fossem movimentados? Ele vai junto nesse movimento? Figura 2: representação das linhas do campo elétrico de uma carga elétrica q positiva. q PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 32 As ondas eletromagnéticas Já comentamos que os campos elétrico e magnético estão intimamente relacionados através da carga elétrica. Já sabemos que uma carga elétrica interage com a outra devido aos seus campos elétricos e um ímã interage com um metal ou um outro ímã através de seu campo magnético. Mas como esses dois campos se relacionam? É mais ou menos assim: quando a carga se movimenta, o seu campo elétrico se movimenta junto, pois ele é indissociável da carga. Ao entrar em movimento, o seu campo elétrico, em qualquer ponto do espaço varia. Porém, quando o campo elétrico sofre essa variação, ele acaba gerando um campo magnético. Com isso, quando uma carga elétrica varia o seu estado de repouso, ela arrasta junto o seu campo elétrico, que por ser variável, gera (induz) um campo magnético também variado, que por sua vez, gera um campo elétrico variado e assim por diante. Essa alternância de campos elétricos e magnéticos variados se propaga por todo o espaço, levando a informação de que a carga elétrica se movimentou ou está em movimento. A propagação dessa informação é o que chamamos de ondas eletromagnéticas ou radiação eletromagnética. As ondas eletromagnéticas têm origem no movimento de uma carga elétrica, que quando acelerada ou desacelerada, faz seu campo elétrico variar que, conseqüentemente gera um campo magnético variado e assim sucessivamente, levando a informação desse movimento aos pontos do espaço. Essa propagação é feita na velocidade da luz c 2 , característica mostrada por J. C. Maxwell (1831-1879), unindo a luz aos fenômenos eletromagnéticos. Como toda onda, a onda eletromagnética tem a freqüência como uma característica bem destacada, por que é através dela, que as ondas eletromagnéticas são classificadas. A unidade de medida da freqüência é o Hertz – Hz, em homenagem a Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), devido à descoberta das ondas de rádio. Para cada faixa de freqüência, usamos um termo diferente para descrevê-la. Por exemplo, a freqüência que vai de 4 x 10 14 Hz até 7 x 10 14 Hz é o que chamamos de luz visível. Já as ondas de rádio estão na faixa de 10 4 Hz até 10 6 Hz. A freqüência é a medida das oscilações que a carga elétrica executa por unidade de tempo, isto é, se a freqüência de uma onda eletromagnética é de 10 5 Hz, ela oscila 100000 vezes a cada segundo. Esse conceito é bem parecido com a freqüência escolar, que indica quantas vezes os alunos vêm à aula durante um bimestre. Abaixo a tabela mostra algumas freqüências para cada tipo diferente de onda eletromagnética: f (Hz) Tipo de onda Detecção Exemplos de Fontes 10 21 raios cintiladores materiais radioativos 10 19 raios X chapa fotográfica tubos de raios X 10 16 ultravioleta chapa fotográfica laser 7 x 10 14 violeta olhos arcos elétricos 4 x 10 14 vermelho olhos arcos elétricos 10 13 infravermelho termômetros lâmpadas 10 5 rádio circuitos eletrônicos circuitos eletrônicos Questões: 1) Como um ímã percebe a proximidade de outro ímã, mesmo sem haver contato? 2) Quais os tipos de campos estudados e quais os entes responsáveis por eles? 2 Aproximadamente 300.000 km/s. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 35 Questões: 1) a) Qual foi a principal contribuição que Rutherford deu para a radioatividade? b) Como ele fez isso? 2) Quais são as principais diferenças entre as radiações  e ? 3) Por que a radiação  não sofre desvio ao passar por uma região de campo eletromagnético PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 36 BLOCO II – ORDEM DE GRANDEZA E MODELOS ATÔMICOS Para continuar estudando os conceitos da Física de Partículas Elementares é necessário ter uma idéia do tamanho dos objetos estudos. Por isso, pretende-se neste bloco estudar aspectos ligados à ordem de grandeza desses e objetos. Em seguida, começaremos a discutir as evidências que levaram a queda do status de elementar do átomo e o aparecimento dos primeiros modelos atômicos, e a evolução desses modelos. 1. Objetivos gerais:  Compreender o tamanho dos objetos através da ordem de grandeza.  Entender as evidências que levaram a queda do status de indivisível do átomo e a descoberta da primeira partícula: o elétron.  Compreender o processo de espalhamento de partículas utilizado por Rutherford  Conhecer e compreender os modelos atômicos de Thomson, Rutherford e Bohr. 2. Conteúdo Físico  Ordem de grandeza e potência de dez.  Campo elétrico e magnético.  Modelos atômicos. 3. Leitura complementar As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.  HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.  SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília, Brasília, 1982.  VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.  ALVES, Gilson; CARUSO, Francisco; FILHO, Hélio da Motta; SANTORO, Alberto. O mundo das partículas de hoje e de ontem. Rio de Janeiro: CBPF, 2000.  CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005.  CARUSO, Francisco; SANTORO, Alberto. Do átomo Grego à Física das interações fundamentais. 2ª ed. Rio de Janeiro: AIAFEX, 2000.  TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.  DE CASTILHO, Caio Mário Castro. Quando e como o homem “viu” o átomo. Ciência Hoje, V.33, nº 196, p.30-36. Agosto 2003. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 37 4. Quadro Sintético ATIVIDADE MOMENTOS COMENTÁRIOS TEMPO 1. Visualizando o “muito pequeno Atividade 4 (1ª parte): Cortando papel para chegar ao próton. Atividade experimental introdutória sobre as dimensões das partículas elementares. 2 aulas Explicações sobre representações de dimensões em potência de dez. Leitura do texto e resolução dos problemas. Correção das questões Navegação no site do CERN (Powers of Ten) Atividade 4 (2ª parte): Tamanho dos corpos, através da potência de dez. Sistematização geral sobre ordem de grandeza e notação científica. 2. Estudo sobre a descoberta do elétron. Retomada das discussões sobre a descoberta dos raios-X, radioatividade e radiações. Texto “A queda do status elementar do átomo: a descoberta do elétron”. 1 aula Discussão sobre a descoberta do elétron. Sistematização e leitura do texto. 3. Estudo sobre a evolução do conceito de átomo Atividade 5: A linha do tempo. Atividade que permite uma construção coletiva de uma linha do tempo sobre evolução do conceito de átomo. 2 aulas Leitura e discussão do texto “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo”; Explicação da atividade, atribuir períodos de tempo entre os grupos. Apresentação dos grupos e construção da linha do tempo 4. O espalhamento Rutherford Atividade 6: O espalhamento de Rutherford. Experimento que permite alusão à perspicácia de Rutherford ao elaborar seu modelo atômico. 2 aulas Retomada da atividade, apresentação dos resultados obtidos. Texto: a descoberta de Rutherford: Um novo modelo atômico. Leitura do texto e realização do questionário. 5. Os modelos atômicos de Thomson, Rutherford e Bohr. Vídeo: Os primeiros modelos Vídeo: O modelo de Rutherford Vídeo: Os primeiros modelos atômicos e o modelo de Rutherford. 1 aula Sistematização das principais idéias do bloco, Considerações finais sobre o Bloco II. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 40 Aula 11 Tema: Notação científica, ordem de grandeza e dimensões do mundo microscópico. Objetivo: Trabalhar com os alunos as dimensões do mundo microscópico, comparando com as dimensões com as quais eles estejam mais acostumados. Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico das partículas elementares. Recursos Instrucionais  Roteiro da atividade 4 (2ª parte)  Aula expositiva  Apresentação de slides Motivação: Curiosidade sobre o tamanho dos objetos estudados em física de partículas e relação com o tamanho dos objetos que nos cercam. Momentos 1 º M o m en to Finalizando a atividade 4 “Ordem de grandeza e potência de dez”. Os alunos concluem a discussão e resolução dos exercícios. Tempo:  20 min 2 º M o m en to Realização da atividade 5: “Tamanho dos corpos, através da potência de dez” Os alunos lêem as informações do roteiro e respondem às questões. Tempo:  25 min Sugestões: Se esta aula não for no mesmo dia da anterior, o professor deve relembrar rapidamente as atividades sobre notação científica e ordem de grandeza. Caso o professor achar necessário e caso tenha tempo disponível, pode trabalhar mais exercícios sobre notação científica e potência de dez. Se o professor não tiver como mostrar os slides através do site do CERN (powers of ten), pode preparar uma apresentação utilizando o power point ou ainda retro-projetor. Se for utilizar a sala de micros o professor deve já iniciar a aula nela para não perder tempo com a organização dos alunos para utilização da sala no final da aula. Caso o professor queira valorizar a utilização da sala de informática, pode dividir a turma em dois. Enquanto uma turma realiza a atividade do texto na sala de aula os demais exploram o site do CERN na sala de informática. Dinâmica da aula Retomada da atividade “Ordem de grandeza e potência dez”, na correção o professor deve destacar sempre as grandezas trabalhadas em relação às que estamos habituados. Pedir para que os alunos leiam as instruções da atividade “Tamanho dos corpos através da potência de dez”, e respondam com base nos slides, a questão. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 41 Atividade 4 - Ordem de Grandeza e potência de 10 Neste novo assunto que começamos a tratar, será quase que inevitável, a utilização de valores muito pequenos ou muito grandes, que não fazem parte de valores utilizados no nosso cotidiano. Por exemplo, se alguém lhe dissesse que o tamanho de um átomo é aproximadamente 0,0000000001 m, você dificilmente assimilaria essa idéia, por se trata de um valor totalmente fora daqueles utilizados por você. Números dessa forma podem ser representados de outra maneira, de tal maneira que a idéia que ele queira transmitir seja melhor interpretada e comparada. Além disso, torna-se mais fácil de se fazer operações com eles. Essa nova maneira de representar os números é a notação científica. Com essa nova forma de representação numérica, podemos escrever qualquer número como uma potência de 10, sem que ele perca o seu valor original. Assim, fica mais fácil de opera-lo e compara-lo, tornando-se mais acessível ao nosso sentido. Veja alguns exemplos de como representamos valores em notação científica 20000 m = 2 x 10000 = 2x10 4 m 2300 kg = 2,3x1000 kg = 2,3x10 3 kg 0,007 cm = 7 cm = 7 cm = 7x10 -3 cm 1000 10 3 Tente escrever os números abaixo em notação científica a) o diâmetro do próton 0,000 000 000 000 001 m = b) o diâmetro do átomo 0,000 000 000 1 m = c) a carga elétrica de um elétron – 0,000 000 000 000 000 000 16 C = d) a massa de um nêutron 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg = Atividade 2.1: visualizando “o muito pequeno” a) Cortando papel para chegar a prótons Objetivo: tentar dar uma idéia do tamanho dos objetos estudados na física de partículas. Material: folha de papel A4, tesoura e régua. Procedimento: Pegue a folha de papel e corte-a no meio. Com uma das metades, faça outro corte, também ao meio. Repita esse procedimento quantas vezes forem possíveis até chegar a um pedaço que você não consiga mais cortar. Conte os números de cortes feitos e faça a medida do menor pedaço de papel que você conseguiu. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 42 b) Tamanhos dos objetos estudados em Física de Partículas Objetivo: ao examinar o tamanho relativo e o espaço entre partículas, os alunos adquirem a idéia dos tamanhos dos objetos estudados em Física de Partículas. Se o núcleo de um átomo de hidrogênio fosse do tamanho da cabeça de um alfinete (1mm), então o elétron no átomo estaria, aproximadamente, a uns 50m de distância. Algumas idéias básicas que podem ajudar os alunos na compreensão das dimensões atômicas e subatômicas: - Um núcleo típico é 10 vezes maior do que um próton; - Um átomo típico (o tamanho determinado pelos elétrons mais externos) é 10000 vezes maior que um núcleo típico; - Uma cabeça de alfinete (1mm = 10-3m) é 10.000.000 de vezes maior que um átomo típico; - Na espessura de uma folha de papel A4, há, aproximadamente, 1.000.000 de átomos; - Se um átomo fosse do tamanho de uma cabeça de alfinete, a espessura da folha de papel seria de 1.000m ou 1km; - Um próton tem massa, aproximadamente, 2000 vezes maior do que o elétron. Questões: 1) Se sua casa fosse o núcleo do átomo, a que distância estaria seu vizinho mais próximo (elétron mais perto do núcleo)? DIMENSÃO FRAÇÃO (complete) DECIMAL POTÊNCIA DE 10 menor objeto visto a olho nu 0,00001 m 10 -5 m diâmetro aproximado de um átomo 0,000 000 000 1 m 10 -10 m diâmetro aproximado de um núcleo 0,000 000 000 000 01 m 10 -14 m diâmetro aproximado de um próton 0,000 000 000 000 001 m 10 -15 m PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 45 Aula 13 Tema: A evolução do conceito de átomo e seus modelos através da história. Objetivo: Discutir a evolução dos modelos atômicos desde a Grécia antiga até inicio do século XX, mostrando e destacando a necessidade da evolução dos mesmos até o modelo de Bohr, as novas questões que surgem a cada modelo, a nova visão do mundo microscópico e a origem de novas áreas de investigação: a Física Nuclear e a Física de Partículas. Conteúdo Físico: Principais modelos atômicos até o modelo de Thomson e início do estudo do modelo de Rutherford. Recursos Instrucionais  Texto de apoio: “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo”.  Aula expositiva Motivação: Como surgem os novos modelos e que modificações e contribuições eles trazem para a visão de mundo. Momentos 1 º M o m en to Discussão sobre a origem de idéia de átomo com os gregos. Tempo:  10 min 2 º M o m en to Leitura, sistematização e repostas das questões do texto: “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo”. Tempo:  20 min 3 º M o m en to Dividir a classe em grupos e atribuir o período de tempo a cada grupo. Tempo:  20 min Sugestões: O texto “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo” traz muita informação histórica, portanto por questão de praticidade, o professor deve destacar os pontos principais. Dinâmica da aula Inicie a aula perguntando: Alguém sabe o que significa a palavra ÁTOMO! A partir daí comece a discutir a sua origem, destacando a busca dos gregos pelo elemento primordial, levantando e explicando os principais pontos e a idéia geral do texto. Para compreender melhor a evolução dos modelos atômicos, sugira a atividade da linha do tempo. Dividir a classe em  6 grupos e atribuir a cada grupo um período de tempo e ou grupo de filósofos. Peça que tragam um pequeno resumo com as principais idéias sobre o modelo atômico da época, além de fotos/desenhos dos filósofos, fatos históricos importantes que ocorreram nessa época, etc. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 46 Atividade 5 – A linha do tempo Tema: Linha do tempo Objetivo: Compreender a evolução dos modelos atômicos ao longo da história. Construção coletiva de uma linha do tempo sobre a evolução dos modelos atômicos. Conteúdo Físico: Principais modelos atômicos até o modelo de Thomson e início do estudo do modelo de Rutherford. Recursos Instrucionais  Livros, revistas, Internet, etc.  Linha do tempo Motivação: Apresentação dos grupos e construção da linha do tempo Momentos 1 º M o m en to Apresentação dos resultados obtidos pela pesquisa realizada pelos grupos. Tempo:  30 min 2 º M o m en to Montagem da linha do tempo Tempo:  20 min Sugestões: Pegue  7 m de papel craft, desenhe uma linha, colocando o intervalo dos anos correspondentes a cada grupo – reserve 1 m por grupo, deixando margem de 0,5m antes e depois. Cole o papel na parede antes da apresentação dos grupos. Dinâmica da aula Peça para cada grupo se apresentar, seguindo uma ordem cronológica. Após a apresentação de todos os grupos, peça para colarem o material pesquisado (textos, figuras, etc.) na linha do tempo. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 47 Aula 15 Tema: O modelo atômico de Rutherford e a experiência com espalhamento. Objetivo: Discutir os métodos desenvolvidos por Rutherford no começo de 1900, e que, ainda são usados em nossos dias pelos físicos de partículas, em experimentos com aceleradores. Conteúdo Físico: Modelo atômico de Rutherford (experimento com partículas Recursos Instrucionais  Roteiro da atividade 5  Placas de madeira (com desenhos de figuras geométricas em relevo na parte de baixo da placa) para atividade 5  Bolinhas para atividade 5  Discussão entre professor e alunos  Aula expositiva Motivação: O estudo detalhado de como Rutherford desenvolveu seus métodos para medir características de objetos que não podemos ver e a evolução dos modelos atômicos. Momentos 1 º M o m en to Retomar a idéia final da aula anterior do modelo atômico de Thonsom. Tempo:  10 min 2 º M o m en to Realização da atividade 5: “O espalhamento Rutherford”. Essa atividade é realizada em grupo conforme roteiro. O professor forma grupos com cinco alunos aproximadamente e distribui os kits com as placas de madeira e bolinhas chamando a atenção para o fato de que os alunos não devem de forma alguma olhar na parte de baixo das placas caso contrário a atividade perderá seu sentido. Em rodízio cada grupo realiza a atividade com o maior número possível de placas e desenha em uma folha a figuram que deduzem existir sob cada placa para posterior discussão. Tempo:  40 min Sugestão: É interessante que cada grupo consiga realizar a atividade com pelo menos, três placas diferentes, caso tenham tempo para realizar com mais placas, terá mais resultados para discussão e se o professor achar necessário que realizem com todas as placas pode utilizar parte da aula seguinte para isso. Dinâmica da aula A sala pode ser dividida em grupos com cinco alunos aproximadamente e são entregues os materiais e o roteiro para realização da atividade “O espalhamento Rutherford”, com a finalidade de fazermos uma analogia com o experimento realizado por Rutherford com partículas , entendendo como é possível estudar características de objetos que não podemos ver. Os grupos devem fazer o desenho das formas em uma folha de papel A4 para que possam ser comparadas depois. Caso seja possível, os grupos devem vasculhar todas as placas. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 50 Aula 16 Tema: O modelo atômico de Rutherford e o modelo de Bohr. Objetivo: Continuar a discussão sobre a evolução dos modelos de Rutherford e de Bohr, destacando as soluções propostas por Bohr a problemas presentes no modelo clássico e o surgimento de novos questionamentos. Conteúdo Físico: Modelos atômicos de Rutherford e Bohr. Recursos Instrucionais  Texto de apoio “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”  Discussão entre professor e alunos  Aula expositiva  Slides Motivação: As questões e idéias que levaram à evolução do modelo proposto por Bohr e as questões que este modelo ainda não resolve e como Bohr lidou com elas. Momentos 1 º M o m en to Apresentação e discussão das formas obtidas pelos diversos grupos. Tempo:  25 min 2 º M o m en to Leitura e respostas das questões do texto: “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”. Tempo:  25 min Sugestão: Caso o professor tenha tempo, pode pedir que os alunos desenhem as formas encontradas na lousa. Mas lembre-se que o mais importante dessa aula é discutir o método utilizado por Rutherford e o uso de modelo na Ciência. O professor pode também criar um ambiente de discussão de comunidades científicas, fazendo que os alunos argumentem a favor e contra os métodos utilizados por outros grupos para encontrar as formas. Dinâmica da aula Discutir os dados obtidos e apresentados pelos grupos, destacando o modelização das formas, ou seja, as formas encontradas são modelos daquelas que estão sob as placas. Por não ter acesso direto a essas formas, tem-se que criar um modelo delas. Assim, um modelo de forma será “bom”, se vários grupos encontrarem formas bem parecidas. Por isso que é importante que os grupos passem por todas as placas. É importante frisar, que os modelos são representações e não definitivos. Destacar depois dessa discussão, a eficiência dos métodos desenvolvidos por Rutherford e sua contribuição para construção de novos modelos. Leitura do texto “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico” destacando a experiência realizada por Rutherford e a contribuição que os resultados obtidos trouxeram para elaboração de um novo modelo atômico. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 51 Aula 17 Tema: Modelo atômico de Rutherford e de Bohr. Objetivo: Destacar as principais diferenças entre os modelos atômicos. Conteúdo Físico: Modelos atômicos de Rutherford e Bohr. Recursos Instrucionais  Texto de apoio “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”  Discussão entre professor e alunos  Aula expositiva  Slides Motivação: As questões e idéias que levaram à evolução do modelo proposto por Bohr e as questões que este modelo ainda não resolve e como Bohr lidou com elas. Momentos 1 º M o m en to Correção das questões e sistematização do texto: “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”. Tempo:  25 min 2 º M o m en to Sistematização e comentários gerais do Bloco II Tempo:  25 min Sugestão: O professor poderá solicitar aos alunos, conforme o tempo disponível, a montagem de uma tabela que relacione os seguintes itens: Nome do cientista, sua nacionalidade, suas contribuições e em que época. Esta tabela pode ser apresentada em formato de slide pelo professor ou pelos alunos. Para sistematização das idéias apresentadas nesse bloco o professor pode preparar uma apresentação em slides para power point ou mesmo para um retroprojetor. Lembrar que postulado significa segundo o dicionário Michaelis: Proposição admitida sem demonstração e que serve de ponto de partida para dedução de novas proposições. Proposição que, não sendo demonstrável nem evidente, se toma como ponto de partida de um raciocínio dedutivo. Dinâmica da aula Sistematizar as idéias do texto, correlacionando com a atividade de espalhamento realizada em sala. Apresentar o modelo atômico de Bohr com suas propostas e seus postulados. Nesse momento o professor deve destacar o significado da palavra postulado ou pedir para os alunos pesquisarem seu significado. O professor durante a correção dos exercícios deve destacar o número de órbitas limitadas e bem definidas para os elétrons, o fato dos elétrons moverem-se sem emitir energia, evitando assim o problema de colapso com o núcleo e a absorção (ou emissão) de uma quantidade exata de energia, quantum, para saltar de uma órbita a outra. Comentários gerais sobre os assuntos desenvolvidos no bloco II. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 52 QUESTÕES SOBRE O BLOCO II Observação: estas questões podem ser trabalhadas em provas, atividades avaliadas, ou de acordo com o objetivo e perspectiva do professor. 1) (Unb 97) A figura adiante ilustra uma das experiências mais fascinantes na evolução da teoria atômica da matéria, realizada por Rutherford, ao bombardear finas lâminas de ouro com partículas alfa. Cada partícula alfa nada mais é do que o núcleo de um átomo de hélio ionizado. A partir do experimento descrito, julgue os seguintes itens e assinale a alternativa correta: (1) Por terem carga positiva, as partículas alfa sofrem desvios de trajetória devido à presença dos núcleos atômicos. (2) No ponto B da figura, a força entre a partícula e o núcleo é a menor possível, porque ela é proporcional à distância que os separa. (3) Rutherford teria obtido os mesmos resultados se, em vez de partículas alfa, tivesse usado nêutrons. (4) O experimento de Rutherford usando o estanho, em vez de ouro, seria inconclusivo, em virtude da enorme variação de cargas entre os diversos isótopos do elemento estanho. (5) O momento linear da partícula alfa incidente não varia. 2) Aponte as diferenças entre os modelos atômicos de Rutherford e Bohr. 3) Com base no modelo de Bohr e seus postulados, explique o que ocorre quando um elétron: a) ganha energia; b) retorna para uma órbita mais próxima do núcleo. 4) Transforme em notação científica: a) raio da Terra = 6 380 000 m b) raio de Bohr = 0,000 000 000 0529 m c) velocidade da luz no vácuo = 300 000 000 m.s -1 d) distância da Terra ao Sol = 150 000 000 000 m e) número de Avogadro = 0,000 000 000 000 000 000 000 0602 5) (UFRGS) Dentre as afirmações apresentadas, qual é correta? a) A energia de um elétron ligado ao átomo não pode assumir um valor qualquer. b) A carga do elétron depende da órbita em que ele se encontra. c) As órbitas ocupadas pelos elétrons são as mesmas em todos os átomos. d) O núcleo de um átomo é composto de prótons, nêutrons e elétrons. e) Em todos os átomos o número de elétrons é igual à soma dos prótons e dos nêutrons 6) (UFRGS) Considerando as seguintes afirmações sobre a estrutura nuclear do átomo. I - O núcleo de um átomo qualquer tem sempre carga elétrica positiva. II - A massa do núcleo de um átomo é aproximadamente igual à metade da massa de todo o átomo. III - Na desintegração de um núcleo radioativo, ele altera sua estrutura para alcançar uma configuração mais estável. Quais estão corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas I e III. d) Apenas II e III. e) I, II e III. 7) (UFMG 99) No modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, a energia do átomo: a) pode ter qualquer valor. b) tem um único valor fixo. c) independe da órbita do elétron. d) tem alguns valores possíveis. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 55 Depois da queda dos árabes, no final do século XI, as idéias gregas voltaram à tona. Desta forma, as concepções monistas e pluralistas continuaram a ser discutidas e defendidas pelos cientistas da Idade Média e Renascimento. Entretanto, em 1647, o filosofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655) publicou um livro distinguindo pela primeira vez átomo de molécula (distinção estabelecida oficialmente no 1º Congresso Internacional de Química, em 4 de setembro 1860) e, parecia propor, que o átomo seria uma parte real da substância, porém invisível e indivisível. Já em 1789, foi editada a primeira tabela periódica contendo 30 elementos, elaborada pelo químico francês Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Ele se baseava no princípio de que “cada elemento de um composto pesa menos do que o composto como todo”. Alguns anos depois, em 1814, o físico químico Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) introduziu a nomenclatura atual dos elementos químicos. Vários outros cientistas, como o inglês John Dalton (1766-1844), o francês Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) e o italiano Amadeo Avogadro (1776-1856), começaram a investigar melhor as substâncias com a finalidade de determinar as massas dos átomos e seus volumes. Desta forma, foram formuladas algumas leis que ajudaram a classificar melhor as substâncias na tabela periódica. Foi então, que em 1869 o russo Dimitri Ivanovich Mendeleiev (1834- 1907) e em 1870 o alemão Julius Lothar Meyer (1830-1895) chegaram, independentemente, a tabela periódica dos 63 elementos, relacionando o peso atômico com suas propriedades, seguindo a seqüência 2, 8, 8, 18, 18, 36 indicando cada período, o número de elementos que apresentavam as mesmas propriedades e assim, Mendeleiev previu a existência de mais alguns elementos que foram detectados posteriormente. Mas, foi devido às experiências relacionadas ao eletromagnetismo, que o caráter indivisível do átomo foi posto em dúvida. Para o físico francês André Marie Ampère (1775- 1836) e o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), era uma questão de tempo mostrar que o átomo tinha constituintes de carga elétrica. Em 1828, o físico alemão Gustav Theodor Fechner (1801-1887), propôs o modelo de que o átomo consistia de uma parte central massiva que atraia gavitacionalmente uma nuvem de partículas quase imponderáveis. Esse modelo foi melhorando por seu conterrâneo Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), colocando a força elétrica no lugar da gravitacional. A primeira evidência experimental sobre a estrutura do átomo foi verificada pelo físico e químico Michael Faraday (1791-1867) ao descobrir, em 1833, o fenômeno da eletrólise (ação química da eletricidade). Ele observou que a passagem da corrente elétrica através de soluções químicas fazia com que os metais de tais soluções se depositassem nas barras metálicas introduzidas nessas soluções. Essa evidência foi corroborada com a teoria iônica desenvolvida pelo químico Svante August Arrhenius (1859-1927) em 1884, segundo a qual os íons que constituíam a corrente através da solução, nada mais eram do que átomos carregados de eletricidade. Uma nova visão do átomo com a descoberta do elétron: o modelo atômico de Thomson Com a descoberta do elétron por J. J. Thomson, o átomo não era visto mais como constituinte elementar do Universo. Com isso, Thomson pode propor, em 1903, uma nova visão do átomo. Seu modelo era descrito da seguinte maneira: o átomo era composto de uma carga positiva uniformemente distribuída em uma esfera de raio da ordem 10 -10 m, “embebida” de elétrons que vibravam em seu interior. Essa forma garantida a neutralidade do átomo, evitando o colapso do átomo. Modelo atômico de Dalton: o átomo é uma esfera maciça, invisível e neutra. Tabela elaborada por Mendeleiev em 1869 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 56 O modelo atômico de Thomson também ficou conhecido como o “Modelo do Pudim de Passas”, no qual as passas representavam os elétrons e a pasta do pudim, a carga elétrica positiva. Questão 1) Que contribuição, o modelo atômico de Thomson, trouxe para a idéia de átomo? PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 57 A descoberta de Rutherford: Um novo modelo atômico As experiências com descargas elétricas em gases, também evidenciaram a existência de partículas positivas. Em 1886, Eugen Goldstein (1850-1931), observou que quando o catodo de um tubo era perfurado em forma de canais, certos “raios” atravessavam o próprio catodo em sentido contrário aos raios catódicos e, por isso receberam o nome de raios canais. Nove anos mais tarde, Jean Baptista Perrin (1870-1942), conclui que esses raios eram constituídos de partículas positivas, chegando a ser determinada a razão entre a carga (q) e a massa (m) por Thomson em 1907. Basicamente esses ”raios” eram íons de Hidrogênio (H + ). No começo do século XX, dois modelos atômicos disputavam a atenção da comunidade científica. Um era o modelo de Thomson de 1903 e o outro, o modelo do japonês Hantaro Nagaoka (1865-1950) de 1904. Para Nagaoka, o átomo era formado por um caroço central positivo rodeado de anéis de elétrons girando com a mesma velocidade angular, semelhante ao planeta Saturno (por isso, ficou conhecido como modelo saturniano). Esse impasse foi resolvido com as experiências realizadas por Rutherford, o inglês Ernest Marsden (1889-1970) e o alemão Hans Geiger (1882-1945), em 1908 sobre o espalhamento de partículas  pela matéria. Rutherford e seus colaboradores, perceberam que as partículas , emitidas por substâncias radioativas, possuíam uma alta energia e uma massa elevada, sendo assim um bom instrumento para sondar o interior de outros átomos. Baseado nessas evidências, Rutherford montou uma experiência com o intuito de bombardear uma fina folha de ouro com essas partículas . Ele percebeu, através de cintilações luminosas produzidas em um anteparo tratado com sulfeto de zinco (ZnS) que, a maioria das partículas atravessavam a folha sem sofrer desvios e outras sofriam pequenos desvios, mas para espanto dele, algumas partículas sofriam desvios até maior que 90°, isto é, espalhamento para trás. Para os pequenos desvios, o modelo de Thomson dava conta de explicar, mas como explicar os grandes desvios? Só se fosse por vários espalhamentos múltiplos o que seria muito improvável. Rutherford pensou que se a carga positiva do átomo estivesse concentrada em uma única região, a força de repulsão seria muito grande para “impactos” frontais. Concluiu então, que os grandes desvios observados só poderiam resultar do encontro de uma partícula  com uma carga positiva concentrada em uma minúscula região do átomo. Em 1911, Rutherford propôs que o átomo se comportava como um sistema planetário em miniatura, formado de uma parte central positiva, à qual denominou núcleo, onde se concentrava praticamente toda a massa do átomo e, ao redor do núcleo, teria uma nuvem de elétrons girando, conhecida como eletrosfera. Com isso, o modelo atômico de Thomson foi derrubado. Utilizando experiências parecidas com aquelas que levaram a confirmação de modelo planetário, só que agora utilizando cilindro contendo hidrogênio (gás) ao invés de uma folha de ouro, Rutherford acreditava que as partículas  seriam capazes de expulsar o núcleo de hidrogênio, pois possuem maior massa e são emitidas com energias elevadas. Realizando esta experiência, ele conseguiu detectar os núcleos em um anteparo fluorescente. Com isso, comprovou a existência de partículas positivas no núcleo fonte radioativa feixe de partículas  Representação do espalhamento realizado por Rutherford para descobrir o núcleo atômico, derrubando o modelo atômico de Thonsom. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 60 Toda essa investigação e descoberta do elétron levaram a uma nova maneira de olhar os constituintes da matéria. Até então, pensava-se que a matéria era constituída de átomos (algo que não poderia ser dividido, ou seja, algo elementar), com a descoberta do elétron, o átomo perdeu seu status elementar e passou a ser visto de outra forma, o que instigou ainda mais a curiosidade humana na busca do elementar. Fazendo com que novas investigações sobre os constituintes da matéria fossem feitas. Desta forma, entre 1895 e 1904 os cientistas haviam descoberto e desvendado a natureza dos raios X, da radioatividade, dos raios catódicos e da transmutação dos elementos. Passando por uma grande revolução na maneira de interpretar e ver a natureza. Questões: 1) Considerando que os elétrons têm carga negativa como se explica a deflexão ao passar pelo campo elétrico existente entre as placas defletoras? 2) Como verificar a natureza dos raios catódicos? Discuta. 3) Indique uma aplicação para o tubo de raios catódicos.Discuta. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 61 BLOCO III – A INTERAÇÃO FORTE E OS QUARKS Com a descoberta do nêutron, houve a necessidade de investigar ainda mais o núcleo para entender a sua estabilidade. Com isso, um modelo de interação de partículas do núcleo foi proposto, descobrindo a Força Forte. Com a Força Forte, vieram indícios dos constituintes dos prótons e nêutron. Assim um novo modelo foi proposto – o modelo dos quarks. 1. Objetivos gerais:  Entender os problemas dos modelos de núcleo e a necessidade da descoberta do nêutron.  Compreender a estabilidade do núcleo.  Compreender a troca de píons entre as partículas do núcleo: Força Forte.  Conhecer os constituintes de algumas partículas – os quarks.  Entender o mecanismo da carga cor e a interação entre os quarks. 2. Conteúdo Físico  Atração e repulsão elétrica.  Movimento de partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos  Interação Forte.  Modelo dos quarks e a carga cor. 3. Leitura complementar As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.  HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.  SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília, Brasília, 1982.  VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.  ALVES, Gilson; CARUSO, Francisco; FILHO, Hélio da Motta; SANTORO, Alberto. O mundo das partículas de hoje e de ontem. Rio de Janeiro: CBPF, 2000.  CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005.  CARUSO, Francisco; SANTORO, Alberto. Do átomo Grego à Física das interações fundamentais. 2ª ed. Rio de Janeiro: AIAFEX, 2000.  TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.  MENEZES, Luis Carlos de. A matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do conhecimento físico. São Paulo: Livraria da Física, 2005.  ALVES, Gilvan Augusto; SANTORO, Alberto; GOMES E SOUZA, Moacyr Henrique. Do elétron ao quark top. Ciência Hoje, V.19, nº 113, Setembro 1995, pp.34 – 44. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 62  GRUPO DE FÍSICA NUCLEAR. Efeito túnel e estabilidade nuclear. Revista do CBPF, pp. 32 – 35. (http://www.cbpf.br/Publicacoes.html)  GRUPO DE RAIOS CÓSMICOS DE ALTAS ENERGIAS. Energia extrema no Universo. Revista do CBPF, pp. 06-09. (http://www.cbpf.br/Publicacoes.html)  César Lattes. Ciência hoje, V.36, nº 215, Maio 2005, pp. 45 – 49.  GILMORE, Robert. Alice no país do Quantum: a Física Quântica ao alcance de todos. Rio de Janeiro: Jorge Zahar ed, 1998.  GILMORE, Robert. O mágico dos Quarks: a física de partículas ao alcance de todos. Rio de Janeiro: Jorge Zahar, 2002.  PIRES, Antônio Sérgio Teixeira. Solução para o desconcertante. Ciência Hoje. V.33, n.193, p.76-79, maio 2003.  SCOCCOLA, Norberto. Pentaquark: nova partícula subatômica? Ciência Hoje. V.35, n.210, p.36-40, nov.2004. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 65 Aula 19 Tema: A descoberta do nêutron e a estabilidade do núcleo. Objetivo: Discutir como o núcleo se mantém coeso depois do nêutron ter sido descoberto. Apresentando o modelo da força forte proposto por Yukawa, através da troca de píons entre as partículas do núcleo. Conteúdo Físico: Interação elétrica; A força forte – interação através da troca de píons. Recursos Instrucionais  Texto de apoio “A solução de um problema: a descoberta do nêutron”  Aula expositiva. Motivação: Compreender como que partículas de mesmo sinal, no caso o próton, podem se manter unida formando o núcleo. Momentos 1 º M o m en to Discussão e resposta das questões do texto: “A solução de um problema: a descoberta do nêutron.” . Tempo:  15 min 2 º M o m en to Colocar a questão: Como o núcleo pode se manter unido se ele é formado de prótons e nêutrons? Tempo:  15 min 3 º M o m en to Iniciar a discussão sobre a proposta de Yukawa para a coesão do núcleo, a proposta da força forte através da troca de píons. Tempo:  20 min Sugestão: Ao expor a questão no segundo momento, o professor deve pedir aos alunos para proporem hipóteses e discutirem elas. Dinâmica da aula Inicie a aula discutindo as questões de texto com os alunos, destacando as principais características do nêutron e da sua descoberta. Faça uma sistematização do texto e, caso nenhum aluno levante a questão sobre a estabilidade do núcleo, faça a proposta, deixando um tempo para eles discutirem. Inicie a discussão sobre a proposta do modelo de Yukawa para a coesão do núcleo. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 66 Aula 20 Tema: A força forte como solução para o problema da instabilidade do núcleo. Objetivo: Discutir como o núcleo se mantém coeso depois do nêutron ter sido descoberto. Apresentando o modelo da força forte proposto por Yukawa, através da troca de píons entre as partículas do núcleo. Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons. Recursos Instrucionais  Texto de apoio: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a força forte”.  Aulas expositivas. Motivação: O surgimento de um modelo para explicar a instabilidade do núcleo devido a descoberta do nêutron. A compreensão do funcionamento deste modelo. A contribuição de um cientista brasileiro para pesquisa internacional. Momentos 1 º M o m en to Leitura e respostas das questões do texto: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a Força Forte”. . Tempo:  25 min 2 º M o m en to Correção e discussão sobre as questões. Sistematização da troca de píons entre as partículas do núcleo. Tempo:  25 min Observação: No texto aparece uma citação do princípio da incerteza e provavelmente o professor tenha de comentar com os alunos o seu significado, devendo, portanto estar preparado para isso consultando antes uma fonte, se julgar necessário. Outro momento que pode exigir uma explicação à parte, em relação às unidades, é quando o texto fala das diferenças de massas. Sugestão: É importante que o professor busque sistematizar bem o processo da troca de píons entre as partículas do núcleo. Dependendo de como vai conduzir a aula e do tempo que pode gastar falando do princípio da incerteza e das unidades o professor pode propor que as questões sejam feitas em casa e entregues na aula seguinte ou ainda utilizar um pedaço da aula seguinte para que os alunos terminem as questões. Dinâmica da aula Durante a correção e sistematização das questões, o professor deve enfatizar que os píons foram previstos primeiro através de modelo teórico e só mais tarde detectados. Também deve ser destacada a contribuição do cientista brasileiro, César Lattes, nessa detecção. Discutir o conceito de píons, a troca dos mesmos e suas conseqüências além das cargas associadas a eles e a conservação de cargas. Por fim merece destaque também as respostas obtidas com esse modelo e as questões que surgem como o status de elementar do próton e do nêutron, e a qual propriedade das partículas está associada à troca de píons. Os alunos têm um tempo a mais para refletirem sobre as idéias do texto respondendo as questões propostas. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 67 Aula 21 Tema: A compreensão da radiação α destacando porque alguns núcleos são radioativos e outros não. Objetivo: Compreender a radiação α de uma forma completa. Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons e radiação α. Recursos Instrucionais  Aulas expositivas.  Texto de apoio: “Entendendo a radiação α”. Motivação: Compreender que a instabilidade do núcleo está ligada a emissão da radiação α, entendendo a diferença entre núcleos radioativos e não radioativos. Momentos 1 º M o m en to Discussão sobre a emissão alfa de alguns núcleos, colocando a pergunta: Porque alguns núcleos são radioativos e outros não? Tempo:  10 min 2 º M o m en to Sistematização, leitura e resolução da questão do texto: “Entendendo a radiação .” Tempo:  30 min 3 º M o m en to |Correção e discussão sobre o problema proposto no texto. Tempo:  10 min Sugestão: Ao propor a questão: porque alguns núcleos são radioativos e outros não? o professor deve aguardar que os alunos exponham suas idéias e hipóteses. Para depois ele sistematizar a resposta. Pode ser solicitado aos alunos um trabalho de pesquisa a ser feito em casa sobre termos que aparecem no texto como: “elétron-volt”, número atômico, número de massa, os números que aparecem na representação dos elementos químicos. Dinâmica da aula Inicie a aula expondo o problema da emissão de alguns núcleos e em seguida peça para que eles elaborem hipóteses sobre a questão. Em seguida, sistematize essas hipóteses, elaborando uma única, que esteja correta. Peça que façam a leitura do texto e resolvam a questão proposta. Faça a correção enfatizando a diferença de massa. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 70 Aula 23 Tema: César Lattes e os mesóns Pi. Objetivo: Destacar a importância do físico brasileiro no cenário internacional, através da contribuição na detecção dos píons previsto pelo modelo de Hideki Yukawa, apresentando inclusive detalhes da parte técnica de seu trabalho. Levantar a questão da divulgação científica no país. Conteúdo Físico: Método de detecção de raios cósmicos. Recursos Instrucionais  Aula expositiva.  Texto de apoio: “César Lattes e o méson Pi”. Motivação: Conhecer a contribuição e a importância de um cientista nacional para o desenvolvimento da física. Momentos 1 º M o m en to Colocar a questão: “Vocês conhecem algum físico que fez contribuições para a Física de Partículas?” Iniciar a discussão com os alunos, procurando ressaltar a contribuição dos brasileiros à Física. Tempo:  15 min 2 º M o m en to Leitura e resposta as questões do texto: “César Lattes e méson pi”. Tempo:  20 min 3 º M o m en to Discussão das questões propostas no texto. Tempo:  15 min Sugestão: O professor pode aproveitar o momento e pedir aos alunos um trabalho extra sobre a vida e trabalho de César Lattes e até mesmo sobre outros cientistas brasileiros. Caso seja possível, mostre alguns recortes de jornal da época da descoberta do méson pi por Lattes. Dinâmica da aula Durante a leitura destacar a importância de César Lattes e seu trabalho e a questão da divulgação científica no país. Durante a discussão dos exercícios, destacar essa questão e ouvir as opiniões deles. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 71 Aula 24 Tema: O modelo de quarks. Objetivo: Mostrar que a algumas partículas são formadas por partículas ainda menores, compreender também a hipótese de uma nova carga (carga cor). Evolução de modelos com a apresentação do modelo de quarks. Conteúdo Físico: Modelo de quarks. Recursos Instrucionais  Roteiro da atividade 7:  Conjunto de figuras com formas e cores diferentes representando as partículas. Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. A tentativa de compreender de que são formados os prótons e nêutrons. Momentos 1 º M o m en to Discutir com os alunos a suspeita de haver uma quantidade menor de partículas no meio de tanta diversidade delas (centenas delas). Discutir o significado da palavra Elementar Tempo:  20 min 2 º M o m en to Iniciar a atividade 7 (1ªparte): Entendendo a estrutura das partículas. Faça um fechamento dessa parte. Inicie a 2ª parte da atividade 7. Tempo:  30 min Sugestão: Para explicação do princípio da exclusão de Pauli, o professor pode levar uma apresentação pronta em slides ou anotar na lousa enquanto eles realizam a 1ª parte da atividade, para aproveitar melhor o tempo. Se a discussão e a realização da atividade for mais demorada que o previsto o professor deve terminá-la efetivamente na próxima aula. Para discutir o significado da palavra elementar seria interessante buscá-la em um dicionário. Dinâmica da aula Inicie a aula comenta sobre a grande diversidade de partículas que se tem (se possível mostre um quadro com as partículas já mostradas) e com desenvolvimento dos aceleradores, um número maior de partículas foram detectadas, tendo partículas com características parecidas com o próton e o nêutron. Assim houve a suspeita que a natureza seria mais simples. Separe os alunos em grupo e proponha a 1ª parte e, em seguida a 2ª parte da atividade 7, mas antes explique o princípio da exclusão de Pauli. Leia atentamente o roteiro com os alunos, utilizando um exemplo. Em seguida faça o fechamento e a sistematização da atividade. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 72 Aula 25 Tema: O modelo de quarks. Objetivo: Relacionar a atividade com o texto de apoio “Os constituintes do nucleons: o modelo de quarks”. Entender a proposta do novo modelo, com as novas partículas que constituem os prótons e nêutrons e suas interações assim como a hipótese da carga cor. Conteúdo Físico: Modelo de quarks. Recursos Instrucionais  Roteiro da atividade 7.  Conjunto de figuras com formas e cores diferentes representando as partículas.  Aula expositiva. Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. De forma organizada e mais sistematizada conhecer a nova família de partículas que compõem os materiais e suas interações. Momentos 1 º M o m en to Discussão e sistematização da atividade, focando na necessidade de um novo número quântico para não violar o princípio da exclusão de Pauli – a carga cor. Tempo:  10 min 2 º M o m en to Propor a 3ª parte da atividade 7. Tempo:  20 min 3 º M o m en to Discussão e sistematização da 3ª parte da atividade Tempo:  20 min Sugestão: Ao violar o princípio da exclusão de Pauli, deixe que os alunos elaborem as suas hipóteses para salvar o princípio da exclusão. Depois dessa discussão faça a proposta da carga cor. Frise bem que a carga cor não tem haver com a cor do espectro de luz, é somente uma denominação para um novo número quântico. Dinâmica da aula Retome a discussão da aula anterior mostrando que o princípio da exclusão de Pauli está sendo violado e deixe que eles elaborem as suas hipóteses. Depois de um tempo de discussão proponha a carga cor. Em seguida proponha a 3ª parte da atividade 7. Faça a discussão da atividade com uma sistematização. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 75 2ª parte: Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras. Utilizando as figuras, procure estabelecer um modelo (como uma lei ou regra) para a formação de próton (carga: +1, spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores 1, 1/2, 0, - ½, -1 e para carga valores fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3. Sugestão de regra: os spins e as cargas devem ser somadas algebricamente No quadro abaixo coloque os valores que “deram certo”: Spin Carga + + = partícula com spin___ e carga___ OU + + = partícula com spin___ e carga___ OU + + = partícula com spin___ e carga___ OU + + = partícula com spin___ e carga___ 3ª parte: Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras todas brancas. Utilizando as figuras, procure estabelecer um modelo (como uma lei ou regra) para a formação de próton (carga: +1 * , spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores ±1, ±1/2, 0 e para carga os valores fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3. Sugestão de regra: as cargas devem ser somadas algebricamente e os spins devem ser somados segundo regras específicas para soma de spins. Exemplo1: Se S1= ±1/2 e S2 = ±1/2, então S1+ S2 pode assumir os valores +1, 0 ou -1 Exemplo2: Se S1= S2= S3= ±1/2, então S1+ S2 + S3 pode assumir os valores +3/2, +1/2, -1/2, -3/2 Coloque aqui a sua resposta ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Observação: Lembrando que o princípio de exclusão de Pauli estabelece que duas partículas não possam ocupar o mesmo estado quântico, responda: Os constituintes (as três figuras) obedecem ao princípio da exclusão de Pauli? PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 76 4ª parte: Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras,cada uma com cor diferente. Utilizando as figuras, procure estabelecer um modelo (como uma lei ou regra) para a formação de próton (carga: +1 * , spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores ±1, ±1/2, 0 e para carga os valores fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3. Sugestão de regra: as cargas devem ser somadas algebricamente e os spins deve ser somadas segundo regras específicas para soma de spins. Exemplo: Se S1= ±1/2 e S2 = ±1/2, então S1+ S2 pode assumir os valores +1, 0 ou -1 Coloque aqui a sua resposta ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________________________________ Com a inclusão das cores pode-se concluir que o modelo satisfaz o Princípio de Pauli? Justifique. Observação: notem que a soma das três cores dá a cor branca PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 77 Aula 26 Tema: O modelo de quarks. Objetivo: Consolidar as idéias sobre os quarks e sobre a carga cor, apresentadas nas aulas anteriores. Conteúdo Físico: O modelo de quarks, interação entre os quarks através dos glúons. Recursos Instrucionais  Texto de apoio: “Os constituintes do nucleons: o modelo de quarks”  Aula expositiva. Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. De forma organizada e mais sistematizada conhecer a nova família de partículas que compõem os materiais e suas interações. Momentos 1 º M o m en to Leitura e resposta das questões do texto; “Os constituintes dos núcleons: o modelo dos quarks”. Tempo:  25 min 2 º M o m en to Correção e sistematização das questões Tempo:  25 min Sugestão: Tente fazer um esquema do modelo dos quarks e da troca de glúons na lousa. Caso haja tempo sobrando, o professor pode acessar o site: www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/atom, onde tem uma simulação da formação de partículas e de alguns átomos. Peça aos alunos para a próxima aula que tragam as dúvidas sobre os conceitos estudos durante o bloco III. Dinâmica da aula Entregar o texto para a leitura e respostas das questões (faça com que os alunos sentem em grupo para discutir as questões). Em seguida faça a correção das questões, buscando fazer uma sistematização do modelo dos quarks e a troca de glúons entre eles. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 80 QUESTÕES SOBRE O BLOCO III 1) (Uerj 2000) Prótons e nêutrons são constituídos de partículas chamadas quarks: os quarks u e d. O próton é formado de 2 quarks do tipo u e 1 quark do tipo d, enquanto o nêutron é formado de 2 quarks do tipo d e 1 do tipo u. Se a carga elétrica do próton é igual a 1 unidade de carga e a do nêutron igual a zero, as cargas de u e d valem, respectivamente: a) 2/3 e 1/3 b) -2/3 e 1/3 c) -2/3 e -1/3 d) 2/3 e -1/3 2) (Unesp 91) Em 1990 transcorreu o cinqüentenário da descoberta dos "chuveiros penetrantes" nos raios cósmicos, uma contribuição da física brasileira que alcançou repercussão internacional. [O Estado de São Paulo, 21/10/90, p.30]. No estudo dos raios cósmicos são observadas partículas chamadas "píons". Considere um píon com carga elétrica +e se desintegrando (isto é, se dividindo) em duas outras partículas: um "múon" com carga elétrica +e e um "neutrino". De acordo com o princípio da conservação da carga, o "neutrino" deverá ter carga elétrica: a) +e b) –e c) +2e d) -2e e) nula 3) (Unesp 96) De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a existência de 12 quarks na natureza, mas só dois tipos formam os prótons e nêutrons, o quark up(u), de carga elétrica positiva, igual a 2/3 do valor da carga do elétron, e o quark down (d), de carga elétrica negativa, igual a 1/3 do valor da carga do elétron. A partir dessas informações, assinale a alternativa que apresenta corretamente a composição do próton e do nêutron. (I) Próton. (II) Nêutron a) (I) d, d, d, (II) u, u, u b) (I) d, d, u, (II) u, u, d c) (I) d, u, u, (II) u, d, d d) (I) u, u, u, (II) d, d, d e) (I) d, d, d, (II) d, d, d PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 81 A solução de um problema: a descoberta de nêutron A experiência de Rutherford havia mostrado que os núcleos atômicos não eram maciços e sim constituído por partes (prótons), descrevendo um novo modelo atômico. Mas ao ser determinado isso, uma questão foi levantada, ficando sem resposta. Além dos prótons, existiriam elétrons também no núcleo? Muitos pensavam que sim. A idéia da existência de elétrons no núcleo era muito bem elaborada. Sabia-se que a radiação β tem carga negativa, ou seja, que são elétrons emitidos por núcleos radioativos. Além disso, para que a relação carga-massa fosse correta para o núcleo, necessitaria de uma carga negativa nele. Isso porque o valor da massa do núcleo era aproximadamente igual ao dobro do valor da sua carga. Então para o núcleo de Nitrogênio, por exemplo, sendo sua carga (número atômico) igual a 7, sua massa atômica deve ser 14. Essa relação já havia sido constatada e como a massa do elétron é, cerca de 2000 vezes menor do que a do próton, desta forma, sua massa, praticamente não afetaria a massa do núcleo. Então, era razoável pensar que existissem elétrons no núcleo Sendo isso, um outro bom argumento favorável à existência de elétrons no núcleo. O núcleo de Nitrogênio teria então 14 prótons e 7 elétrons, com mais 7 elétrons em sua volta. Portanto no núcleo teríamos 21 partículas. Assim, a imagem de átomo que se tinha era que existiam números iguais de elétrons e prótons, para garantir a neutralidade do átomo. Sendo que estes últimos estariam concentrados no núcleo com a metade dos números de elétrons juntos a eles que garantiria a estabilidade do núcleo. A outra metade dos elétrons, estariam em movimento em torno do núcleo, como previa Bohr. Então era plausível pensar que no núcleo existem elétrons! Mas como essa idéia foi por água abaixo? Outras medidas mostraram que esse modelo não era consistente. Como os prótons e elétrons têm momento angular (spin) fracionário (1/2), era de se esperar que núcleos como do Nitrogênio (N) também tivesse esse valor semi-inteiro, mas as medidas mostravam que não. Os núcleos tinham momento angular inteiro. Ora, se o novo modelo do núcleo supunha que existiam elétrons que correspondiam a metade do número de prótons (por isso o núcleo é positivo e a massa dele é o dobro do número dos prótons), como explicar essa diferença do modelo pra as medidas? Essas questões levaram a Rutherford a suspeitar que no núcleo não existiam elétrons mas sim, uma outra partícula que teria massa igual ao próton, mas sem carga elétrica e supunha ser um estado fortemente ligado de um próton com um elétron. Nessa época, muitas experiências eram feitas bombardeando radiação  em alvos, com o intuito de investigar as reações nucleares. Em uma dessas, Walther Bothe (1891-1957) e Herbert Becker (1887- 1955), dois físicos alemães, bombardearam radiação α sobre numa amostra de Berílio (Be) e perceberam que era produzido uma radiação com grande poder de penetração na matéria. Eles acharam que poderia se tratar de raios X mais energéticos. Mas, Frederic Joliot Curie (1900-1958) e Irène Curie (1897-1956), observaram dois fenômenos surpreendentes. Essa radiação atravessava facilmente folhas metálicas (algo que não ocorria com os raios X) e, ao atravessar um bloco composto de Carbono e Hidrogênio (parafina), ela provocava a ejeção de prótons com uma energia razoável. Achavam que se tratava de um novo tipo de radiação. Entretanto, eles não tiveram a inspiração para uma conclusão sobre uma nova partícula. Isso foi feito em 1932 por James Chadwick (1891-1974), um físico inglês que trabalhava com Rutherford e se interessava por questões do núcleo. Conhecedor das idéias de Rutherford, Chadwick percebeu que essa nova radiação constituía, ou melhor, tinha fortes indícios de ser a partícula procurada por seu colega, pois ela deveria ter carga nula, por atravessar facilmente as folhas de metais, indicando que não interagia. Também teria massa elevada e assim energia suficiente para arrancar os núcleos de hidrogênio (prótons) do bloco de parafina, que como se sabe é rica em Hidrogênio. Os prótons foram identificados usando uma câmara de nuvens, também conhecida como câmara de Wilson. As energias dos prótons foram determinadas através dos seus PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 82 alcances em diferentes gases introduzidos na câmara. Com base em massas dos átomos dos gases, já determinados anteriormente, Chadwick conclui que ser, de fato, uma partícula de carga nula e massa próxima ao do próton. Estava assim descoberto o NÊUTRON, o mais novo constituinte da matéria. Mais uma vez a física passava por uma nova revolução e a natureza era vista de outra maneira. Agora, o átomo que há menos de 40 anos era algo indivisível, passava a ser constituído por três partículas: elétron, próton e nêutron. Assim, o Nitrogênio passou a ser constituído por 7 prótons e 7 nêutrons no núcleo, portanto 14 partículas, e com 7 elétrons girando ao redor. Como prótons e nêutrons têm spin ½ , o núcleo pode ter spin inteiro de acordo com as observações experimentais. Também estava desvendada a constituição da radiação , que já se sabia ser o núcleo do átomo de He, passava a ser composto por dois prótons e dois nêutrons e, compreendendo ainda melhor a transmutação dos elementos. Porem, ainda não se sabia porque somente algumas substâncias irradiavam naturalmente. 232 Th  228 Ra +  Estava resolvida mais uma questão. No entanto, algo ainda não estava soando bem. Com a descoberta do nêutron, a estabilidade do núcleo estava comprometida já que a teoria eletromagnética descreve que partículas de mesmo sinal de carga elétrica devem se repelir. Então ficava a questão no ar: como o núcleo constituído de prótons (positivos) e nêutrons (sem carga) poderiam ser estáveis? Questão: 1) devem ser emitidas em cada caso: a) XTh 21682 232 90  b) YPu 20876 244 94  PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 85 nêutron -7,26 MeV próton -6,12 MeV deuteron -10,70 MeV  +5,41 MeV Entendendo a radiação  Já se sabia que alguns núcleos radioativos têm a propriedade de emitirem, espontaneamente, radiação  e, essa radiação  é na verdade o núcleo ionizado do Hélio (He ++ ), ou seja, é constituída de dois prótons e dois nêutrons. O que ainda não se compreendia era porque alguns núcleos são radioativos e outros não. A resposta a essa questão pôde ser elaborada depois do desenvolvimento da teoria da força forte. Mas como foi isso? Pode-se notar que os elementos que possuem número de prótons superior a 82 (Z83) são teoricamente instáveis em relação a radiação  (decaimento ). Isso está relacionado à força forte e a força elétrica de repulsão. Quando temos núcleos com um número elevado de prótons (maior do que 83) o raio atômico cresce e a repulsão começa a superar a força forte, pois essa última, por ter um pequeno raio de atuação, começa a atuar somente entre os vizinhos mais próximos. Desta forma, o núcleo torna-se instável. Para buscar a sua estabilidade, ele emite continuadamente, radiação , ou seja, ele perde prótons e nêutrons até chegar no núcleo estável, que é o caso do chumbo - Pb (Z =82). Contudo, para que a emissão seja efetiva, a partícula alfa precisa vencer a barreira de coulombiana criada pelo núcleo residual, o que é traduzido na linguagem quântica, por certa probabilidade de “tunelamento” através da barreira de potencial. A figura mostra o potencial de um núcleo de raio R, chamado de barreira coulombiana. Nela, vemos que a partícula alfa () não tem energia suficiente para atravessar a barreira. No entanto, graças ao efeito túnel, a alfa terá uma probabilidade de atravessar essa barreira, o que ocorrerá em determinado tempo t. Um detalhe a ser destacado aqui é: quanto maior for a energia da partícula alfa, maior será a probabilidade dela atravessar a barreira, uma vez que a barreira se tornará mais estreita. O quadro ao lado indica as energias de ligação de algumas partículas, para o estado ligado do elemento 232 U92. O valor negativo indica que é necessário fornecer uma quantidade de energia para que essas partículas possam ser emitida pelo núcleo, tendo uma possibilidade muito remota de atravessar a barreira de potencial, pois se encontra em uma região que a barreira de potencial é muito larga. Já no caso da a (He ++ ), essa energia é positiva, estando em uma região onde a barreira de potencial é estreita, dando a ela uma probabilidade maior de ser emitida. Um ponto interessante, que veremos ao longo do curso é que nem sempre a soma das massas das partes é igual a massa do todo. Vejamos o exemplo do deuteron ( 2 H1). M = M( 2 H1) - mp - mn M = 1875,613 - 938,272 - 939,533 M = -2,192 MeV Essa diferença é devido a relação entre energia-massa (E = mc 2 ), parte da energia é necessária para manter o próton e o nêutron ligados. Agora se quiser separar os dois, é necessário suprir uma energia que deve ser igual a essa diferença (-2,192 MeV). No caso do deuteron, a diferença de energia é utilizada para ligar o próton e o nêutron para formar o núcleo. V(r) r R E () -V0 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 86 Essa diferença na massa, também fornece a idéia se o núcleo é estável ou não. Se M  0, o núcleo é INSTÁVEL e tem a probabilidade de decai em outro núcleo através de tunelamento. Se M  0, o núcleo é ESTÁVEL. Teoricamente, essa é a explicação da instabilidade do núcleo em relação a radiação  através da massa. Todo núcleo original (denominado núcleo mãe) que tem massa maior do que a soma do núcleo filho e a partícula  ra de potencial. Como exemplo, podemos ver o caso do Thório 232 . 232 Th  228 Ra +  mTh = 232,038051 u mTh  mRa + m mRa = 228,031064 u 232,038051 u  232,033666 u  M = 0,004385 u m = 4,002602 u u = 931,494 MeV/c 2 Assim, a energia de repouso do 232 Th é maior do que a soma das energias do 228 Ra e da partícula , significando que o thório é instável, tendo uma possibilidade grande de emitir uma radiação . Essa diferença na massa significa que ele tem energia sobrando e que, essa energia serve para emitir espontaneamente uma . Analisemos também o caso do núcleo de Urânio 238. Ele desintegra-se por emissão de uma partícula alfa, dando como produto o núcleo do Tório. Diz-se, então, que o núcleo do Urânio é radioativo com respeito à emissão alfa.  92 238U 90 234Th2 4He A radioatividade do Urânio é em parte possível porque a massa do Urânio é maior do que a soma das massas do Tório e da partícula alfa, ou seja, o balanço massa-energia é favorável para ocorrer a desintegração. Questão 1) É possível o Rádio 224 emitir uma partícula e se transformar no Radônio 220? um Ra 020187,224224  ; um Rn 011369,220220  PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 87 Aceleradores de partículas* Vamos analisar agora o lado experimental das coisas e discutir algum dos equipamentos utilizado em física das partículas. A fim de atingir as altas energias necessárias em física de partículas, as experiências são realizadas num dos grandes aceleradores, embora algum trabalho seja ainda feito com radiação cósmica. Os aceleradores são muito convenientes porque fornecem feixes intensos de partículas, que podem ser rapidamente escolhidos e controlados pelo experimentador. A sua única limitação é a energia máxima da máquina. Têm sido construídos aceleradores que permitem obter partículas cujas energias já atingem ordem de TeV (10 12 eV). A radiação cósmica fornece um feixe de partículas proveniente do exterior da Terra, embora este feixe tenha as desvantagens de não estar sob controle do experimentador e de ser de intensidade muito menor do que os feixes produzidos por um acelerador. Contudo, a experiência com radiação cósmica tem uma grande vantagem para certos fins: algumas das partículas da radiação cósmica tem energias muito superiores às disponíveis em qualquer acelerador. Como o custo de um acelerador e da ordem de dezenas ou mesmo de centenas de milhões de dólares, o número de máquinas disponíveis e tanto menor, quanto maior é a energia e dimensão das mesmas. Assim, os cientistas de todas as partes do mundo agrupam-se nos Centros de energias mais elevadas para realizar as suas experiências. Basicamente, eles estão divididos em dois grupos, uns aceleram prótons e outros elétrons. Há algumas diferenças essenciais entre máquinas nos dois grupos, mas para os nossos fins a diferença importante e no que diz respeito à espécie de partículas que produzem. Os aceleradores de elétrons são geralmente usados como fontes de elétrons ou de feixes de fótons, enquanto os aceleradores de prótons são usados para produzir feixes de prótons, mésons, ou antiprótons, entre outros. Vamos discutir um pouco o funcionamento de um acelerador de prótons. Embora os aceleradores de elétrons sejam semelhantes em princípio, muitos deles são construídos com configuração mais linear que circular. Basicamente, eles consistem num tubo longo, oco, encurvado na forma de um anel de aproximadamente 60 m de diâmetro. O feixe de prótons percorre o tubo, mantido numa órbita circular por um campo magnético fornecido por oito grandes ímãs colocados ao longo da circunferência do anel. Em cada volta, os prótons passam através de três cavidades aceleradoras com uma queda de tensão de 20000 volts em cada, de modo que um próton ganha uma energia de 60.000 elétron-volt em cada volta no anel. É claro que à medida que a velocidade do próton aumenta, o campo magnético é também aumentado a fim de manter o feixe no mesmo círculo. Os prótons são obtidos ionizando hidrogênio numa descarga elétrica, muito mais que numa lâmpada de néon. Então são acelerados a 50 MeV num acelerador linear (linac), que consiste em 124 aceleradores eletrostáticos em linha. Em cada 4 segundos um ímã é pulsado a fim de guiar um feixe de prótons desde a extremidade do linac através de uma janela de metal fina, para o anel principal, onde permanecem durante cerca de 200.000 (duzentas mil) revoluções, até atingirem a energia completa. Isto leva cerca de 0,2 segundos, durante os quais percorrem 56000 Km – maior que a distância à volta do Mundo! Nesta altura há cerca de 10 12 prótons, cada um com a energia de 12,5 GeV, no feixe que circula no interior do acelerador. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 90 u u d próton d u d nêutron u d píon _ Os constituintes do núcleons: o modelo de quarks A proposta, na década de 30, da força forte entre os nucleons (prótons e nêutrons) por Yukawa foi confirmado na década de 40, pela detecção do píon (), a partícula mediadora dessa nova força, por um grupo de pesquisadores no qual o brasileiro César Lattes fazia parte. Assim o caráter elementar do próton e do nêutron começou a ser colocado em dúvida. Mas não era somente esta questão que abalava a estrutura elementar do próton e do nêutron. Com o desenvolvimento dos aceleradores, novas partículas com propriedades bem parecidas com as do próton e nêutron, foram sendo produzidas. Partículas como o sigma mais ( + ), que tem a mesma carga e spin do próton, porém mais pesado (1189 Mev/c 2 ); lambda zero ( 0 ) com carga nula e spin ½, igual ao nêutron, no entanto, com mais massa (1116 Mev/c 2 ) e a partícula káon zero (k 0 ) que possui as mesmas propriedades do píon, mas com massa bem maior (498 Mev/c 2 ). Além dessas, outras partículas foram produzidas e, “misteriosamente” apresentavam praticamente as mesmas propriedades. Essas evidências levaram os cientistas a suspeitarem de se tratar de partículas pertencentes a uma mesma família. Essa família recebeu o nome de hádrons (que significa, em grego, “forte”, “robusto”) que seriam as partículas que interagem por meio da força forte. Com isso, reforçava-se a dúvida sobre o caráter elementar dessas partículas. Os cientistas suspeitaram que a natureza poderia ser descrita por uma forma mais simples e não através de uma enorme quantidade de partículas. Então veio a questão: será que os hádrons não possuem uma estrutura interna? Para responder essa questão, o norte-americano Murray Gell-Mann (1929- ) e George Zweig (1937- ) propuseram que essas partículas (hádrons) seriam constituídas de partículas ainda menores, que foram designadas de quarks (nome dado por Gell-Mann). Assim, partículas como o próton e o nêutron seriam formandos por três quarks, recebendo o nome de bárions (em grego, significa “pesado”) e as partículas como os píons e o káon seriam formados por dois quarks(quark – antiquark), recebendo o nome de mesóns. Esses quarks se apresentariam em três versões (depois chamados de sabores) up (u); down (d) e strange (s). Teriam spin fracionário (1/2) como os próprios bárions e sua carga, seria frações da carga do elétron (1/3, 2/3). Desta forma, o próton, por exemplo, seria formado por dois quarks up e um down (u,u,d) e o nêutron, por dois down e um up (u,d,d). Mais tarde, algumas evidências (que discutiremos depois) levaram os físicos a suspeitarem da existência de mais três tipos de quarks, que foram o charm (c) detectado em 1974; o bottom (b) detectado no final da década de 70 e por último o top (t) detectado em 1995. Assim, ficaria completa a estrutura do modelo dos quarks com seus seis sabores: up; down; strange; charm; bottom e top. Mas algo não estava muito bem com essa proposta. Já que eram partículas de spin fracionário (1/2), deveriam obedecer ao principio da exclusão de Pauli que diz que “duas partículas iguais, não podem ocupar o mesmo estado quântico, ou seja, três quarks do mesmo sabor não poderiam existir numa mesma partícula. Porém, tinha uma partícula com essa característica, o delta dois mais -  ++ (u,u,u), violando esse princípio. Então o que estaria errado? A carga cor Para solucionar esse impasse, em 1964 o físico norte-americano Oscar W. Greenberg, sugeriu que cada “sabor” dos quarks poderia existir em três estados diferentes, que ele chamou de vermelho (vm), verde (vd) e azul (az). Essas seriam as “cargas cores” do quarks, algo parecido com a carga elétrica, só que em 3 tipos distintos. Aqui a palavra cor não tem nada haver com o termo empregado habitualmente, ou seja, não são as cores do espectro de luz visível. Partícula Carga elétrica Spin Massa MeV/c2 Sigma mais (+) +1 3/2 1189 Delta mais (+) +1 3/2 1235 Lambda zero (0) 0 1/2 1116 Delta dois mais (++) +2 3/2 1233 Káon zero (k0) 0 1 498 PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 91 Assim, nessa proposta, os quarks só poderiam se agrupar de tal forma que os hádrons formados, fossem incolor. Desta forma, os bárions seriam formados por um quark de cada cor, de tal maneira que o resultado final fosse branco. Já os mesóns, seriam formados por dois quarks, um de uma cor e o outro, com a cor complementar (anticor), que somadas dariam branco. Por esse motivo, não se observaria nenhum efeito das cores fora dos hádrons. Mas de que maneira um quark atrairia o outro, formando essas partículas? Junto com a teoria da carga cor, estava previsto também a maneira como os quarks deveriam interagir. Assim como as cargas elétricas se atraem quando são diferentes e se repelem quando são iguais; aconteceria o mesmo com a cor. Quarks de mesma cor se repelem e, de cores diferentes se atraem. Essa atração ocorreria também entre a cor e sua complementar (anticor). Essa interação entre as cores seria dada por uma nova partícula: os glúons, que seriam uma espécie de cola ou mola entre os quarks, prendendo-os. À medida que um quark fosse se afastando do outro sua intensidade aumentaria, sendo difícil retirar um quark dessa formação. Desta forma, os glúons seriam os mediadores da força forte entre os quarks, devido à carga cor. O papel dessa partícula na interação forte é fazer a troca de cores entre os quarks, mantendo-os unidos. Quando um quark vermelho (qvm) emitisse um glúon vermelho antiazul se tornaria azul (qaz). É dessa forma que os quarks interagem entre si, emitindo glúons e trocando de cores. A teoria previa também, que essa nova partícula: os glúons, não teriam carga elétrica e nem massa de repouso, tendo spin inteiro (1) e sendo bicolores (cor + anticor 1 ), não podendo ser branco, ou seja, cor+anticor complementares. Então, seriam no total de oito glúons. Depois disso tudo, como ficava a interação entre os nucleons através dos píons? Com o modelo dos quarks, a interação entre os nucleons passou a ser vista como uma manifestação secundária das forças entre os quarks (força forte residual). Mas como isso ocorre? Quando uma grande quantidade de energia é fornecida a um sistema de quarks, um par de quarks é criado, dando origem aos píons de Yukawa. Apesar dos físicos acreditarem que o quark é real, ainda não se conseguiu detecta-lo isoladamente, ou seja, só temos quarks enquanto constituintes dos hádrons. As evidências que fizeram os físicos acreditarem na existência do quark está baseada nas experiências com espalhamento de partículas. Aquelas mesmas experiências utilizadas por Rutherford para “encontrar” o núcleo. Só que aqui, temos os prótons sendo bombardeados com elétrons que os atravessam, sofrendo pequenas deflexões ao interagir com os quarks ou são ricocheteados ao colidir com eles no interior dos prótons. Questões: 1) Os glúons são partículas mediadoras da força forte e atuam em partículas que têm carga cor. Sabendo disso, seria possível os glúons interagirem entre si? Justifique. 2) Sabendo-se que para um quark mudar sua cor, ele tem que emitir um glúon. Qual é a cor e a anticor do glúon emitido para um quark azul se tornar verde? AZUL ANTI AZUL amarelo ANTI VERMELHO ciano ANTI VERDE magenta VERDE VERMELHO Esquema da cores e de suas misturas PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 92 BLOCO IV – A INTERAÇÃO FRACA Discutir as idéias que levaram a descoberta do neutrino e o que isso implicava para física na época, mostrando a suas propriedades. Com base nessa descoberta foi feita a formulação da interação fraca, que atua no interior das partículas, modificando o sabor dos quarks. Com isso pode-se entender o processo da radiação . 1. Objetivos gerais:  Entender o problema da emissão  pelo núcleo.  Compreender os aspectos do neutrino.  Entender o mecanismo da interação Fraca. 2. Conteúdo Físico  Conservação de momento.  Conservação de energia.  Interação Fraca. 3. Leitura complementar As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.  HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.  SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília, Brasília, 1982.  VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.  ALVES, Gilson; CARUSO, Francisco; FILHO, Hélio da Motta; SANTORO, Alberto. O mundo das partículas de hoje e de ontem. Rio de Janeiro: CBPF, 2000.  CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005.  CARUSO, Francisco; SANTORO, Alberto. Do átomo Grego à Física das interações fundamentais. 2ª ed. Rio de Janeiro: AIAFEX, 2000.  TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.  NATALE, Adriano A.; GUZZO, Marcelo M. Neutrino: partículas onipresentes e misteriosas. Ciência Hoje. V.25, n.147, p.34, mar.99  JOLIE, Jan. Supersimetria: experiências tentam confirmar teoria que relaciona partículas subatômicas. Scientific American do Brasil, nº 3, Agosto 2002. 4. Quadro Sintético 1 As anticores são: antiazul (az) - amarelo; antivermelho (vm) - ciano; antiverde (vd) – magenta PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 95 Aula 30 Tema: A descoberta do neutrino e força fraca Objetivo: sistematizar o modelo do decaimento  através do neutrino e a força fraca. Conteúdo Físico: Conservação de momento linear e de energia, interação fraca. Recursos Instrucionais  Texto de apoio “A descoberta do neutrino: uma nova interação”  Aula expositiva. Motivação: Entender o processo da força fraca e a emissão . Momentos 1 º M o m en to Sistematização, leitura e resolução do exercício do texto: “A descoberta do neutrino: uma nova interação”. Tempo:  15 min 2 º M o m en to Correção e discussão do exercício. Tempo:  15 min 3 º M o m en to Proposta de mais exercícios. Tempo:  20 min Dinâmica da aula Inicie a aula entregando o texto para leitura dos alunos e peça a eles para responderem as questões. Faça a correção das questões fazendo uma discussão e em seguida uma sistematização geral das idéias do texto. Tente fazer isso de uma forma bem detalhada, pois se trata de um conceito novo e bem fora da realidade do aluno e do próprio ensino. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 96 Aula 31 Tema: A força forte como solução para o problema da instabilidade do núcleo. Objetivo: Discutir como o núcleo se mantém coeso depois do nêutron ter sido descoberto. Apresentando o modelo da força forte proposto por Yukawa, através da troca de píons entre as partículas do núcleo. Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons. Recursos Instrucionais  Texto de apoio: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a força forte”.  Aulas expositivas. Motivação: O surgimento de um modelo para explicar a instabilidade do núcleo surgida com a proposta do nêutron. A compreensão do funcionamento deste modelo. A contribuição de um cientista brasileiro para pesquisa internacional. Momentos 1 º M o m en to Correção e discussão dos exercícios extras Tempo:  25 min 2 º M o m en to Sistematização geral sobre o neutrino e a interação Fraca. Tempo:  25 min Sugestão: É importante que o professor busque sistematizar bem o processo da troca de píons entre as partículas do núcleo. Dependendo de como vai conduzir a aula e do tempo que pode gastar falando do princípio da incerteza e das unidades o professor pode propor que as questões sejam feitas em casa e entregues na aula seguinte ou ainda utilizar um pedaço da aula seguinte para que os alunos terminem as questões. Dinâmica da aula Corrigir os exercícios complementares, dando ênfase nos diagramas e na emissão dos bósons da força fraca. Em seguida, sistematize, de maneira clara, os conceitos com auxilio da resolução dos exercícios. PARTÍCULAS ELEMENTARES NUPIC/LAPEF 97 Exercícios Complementares Represente em forma de diagramas os decaimentos abaixo: a) eepn   b)    c) 0   d)   0 e)   p f) 0  g) p 0