Efisica

As partículas fundamentais

μ

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

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

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

1. Elétron ou Negatron

 

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

O elétron é uma partícula que possui carga elétrica negativa, cujo valor absoluto se representa por e. Vale: . É a menor carga elétrica que existe isolada na natureza.

Sua massa é muito pequena. Em unidades de massa atômica, vale: 0,00054862 u.m.a. (veja o tópico "Unidades de Massa Atômica"). Em gramas, gramas. É aproximadamente da massa do átomo de hidrogênio.

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


Determinação da relação entre carga elétrica e massa do elétron

 

Há diversos processos. Veremos o de J.J. Thomson. Para compreendermos bem, calculemos o desvio vertical sofrido por um corpo lançado horizontalmente, devido à ação da gravidade. Suponhamos que um corpo seja lançado horizontalmente com velocidade v. Êle ficará animado de dois movimentos: um, horizontal, retilíneo e uniforme de velocidade v; outro, vertical, de queda, retilíneo e uniformemente acelerado. Depois de certo tempo t, êle terá percorrido horizontalmente um espaço . E, verticalmente, terá percorrido um espaço .

Da primeira equação tiramos . Sendo m a massa do corpo e P o peso, temos . Substituindo êsses valores na segunda equação;

ou (1)

Unicamente porque o estudo de queda dos corpos é familiar ao leitor, consideramos o movimento vertical de queda. Mas, na realidade, é necessário unicamente que o corpo fique sujeito a uma força P constante em intensidade, direção e sentido que o faça adquirir movimento retilíneo e uniformemente acelerado, para que êle sofra na direção dessa força o desvio h acima deduzido. Isso pode ser aplicado aos elétrons do seguinte modo.

Suponhamos um feixe de raios catódicos passando entre pratos eletrizados P e Q, um positivamente, outro negativamente. Como os elétrons têm carga negativa, são atraídos para o lado do prato eletrizado positivamente. Sendo E a intensidade do campo elétrico e e a carga do elétron, a força que atuará sobre o elétron será: Ee, sendo essa força constante em intensidade, direção e sentido. Logo, o desvio sofrido na direção dessa força será:

(obtido, substituindo na equação (1), P por Ee. Podemos escrever:

(2)

Temos aí uma equação com duas incógnitas , e V.

Podemos conseguir mais uma equação nessas duas incógnitas e resolver o sistema.

Essa outra equação é obtida fazendo que os elétrons sofram um desvio num campo magnético. Para isso colocamos os dois polos de um ímã paralelamente ao feixe de raios catódicos.

Sabemos que quando uma corrente elétrica é colocada num campo magnético fica sujeita a uma força F cujo sentido é dado pela regra dos 3 dedos da mão esquerda.

Sendo o campo perpendicular ao condutor, e o comprimento do condutor, a força valerá: . Tomando a força exercida por unidade de comprimento fica: .

Sendo V a velocidade dos elétrons e e a carga de um elétron a corrente devida aos elétrons será:

Então . Pela ação dessa força, o feixe sofrerá um desvio , que pode ser calculado substituindo-se P por F na equação (1) teremos:

(3)

Resolvendo o sistema formado pelas equações (2) e (3), encontraremos:

e

Esse é um processo usado para a determinação de e de v.

Valores Numéricos

 

Foi encontrado nas experiências:

isto é, avaliando-se e em coulombs e m em gramas. Quer dizer que uma grama de elétrons contém a carga elétrica de 175.936.000 coulombs.

Também experimentalmente se determinou a carga elétrica do elétron, e se encontrou:

Introduzindo êsse valor na equação anterior, resulta:

ou

Quanto à velocidade V dos elétrons, seu valor depende da diferença de potencial aplicado entre os eletrodos da ampola de Crookes.


2. Próton

 

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

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

Sua massa é 1,007582 em unidades de massa atômica, e . É cerca de 1837 vezes mais pesado que o elétron.

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

 

3. Nêutron

 

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

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

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

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

 

4. Positron ou elétron positivo

 

Foi descoberto em 1932 por Carl D. Anderson.

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

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

 

5. Neutrino

 

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

1o) deve ser neutra;
2o) deve ter massa menor que a do elétron.
Por isso ela foi chamada neutrino (que em italiano significa neutronzinho).

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

 

6. Fòton

 

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

 

7. Os Mesons

 

a. Mesons leves ou mesons mu (

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

1o) que êsses mésons têm massa aproximadamente igual a 212 vezes a massa do elétron;
2o) que têm carga elétrica de valor absoluto igual à do elétron;
3o) que existem dois mésons com essa massa: um com carga positiva ; outro com carga negativa .
Êsses mésons são os que hoje chamamos mésons leves: o méson leve positivo e o méson leve negativo.

b. Mesons pesados ou mesons pi (

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

1o) massa aproximadamente igual a 300 vezes a massa do elétron (daí o nome de mésons pesados, porque são mais pesados que os descobertos por Anderson e Neddermeyer).
2o) um têm carga elétrica , outro têm .
Até 1948 êsses quatro mésons só eram observados em raios cósmicos, isto é, chegados à superfície da Terra através da atmosfera. Nesse ano, o físico brasileiro Cesar Lattes juntamente com o americano Eugene Gardner conseguiu pela primeira vez produzir mésons no laboratório; isto é, conseguiu produção artificial de mésons.

 

c. Mesons neutro

 

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

Resumo

 


Carga elétrica
massa
Méson leve positivo Méson
leve negativo Méson pesado positivo Méson pesado negativo Méson pesado neutro




não tem
212 vezes à do elétron 212 vezes à do elétron 300 vezes à do elétron 300 vezes à do elétron 300 vezes à do elétron


 

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