Física de partículas
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Universidade Federal do Rio GrandeInstituto de Matemática, Estatística e Física
Kauê Bandeira ; Cesar KrumreichProf. Dr. Luiz Fernando Mackedanz
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Entre 1895 e 1897 foram feitas 3 descobertasexperimentais que teriam grandes implicações ao longode todo século XX:
A descoberta dos Raios X por Röntgen.A descoberta da radioatividade natural por Becquerel.A descoberta do elétron por Thomson.
As duas primeiras foram por acaso.
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Como Thomson chegou a conclusão de que os elétrons são os constituintes universais da matéria?
Pois, independente do material colocado no catododos raios catódicos, a razão carga/massa era sempre amesma!
Mas de onde se originam os Raios-X?
Os Raios-X provém da transição de elétrons em órbitas muito elevadas.
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Vamos pensar um pouco...
Sabemos que quando um elétron passa da terceira órbita para a segundaele emite um fóton com comprimento de onda correspondente a cor vermelha.Se ele passa da quarta orbita para a segunda ele emite um fóton comcomprimento de onda da cor verde. O que está acontecendo com ocomprimento de onda? Para que o átomo emita um fóton com comprimento deonda da ordem do Raio-X o que é necessário que ocorra com o elétron?
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A descoberta de Thomson e outras experiências posteriores,mostraram que os portadores da eletricidade negativa sãoconstituintes universais da matéria, eis que surge a primeirapartícula elementar: o elétron.
Nos anos seguintes, ficou claro que os raios-X são ondaseletromagnéticas de grande energia e que a radioatividade era umfenômeno nuclear.
Então, até o começo dos anos 30 se imaginava que todos osfenômenos naturais tinham origem em apenas duas forçasfundamentais: a gravitação e a eletromagnética.
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Campos Clássicos
Campo gravitacional
Massa
Campo eletromagnético
Carga
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Por que tantas coisas neste mundo compartilham as mesmas características?
As pessoas concluíram que a matéria que compõe o mundo é naverdade um conglomerado de alguns blocos fundamentais de construçãoda natureza. A palavra "fundamental" é a chave aqui. Entendemos porblocos fundamentais de construção objetos que são simples e semestrutura - não são constituídos por nada menor. Mesmo naAntigüidade, as pessoas procuravam organizar o mundo ao seu redor emelementos fundamentais, como terra, ar, fogo e água
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Hoje nós sabemos que há algo mais fundamental que terra, água, ar e fogo...
O Átomo!
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Ora, mas qual é a estrutura de um átomo?
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Sabemos que o núcleo atômico é formado por prótons e nêutrons, será que eles são as partículas fundamentais?
Os prótons e nêutrons, não são fundamentais. Eles são formados pelos quarks!
Próton Nêutron
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Ora, mas se existem vários prótons e nêutrons dentro doNúcleo, de urânio, por exemplo. Como que essas partículasconseguem ficar a distâncias tão pequenas umas das outras? E arepulsão Coulombiana, onde fica nessa história?
Força de Repulsão Eletrostática
Força de Repulsão Eletrostática
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Ora, mas seesses prótons enêutrons estão dentrodo núcleo atômico, oque os mantém presoslá dentro? Algumaoutra força?
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Foi em 1935 que um Físico chamado Hideki Yukawa percebe anecessidade de implementação de mais uma força, no modelo dadescrição da natureza. Eis que surge a Força Nuclear.
Agora, podemos concluir que essa Força Forte é muito, mas muito,maior do que a Força Elétrica (que faz objetos com cargas iguais serepelirem).
Força Nuclear
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Conclusão: A Força Forte surgiu para explicar como os nucleons(nome genérico dado aos constituintes do núcleo) estão ligados dentrodo núcleo e a Força Fraca surgiu para explicar a estabilidade atômica.Portanto:
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Agora temos quatro forças fundamentais na natureza:
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Mas onde será que essas forças atuam?
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Agora vamos definir alguns conceitos, antes de prosseguir com nosso raciocínio.
O que são Hádrons? Hádrons são partículas, que possuem uma estruturainterna. Ou seja, são formadas por partículas ainda menores. Exemplos:Prótons e Nêutrons.
O que são os nucleons? Nucleons são as partículas que se encontramdentro do núcleo atômico. Exemplo: Prótons e Nêutrons.
O que são os Léptons? São as partículas que não possuem estruturainterna. O mais conhecido é o elétron.
Será que Hádrons e Nucleons são a mesma coisa? Não necessariamente. Todo Nucleon é um Hádron, mas nem todo Hádron é um Nucleon.
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Todas as coisas que existem na natureza são formadas por Léptons e Quarks.
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Mas o que é esse tal de modelo Padrão?
O Modelo Padrão é uma teoria que explica as partículas e asforças fundamentais. Explica do que o mundo é feito e o que omantém unido. Contudo, ainda existem muitas questões a seremrespondidas.
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• Primeiramente precisamos dos quarks
• Agora que temos os ingredientes, precisamos do tempero. Precisaremos de uma pouco de Força forte para manter esses quarks ligados dentro do núcleo.
• Bom, agora que já tenho o Nucleon se eu quiser montar um átomo, só preciso de um elétron. Ora, mas um átomo com um próton e um elétron, não é o átomo de Hidrogênio?
Elétron
Próton
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Os físicos constantementeprocuram novas partículas.Quando as encontram, eles asclassificam e tentam acharpadrões universais que dizemsobre como os blocosfundamentais de construçãodo universo interagem.
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Para investigar a estrutura das partículas, precisamos recorrer aos aceleradores de partículas.
Mas o que esses tais de aceleradores fazem? Osaceleradores de partículas, aceleram partículas fazendo com queelas viajem dentro do acelerador até colidirem com o alvo.
Interessante, mas e daí? O que essa colisão me fornece?Lembram lá do experimento de Rutherford, quando elebombardeou o átomo com partículas alfa? Nos acelerados oprocesso que ocorre é similar a este, você colide partículas paraconhecer a sua estrutura.
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O que o LHC faz?O LHC colide prótons que andam com velocidade muito próximas a
velocidade da luz.
Qual o objetivo do LHC?Estudar a unificação da Força Fraca com a Força Eletromagnética.
Para isso precisa-se de altas energias, que são provenientes da colisãodos prótons. Com tudo isso, pode-se obter informações sobre osconstituintes fundamentais da matéria, bem como a história deformação do nosso universo.
O que se espera com a realização desse experimento?Descobrir o Bóson de Higgs ( a partícula de Deus), supostamente, a
responsável pela geração de massa a todas as partículas conhecidas.
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