Seminário: Tijolos da Natureza (Ensino Fundamental)
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Apresentamos uma visão geral sobre as partículas elementares a partir das quais todas as substâncias são constituídas. Os gregos começaram a busca dessas partículas a 2.400 anos atrás: os ...

Apresentamos uma visão geral sobre as partículas elementares a partir das quais todas as substâncias são constituídas. Os gregos começaram a busca dessas partículas a 2.400 anos atrás: os tijolos da Natureza!!!!

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    Seminário: Tijolos da Natureza (Ensino Fundamental) Seminário: Tijolos da Natureza (Ensino Fundamental) Presentation Transcript

    • Tijolos da Natureza M.T. Thomaz mariateresa.thomaz@gmail.com Instituto de F´sica, UFF ı ¸˜ Resumo da apresentacao: ˜Apresentamos uma visao geral sobre as part´culas elementares a partir ı ˆ ˜das quais todas as substancias sao constitu´das. Os gregos comecaram ı ¸ ´a busca dessas part´culas a 2.400 anos atras: os tijolos da Natureza!!!! ıM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 1 / 36
    • A pergunta milenar ... ´Uma proposta que veio antes da era de Cristo: o atomo. ¸˜ “Por convencao existe a cor, ¸˜ por convencao existe a docura, ¸ ¸˜ por convencao existe o amargo, mas na realidade existe ´ atomos e espaco” ¸ ´ Democrito (400 A.C.) ´ ´ O que e o atomo?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 2 / 36
    • ´O que significa a palavra atomo? ´A palavra atomo vem do grego e significa: indivis´vel. ı ´ ´ ´Na Grecia antiga os filosofos Democrito e seu mestre Leucipo afir- ´mavam que se quebrassemos um objeto em pedacos cada vez menores, ¸os pedacos manteriam as mesmas propriedades que o objeto original, ¸ ´ ´ ´ate alcancarmos o atomo. O atomo seria o menor pedaco do corpo ¸ ¸que ainda conservaria as suas propriedades.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 3 / 36
    • ´O que significa a palavra atomo? ´A palavra atomo vem do grego e significa: indivis´vel. ı ´ ´ ´Na Grecia antiga os filosofos Democrito e seu mestre Leucipo afir- ´mavam que se quebrassemos um objeto em pedacos cada vez menores, ¸os pedacos manteriam as mesmas propriedades que o objeto original, ¸ ´ ´ ´ate alcancarmos o atomo. O atomo seria o menor pedaco do corpo ¸ ¸que ainda conservaria as suas propriedades.A proposta da escola grega implicaria que ter´amos um numero incal- ı ´ ´ ´culavel de atomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo:´agua, pedra, papel, laranja, sangue...M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 3 / 36
    • ´O que significa a palavra atomo? ´A palavra atomo vem do grego e significa: indivis´vel. ı ´ ´ ´Na Grecia antiga os filosofos Democrito e seu mestre Leucipo afir- ´mavam que se quebrassemos um objeto em pedacos cada vez menores, ¸os pedacos manteriam as mesmas propriedades que o objeto original, ¸ ´ ´ ´ate alcancarmos o atomo. O atomo seria o menor pedaco do corpo ¸ ¸que ainda conservaria as suas propriedades.A proposta da escola grega implicaria que ter´amos um numero incal- ı ´ ´ ´culavel de atomos para descrever o mundo que nos cerca, por exemplo:´agua, pedra, papel, laranja, sangue... ˜ ´ ´A proposta grega nao esta correta, mas sera que ela tem algum traco ¸de verdade ?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 3 / 36
    • ˜ ´A versao atual da pergunta dos filosofos gregos: ´ ˆ ˆ ´Toda a materia (organica e inorganica) e, constitu´da a partir de objetos ı ´basicos que seriam os tijolos da Natureza ?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 4 / 36
    • ˜ ´Para acompanharmos como a compreensao do atomo/tijolos da ´Natureza foi evoluindo ate o dia de hoje, vamos nos fixar num material: ´a agua. ´ Uma gota d’agua!!! ´ Muita agua...M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 5 / 36
    • • ˆ Nasce a moderna Teoria Atomica pelas maos dos ˜ ´qu´micos do seculo 19: a materia e ı ´ ´ formada por moleculas, ´ ˜ ´e essas sao grupos de atomos. Em 21 de outubro de 1803 o qu´mico ingles ı ˆ John Dalton apresenta a 1 a tabela de pesos ˆ atomicos na Manchester Literary Philosophical ´ Society. Ele toma emprestado de Democrito ´ a palavra atomo para chamar as part´culas ı ´ ´ individuais dos quais a materia e composta. John Dalton ´ ´ Molecula de agua: ´ ˆ 02 atomos de hidrogenio: H ´ ˆ 01 atomo de oxigenio: OM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 6 / 36
    • ¸˜ A primeira organizacao dos elementos numa Tabela Periodica´ foi feita por Dimitri Mendeleiev em 1869. ´ ´Tabela Periodica de Mendeleiev (1869): 103 atomos !!!!M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 7 / 36
    • ´Tabela Periodica atual:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 8 / 36
    • ¸˜Com a classificacao dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos ´ ˜ ´a ter 103 atomos distintos!!! Este numero nao e grande demais? ´M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 9 / 36
    • ¸˜Com a classificacao dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos ´ ˜ ´a ter 103 atomos distintos!!! Este numero nao e grande demais? ´ ` ´ ´ ˜Voltamos a pergunta original: sera que os atomos sao constitu´dos ıde part´culas elementares? ı ı ı ˜Part´culas elementares: part´culas pontuais que nao apresentamnenhuma estrutura.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 9 / 36
    • ¸˜Com a classificacao dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos ´ ˜ ´a ter 103 atomos distintos!!! Este numero nao e grande demais? ´ ` ´ ´ ˜Voltamos a pergunta original: sera que os atomos sao constitu´dos ıde part´culas elementares? ı ı ı ˜Part´culas elementares: part´culas pontuais que nao apresentamnenhuma estrutura. ˜Para afirmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certeza ˜que ele nao se quebra em pedacos. Para verificarmos isso, que temos ¸ ´que tentar quebra-lo.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 9 / 36
    • ¸˜Com a classificacao dos elementos por Mendeleiev em 1869 passamos ´ ˜ ´a ter 103 atomos distintos!!! Este numero nao e grande demais? ´ ` ´ ´ ˜Voltamos a pergunta original: sera que os atomos sao constitu´dos ıde part´culas elementares? ı ı ı ˜Part´culas elementares: part´culas pontuais que nao apresentamnenhuma estrutura. ˜Para afirmar que um objeto nao tem estrutura, temos que ter a certeza ˜que ele nao se quebra em pedacos. Para verificarmos isso, que temos ¸ ´que tentar quebra-lo.Por ex.: uma bola de gude de vidro quebra se a apertamos com aspontas dos nossos dedos?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 9 / 36
    • J.J. Thomson descobriu o ´ eletron em 1897. ´ ´A partir da descoberta do eletron, o atomo passou a descrito comosendo um “pudim”:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 10 / 36
    • Em 1910 Ernst Rutherford analisou os dados experimentais de H. Geiger e ˆ E. Marsden e propos um novo modelo ´ para o atomo:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 11 / 36
    • ´ ´ ´ ´A molecula de agua apos a proposta de Rutherford para o atomo: ´ ˆ Atomo de hidrogenio: H Nucleo com carga: + 1e ´ ´ 1 eletron com carga: - 1e ´ ˆ Atomo de oxigenio: O Nucleo com carga: + 8e ´ ´ 8 eletrons com carga: - 8eM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 12 / 36
    • ´ ´ ´ ´A molecula de agua apos a proposta de Rutherford para o atomo: ´ ˆ Atomo de hidrogenio: H Nucleo com carga: + 1e ´ ´ 1 eletron com carga: - 1e ´ ˆ Atomo de oxigenio: O Nucleo com carga: + 8e ´ ´ 8 eletrons com carga: - 8e ´Ate esse per´odo, as part´culas fundamentais seriam os nucleos dos ı ı ´ ´ ´elementos da Tabela Periodica e o eletron.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 12 / 36
    • ˆOs nucleos tem estrutura? ´M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 13 / 36
    • ˆOs nucleos tem estrutura? ´ ˜ ´Os nucleos sao compostos por duas part´culas: o proton e o neutron. ´ ı ´O proton foi descoberto por Ernst Rutherford em 1918. O neutron foi descoberto por Sir James Chadwick, em 1932.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 13 / 36
    • ´ ´Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomos ´ ˆ ˆdo hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura: Nucleo do hidrogenio: H+ ´ ˆ ´ 1 proton com carga: + 1e Nucleo do oxigenio: O+8 ´ ˆ ´ 8 protons com carga: + 8e 8 neutrons com carga: 0M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 14 / 36
    • ´ ´Com as descobertas do proton e do neutron, os nucleos dos atomos ´ ˆ ˆdo hidrogenio e oxigenio passam a ter estrutura: Nucleo do hidrogenio: H+ ´ ˆ ´ 1 proton com carga: + 1e Nucleo do oxigenio: O+8 ´ ˆ ´ 8 protons com carga: + 8e 8 neutrons com carga: 0 ´ ´Na decada de 30 as part´culas fundamentais conhecidas eram: eletron, ı ´proton e neutrons. Apenas 3 tijolos da Natureza.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 14 / 36
    • ´ ´Sera que apenas essas 3 part´culas elementares explicam toda a materia ıque temos no Universo?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 15 / 36
    • ´ ´Sera que apenas essas 3 part´culas elementares explicam toda a materia ıque temos no Universo? ˜Quais sao as escalas que temos no universo? ˜Como observar objetos com tamanhos tao diferentes?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 15 / 36
    • F´sica de Altas Energias: estuda as part´culas elementares. ı ıTemos a possibilidades de criar novas part´culas a partir de ı ˜colisoes ou decaimentos. ´ ˜ ˜Part´culas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem em ıoutras part´culas. ı ´ ´O neutron e estavel?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 16 / 36
    • F´sica de Altas Energias: estuda as part´culas elementares. ı ıTemos a possibilidades de criar novas part´culas a partir de ı ˜colisoes ou decaimentos. ´ ˜ ˜Part´culas estaveis sao aquelas que quando livres nao decaem em ıoutras part´culas. ı ´ ´ ´ ´O neutron e estavel? Dentro dos nucleos o neutron e estavel, mas ´ ´livres eles decaem com vida media de 887s (14,8 minutos).Decaimento do neutron livre: n → p + e − + νe ¯ ´que e denominado de decaimento β.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 16 / 36
    • ´ ˆO neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” do ¸ ´ ´nosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele: ˆ • diametro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4 m ˆ ´ • diametro do atomo: ˆ 10−10 m = diametro de um cabelo 1.000.000 ˆ • diametro do nucleo: ´ ˆ 10−14 m = diametro de um cabelo 10.000.000.000 ˆ ´ • diametro do proton: 10−15 m ˆ ´ • diametro do eletron: ≤ 10−18 mM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 17 / 36
    • ´ ˆO neutron e o proton tem estrutura? Qual o tamanho deles?Vejamos a diferenca de tamanho (escalas) entre objetos “pequenos” do ¸ ´ ´nosso dia a dia e o tamanho do atomo e o que esta dentro dele: ˆ • diametro de um cabelo: 0, 1mm = 10−4 m ˆ ´ • diametro do atomo: ˆ 10−10 m = diametro de um cabelo 1.000.000 ˆ • diametro do nucleo: ´ ˆ 10−14 m = diametro de um cabelo 10.000.000.000 ˆ ´ • diametro do proton: 10−15 m ˆ ´ • diametro do eletron: ≤ 10−18 m ˆ ˜A nossa experiencia do dia-a-dia nao nos permite imaginar o que ocorre ˆna escala atomica, nuclear, etc...M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 17 / 36
    • ´ Tamanho do atomo: ∼ 10−10 m ˆ ˆ ˆComo “ver” os fenomenos atomico e sub-atomicos?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 18 / 36
    • ´ Tamanho do atomo: ∼ 10−10 m ˆ ˆ ˆComo “ver” os fenomenos atomico e sub-atomicos? ´ ´Os primordios do estudo experimental do atomo: ˆ• Experiencia de Rutherford-Geiger-Marsden: 1909 Bombardeamento de folhas de ouro por feixes de part´culas α ı ´ ´ (nucleos do atomo de helio). ´ Eles mediram o numero ´ de part´culas que mudaram a ı ¸˜ ´ ˜ direcao apos a colisao.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 18 / 36
    • ˆ• Camara de bolhas: desenvolvida por Donald Glaser em 1952. Uma ˆcamara com l´quidos superaquecidos nos quais part´culas carregadas ı ı ´deixam bolhas microscopicas. Donald Glaser ˆ Esquema da camara de bolhasM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 19 / 36
    • ˜Exemplos de placas de emulsao com eventos experimentais, obtidas ˆem Camaras de Bolhas: Decaimento de part´culas. ı ˜ Neutrino: o que nao aparece!!!M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 20 / 36
    • ´ ˆNas ultimas transparencias falamos em outras part´culas elementares ı ´ ´ ´ ´alem do eletron, proton e neutron: positron, neutrino, ... ´A partir da decada de 30 com o advento dos novos aceleradores depart´culas, o numero de part´culas “elementares” cresceu e muito!!!! ı ´ ı ´ ´Ate a decada de 60:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 21 / 36
    • ` ´ ˜Voltamos a pergunta original: Sera que todas essas part´culas sao ı ´ ˆelementares? Ou sera que elas tem estrutura?A F´sica experimental de altas energias continuou detectando ınovas part´culas: ı ´ ˜Em 1963/64 nasce a proposta dos quarks: os protons e neutrons saoestados ligados de quarks.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 22 / 36
    • ˆComo classificamos hoje as part´culas sub-atomicas? ı ˆ Part´culas sub-atomicas ı ´ Leptons ´ HadronsM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 23 / 36
    • ˆComo classificamos hoje as part´culas sub-atomicas? ı ˆ Part´culas sub-atomicas ı ´ Leptons ´ Hadrons ´• Lepton: part´culas elementares. ı ´ ´Ex. de lepton: eletron. ´• Hadrons: part´culas compostas formadas de part´culas elementares. ı ı ´ ´Exs. de hadrons: proton e neutron.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 23 / 36
    • ´ Leptons Part´cula ı ´ Vida media Decaimento (segundos) ´ mais provavel e ´ estavel – νe ´ estavel – µ 2, 2 × 10−6 e− + νµ + νe ¯ νµ ´ estavel – τ 2, 96 × 10−13 µ − + ντ + νµ ¯ ντ ´ estavel – ´ ´ Nem toda part´cula elementar e estavel!!!!!! ıM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 24 / 36
    • ´• Hadrons: em 1963/64 George Zweig e Murray Gell-Mannpropuseram o model de quarks. Murray Gell-Mann George Zweig ´ ˜Os protons e neutrons sao feitos de quarks:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 25 / 36
    • ˜ ´Divisao dos Hadrons: ´ Hadrons ´ Mesons ´ Barions ´ ´Qual a diferenca entre Barions e Mesons? ¸ ⇒M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 26 / 36
    • ´Como entendemos hoje a materia? ⇒ ˆA escala atomica:M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 27 / 36
    • ˜ ¸˜Como estudar part´culas tao diminutas? Uma nova geracao de ıAceleradores de Altas Energias.CERN: Sede do CERN Onde ficam os detetores. Detetor Atlas Detetor CMSM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 28 / 36
    • Fermi Lab: Edf. principal ´ Vista aerea do Fermi Lab Corredor do anel Detetor de part´culas ıM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 29 / 36
    • SCLAC: O entardecer no SLAC ´ Vista aerea do SLAC Acelerador linear Esquema do acelerador linearM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 30 / 36
    • ˜ ´Ainda usamos placas de emulsao fotografica para coletar as part´culas ı ´ ˜ ˆ ˜ ˜apos as colisoes sub-atomicas? Certamente nao... As colisoes sao ˜reconstru´das por super-computadores: ı ¸˜ Deteccao do W Chuveiro de gluons ´ ˜ ´ Colisao de protons relativ´sticos ı ´ O boson de Higgs foi descoberto!!!M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 31 / 36
    • As part´culas elementares de hoje: ıM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 32 / 36
    • Comecamos procurando todos os ¸ tijolos da Natureza, para descrever ´ toda a materia do Universo. ´Sera que conseguimos encontrar todos os tijolos da Natureza?M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 33 / 36
    • ˜ Nao sabemos!!!! A busca continua...M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 34 / 36
    • Bibliografia de Apoio:[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Part´culas ıElementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418). ´ ˜[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,Editora Livraria da F´sica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8). ı ´[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons, ´ ´ ˆ oγ, W, Z ...A Materia Indivis´vel, Ciencia Hoje, vol. 3, n. 14 ı ´(Setembro/Outubro) (1984) pag. 42.M.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 35 / 36
    • Bibliografia de Apoio:[1] Maria Cristina Batoni Abdalla; O Discreto Charme das Part´culas ıElementares, Editora da UNESP, 2006 (ISBN: 8571396418). ´ ˜[2] Anna Maria F. Endler; Vovo conta de que sao feitas as coisas,Editora Livraria da F´sica, 2007 (ISBN: 85-88325-74-8). ı ´[3] Juan Alberto Mignaco e Ronald C. Shellard; Quarks, Leptons, Gluons, ´ ´ ˆ oγ, W, Z ...A Materia Indivis´vel, Ciencia Hoje, vol. 3, n. 14 ı ´(Setembro/Outubro) (1984) pag. 42.Sites interessantes a serem visitados:[1] http://www.aventuradasparticulas.ift.unesp.br[2] http://www.fnal.gov/pub/about/tour[3] http://ed.fnal.gov/projects/exhibits/searching[4] http://hands-on-cern.physto.seM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 35 / 36
    • ˆ ´ ˜As transparencias deste seminario estao no blog: http://mttdivulgacao.blogspot.com ¸˜na seccao: ¸˜ ´ “Divulgacao ja realizada no Ensino Fundamental´´ ˆ ´Voce pode assitir este seminario no ”YouTube”: http://www.youtube.com/watch?v=NkR8kZWV6bgM.T. Thomaz (Instituto de F´sica, UFF) ı T IJOLOS DA N ATUREZA 36 / 36