A historia atômica

Uma breve história dó Módeló Atómicó Da ideia grega ao Modelo Padrão

Apostila destinada aos alunos do 3º ano do Ensino Médio.

Professor Autor: Cláudio Luigi Barros Lovisi Professor Revisor: Matheus Venturini Almeida

Uma breve história do Modelo Atômico

Sumário O surgimento da ideia atômica – Grécia antiga ............................................................................ 2 Modelo atômico de Dalton ............................................................................................................. 3 Ideias do átomo de Dalton: ....................................................................................................... 3 Modelo atômico de Thomson ........................................................................................................ 3 Ideias do átomo de Thomson: ................................................................................................... 4 Modelo atômico de Rutherford ...................................................................................................... 4 A experiência de Rutherford ...................................................................................................... 5 Conclusões obtidas pelo Experimento .................................................................................. 5 Falhas do Modelo Planetário de Rutherford ......................................................................... 6 Modelo atômico Rutherford-Bohr .................................................................................................. 6 Teoria Quântica ......................................................................................................................... 6 Os Postulados de Niels Bohr ........................................................................................................ 7 Estrutura atômica de Bohr ......................................................................................................... 8 Modelo de Sommerfeld ................................................................................................................. 9 Chadwick e o nêutron .................................................................................................................. 11 MODELO ATÔMICO ATUAL ...................................................................................................... 11 Princípio da dualidade da matéria de Louis de Broglie ........................................................... 11 Princípio da incerteza de Heisenberg ..................................................................................... 12 Teoria da mecânica ondulatória .............................................................................................. 12 O modelo atômico Atual .......................................................................................................... 13 O núcleo atômico – a nova forma de se entende o átomo ......................................................... 14 O modelo padrão e o Grande Colisor de Hádrons (LHC) ....................................................... 14 Modelo Padrão .................................................................................................................... 15 O Big Bang e a Antimatéria ......................................................................................................... 17 E hoje, quais as novas pesquisas... A “Física Nova” – Além do Modelo Padrão ....................... 18 A Matéria Escura e a Energia Escura ..................................................................................... 18 MACHOs ............................................................................................................................. 20 WIMPs ................................................................................................................................. 20 Teoria das Cordas ................................................................................................................... 21 Além da 4ª Dimensão e os Multiversos ................................................................................... 22 Exercícios de fixação. ................................................................................................................. 25 Bibliografia: .................................................................................................................................. 27 Livros: ...................................................................................................................................... 27 Publicações e periódicos: ........................................................................................................ 27 Sites: ........................................................................................................................................ 27 Vídeos: .................................................................................................................................... 28

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O surgimento da ideia atômica – Grécia antiga O átomo não surgiu do nada. Os gregos, em suas eras mitológicas, já estudavam como a matéria e tudo que permeava o mundo era formado.

A primeira ideia de átomo veio de Demócrito (viveu entorno de 400 anos A.C.). Demócrito foi considerado o “pai do atomismo grego”. Ele imaginou que ao dividirmos os objetos, chegaríamos a um pedaço que não poderia ser mais dividido, essa parte indivisível ele chamou de “átomo”; em grego (a = não; tomos = divisível). Assim tudo era composto de átomos, que eram partículas indivisíveis, invisíveis a olho nu, eternas e impenetráveis.

Outros filósofos contemporâneos a Demócrito, como Talles de Mileto, Anaxímenes de Mileto e Anaximandro de Mileto, defendiam a mesma ideia do átomo, pois essa ideia busca de forma mais concreta explicar as mudanças que ocorrem na Natureza e eliminar a necessidade de deuses para a explicação dos fenômenos do Universo.

Algumas ideias de Demócrito sobre os átomos: • • • • • •

Água: formada por átomos ligeiramente esféricos (a água escoa facilmente).

Alma: formada pelos átomos mais lisos, mais delicados e mais ativos que existem.

Ar: formado por átomos em movimento turbilhonantes (o ar se movimenta - ventos).

Coma: desprendimento de médio número de átomos do corpo.

Fogo: formado por átomos pontiagudos (o fogo fere).

Morte: desprendimento de todos os átomos do corpo e da alma.

•

Respiração: era considerada troca de átomos, em que átomos novos substituem átomos usados.

Sono: desprendimento de pequeno número de átomos do corpo.

Terra: formada por átomos cúbicos (a terra é estável e sólida).

• •

Como se vê a ideia de átomo era a explicação para que se possa entender tudo no mundo...

Já entrando na Idade Média, a ideia de átomo foi abandonada, pois era considerada herética.

O grego Empédocles que foi filósofo, médico, legislador, professor, mítico, além de profeta, foi defensor da democracia e sustentava a ideia de que o mundo seria constituído por quatro princípios: água, ar, fogo e terra.

O filósofo grego Aristóteles que foi aluno de Platão e professor de Alexandre, o Grande, acrescentou um quinto elemento para a constituição do universo. Esse quinto elemento era o Éter.

Elemento que compunha o espaço; elemento que pertence à esfera celestial; divino. O planeta Terra não possuía este elemento, que era inalcançável aos seres humanos; só pertencia aos deuses.

Abaixo, figuras ilustrativas que mostram como se imaginava o Planeta Terra na época.

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Modelo atômico de Dalton Séculos à frente, surge um químico, professor da universidade inglesa New College, de nome John Dalton. Ele criou o primeiro modelo atômico reconhecido pela ciência.

Em 1803, Dalton publicou um trabalho (Absorption of Gases by Water and Other Liquids – Absorção de gases pela água e outros líquidos) do qual delineou os princípios do seu modelo atômico.

John Dalton descobriu que cada substância pura era constituída de um único tipo de átomo, e que os átomos de um mesmo elemento químico eram idênticos entre si quanto às suas propriedades, tamanho e modo de reação química. Dalton descobriu que átomos de características próprias reagem entre si de acordo com proporções numéricas simples, deixando claro que as diferentes combinações e transformações da matéria eram resultantes das interações entre seus átomos. Assim, existia uma quantidade limitada de átomos e que compostos químicos eram formados da junção de diferentes átomos.

Para Dalton, cada um dos elementos diferentes, possuíam propriedades diferentes. O átomo, seja lá qual for seu elemento, é indivisível e indestrutível.

O modelo atômico de Dalton foi apelidado como “modelo atômico da bolha de bilhar”, pois realmente se parecia com um.

Dois anos depois, a obra “New System of Chemical Philosophy”(Novo sistema de filosofia química) foi publicada.

Nesse trabalho, havia várias teses onde provava as observações de Dalton, desta forma esse modelo foi sendo reconhecido pela ciência.

Ideias do átomo de Dalton:         

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toda matéria é composta por átomos;  os átomos são indivisíveis;  os átomos não se transformam uns nos outros;  os átomos não podem ser criados e nem destruídos;  os elementos químicos são formados por átomos simples;  toda reação química consiste na união ou separação de átomos;  átomos de elementos químicos diferentes são diferentes entre si;  os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos entre si, em tamanho, forma, massa e demais propriedades;  átomos compostos são formados a partir de elementos diferentes, em uma relação numérica simples;  substâncias compostas são formadas por átomos compostos (as atuais moléculas). 

Modelo atômico de Thomson A partir do século XIX, em meio a grande número e acúmulo de evidências, ficava cada vez mais claro aos cientistas que o átomo deveria ser algo mais que uma bolinha maciça muito pequena.

A ideia de Dalton de que a menor partícula da matéria deveria seria uniforme e indivisível começava a cair por terra.

Entre as descobertas, citamos as de:

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Faraday, estudando a eletrólise, lançou a ideia de que a eletricidade estivesse associada aos átomos; 

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Röentgen descobriu os raios X; 

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Becquerel descobriu a radiatividade;   Marie e Pierre Curie descobriram os elementos polônio e rádio, nessa ordem;   Paul Villard descobriu os raios gamas enquanto estudava o rádio e o urânio. 

 

Joseph John Thomson, ou apenas Thomson, pesquisando descargas elétricas em alto vácuo, descobriu cargas que veio a ser chamada de elétrons. Para Thomson, os átomos seriam compostos por um núcleo gelatinoso de carga elétrica positiva, no qual estariam incrustados os elétrons, de carga elétrica negativa.

O modelo de Thomson ficou conhecido como o “modelo atômico pudim de passas”.

Thomson não só apenas formou um novo modelo, como também foi ele o descobridor do elétron, que ocorreu bem antes do nêutron e do próton.

No modelo novo, o átomo é composto por elétrons totalmente “mergulhados numa sopa” de cargas positivas, como se fosse passas em um pudim.

Acreditava-se que os elétrons distribuíam-se uniformemente no átomo.

Em outras oportunidades, dizia-se que no lugar da “sopa” de cargas positivas, seria uma nuvem de cargas positivas.

Ideias do átomo de Thomson:

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

A massa do átomo é a massa das partículas positivas. Os elétrons não são levados em conta por serem muito leves. 



A matéria é eletricamente neutra e os elétrons possuem carga negativa, logo o átomo deve possuir igual número de carga positiva para que a carga total seja nula. 



A matéria eventualmente adquire carga elétrica; isso significa que os elétrons não estão rigidamente presos no átomo e em certas condições podem ser transferidos de um átomo para outro. 



Os átomos não são maciços e indivisíveis, conforme havia apresentado Dalton anteriormente. 

Modelo atômico de Rutherford Nelson Ernest Rutherford, físico neozelandês, que em 1911 rompeu em definitivo com o modelo grego antigo de átomo, com sua célebre experiência na qual bombardeou uma fina lâmina de ouro com partículas em alta velocidade, constatando que a maioria das partículas atravessava o ouro como se o metal não lhe oferecesse nenhum obstáculo ao trajeto.

Rutherford concluiu que o átomo deveria ser formado em sua maior parte de espaços vazios.

Desenvolveu, então, o chamado modelo atômico planetário, no qual o átomo seria comparado a um sistema solar, com o núcleo de carga elétrica positiva no centro e os elétrons, de carga negativa, orbitando em torno dele na eletrosfera.

Quando Rutherford criou sua teoria, criou-se também as bases para o desenvolvimento da física

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Uma breve história do Modelo Atômico nuclear. Esse cientista estudou, pelo menos, três anos o comportamento dos feixes de partículas, também conhecidos por raios x. Ele também estudou a emissão de radioatividade (partículas alfas) pelo elemento chamado polônio.

Rutherford fez inúmeras experiências, mas uma delas foi a que demonstrou as partículas alfas espalhando-se. Esta foi a base fundamental para seu modelo atômico, onde elétrons orbitavam em torno do núcleo.

Durante as suas pesquisas, Rutherford analisou que para cada 10.000 partículas “alfa” aceleradas incidindo em uma lâmina de ouro, apenas uma delas refletia ou desviava de sua trajetória inicial. Concluiu com isso, que o raio de um átomo poderia ser, em torno, 10.000 vezes maior que o raio de seu núcleo.

A experiência de Rutherford Rutherford bombardeou uma fina lâmina de ouro (0,0001 mm) com partículas "alfa", emitidas pelo "polônio" (Po), contido num bloco de chumbo (Pb), provido de uma abertura estreita, para dar passagem às partículas "alfa" por ele emitidas. É importante lembrar que, hoje sabemos que a partícula “alfa” é um núcleo de átomo de hélio, constituída por 2 prótons e 2 nêutrons, mas naquela época só sabiam que essa partícula possui carga contrária a do elétron, ou seja, a partícula “alfa” era composta de carga positiva.

Envolvendo a lâmina de ouro (Au), foi colocada uma tela protetora revestida de sulfeto de zinco (ZnS).

Observando as cintilações na tela de ZnS, Rutherford verificou que muitas partículas "alfa" atravessavam a lâmina de ouro, sem sofrerem desvio, e poucas partículas "alfa" sofriam desvio.

Como as partículas "alfa" têm carga elétrica positiva, o desvio seria provocado por um choque com outra carga positiva, isto é, com o núcleo do átomo, constituído por prótons.

Conclusões obtidas pelo Experimento

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A maioria das partículas passa pela lâmina de ouro sem sofre desvios: a maior parte da lâmina de ouro é formada por espaços vazios (eletrosfera atômica); 

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Algumas partículas não conseguem atravessar a lâmina de ouro e são “rechicoteadas”: encontram barreiras dentro da lâmina, ou seja, na lâmina de ouro devem existir pequenas massas (núcleo atômico); 

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Algumas partículas sofrem desvios ao passar pela lâmina de ouro: são repelidas, ou seja, a lâmina de ouro apresenta regiões com a mesma carga elétrica que as partículas “alfa” (núcleo positivo). 

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Uma breve história do Modelo Atômico   

Comparando o número de partículas alfa lançadas, com o número de partículas alfa que sofriam desvios, Rutherford calculou que o raio do átomo deveria ser 10.000 a 100.000 vezes maior do que o raio do núcleo, ou seja, o átomo seria formado por espaços vazios. Por esses espaços vazios a grande maioria das partículas atravessava a lâmina de ouro.  Observou que a massa do núcleo era muito maior que sua carga. Disso ele concluiu que no núcleo deveriam existir partículas sem carga elétrica e de massa quase igual a do próton, porém não chegou a dar nome a essa partícula. Chadwick, somente em 1932, designou a essa partícula o nome “nêutron”.

Falhas do Modelo Planetário de Rutherford Uma carga negativa, colocada em movimento ao redor de uma carga positiva estacionária, adquire movimento espiralado, em sua direção, acabando por colidir com ela. Então o elétron iria chocar com o núcleo atômico, destruindo o átomo.

Carga em movimento perde energia, emitindo radiação. O modelo planetário de Rutherford, em seu estado normal, não emite radiação.

Modelo atômico Rutherford-Bohr A concepção de Thomson e Rutherford seria posteriormente aperfeiçoada pelo físico dinamarquês Niels Bohr, razão pela qual o átomo planetário é também conhecido como Modelo atômico de Rutherford-Bohr.

O modelo atômico de Niels Bohr foi um grande avanço para a comunidade científica, provando que o átomo não era maciço. Segundo a Teoria Eletromagnética, toda carga elétrica em movimento em torno de outra, perde energia em forma de ondas eletromagnéticas. E justamente por isso tal modelo gerou certo desconforto, pois os elétrons perderiam energia em forma de ondas eletromagnéticas, confinando-se no núcleo, tornando a matéria algo instável, o que não é uma verdade.

Bohr incluiu níveis de energia na eletrosfera (níveis eletrônicos), que impediam que os elétrons caíssem no núcleo. Essa ideia era baseada na teoria quântica. Neste modelo, o elétron orbitaria o núcleo em órbitas estacionárias, sem perder energia. Entre duas órbitas, temos as zonas proibidas de energia, pois só é permitido que o elétron estivesse em uma das orbitas e não nas zonas proibidas.

Ao receber um quantum (pacote de energia), o elétron salta de órbita, não em movimento contínuo, mas simplesmente desaparecendo de uma órbita e reaparecendo com a quantidade exata de energia em outra órbita. Se for fornecido um pacote com energia (quantum) insuficiente para mandar o elétron para órbitas superiores, nada ocorre. Mas se uma quantidade de energia for exata, o elétron salta para órbitas superiores. O elétron poderá voltar para sua órbita anterior devolvendo a energia absorvida em forma de ondas eletromagnéticas; isso pode ser facilmente observado pela emissão de luz, denominada fóton.

Teoria Quântica De acordo com Max Planck (1900), quando uma partícula passa de uma situação de maior energia para outra de menor energia ou vice-versa, a energia é perdida ou recebida em "pacotes discretos de energia" que recebe o nome de quanta (quantum é o singular de quanta).

O quantum é o pacote fundamental de energia e é indivisível. Cada tipo de energia tem o seu quantum.

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Uma breve história do Modelo Atômico A Teoria Quântica permitiu a identificação dos elétrons de um determinado átomo, surgindo assim os "números quânticos".

Derrubada a ideia do átomo maciço e indivisível, coube ao mesmo Rutherford propor que nem mesmo o núcleo atômico se enquadrava nesta definição. Ao contrário, o núcleo seria formado por partículas ainda menores. Os de carga positiva receberam o nome de próton, sendo que o núcleo do hidrogênio - o mais simples dos elementos - seria composto de apenas uma destas partículas. É importante saber que a ideia de cargas positivas e negativas surgiu pelo fato das cargas se anularem.

O nome “Próton” significa em grego "primeiro", e esse nome foi dado ao núcleo de hidrogênio por Rutherford em 1920. Mas, a sua descoberta se deu em 1886, quando o físico alemão Eugen Goldstein criou um tubo e observou que, quando ocorriam descargas elétricas através deste tubo, contendo um gás rarefeito, surgiam raios que apresentavam massa e cargas elétricas positivas. Esses raios foram denominados de raios canais. Posteriormente, Rutherford verificou que os raios canais originários do hidrogénio possuíam a menor carga positiva conhecida até então. A essa unidade eletricamente carregada positivamente deu-se o nome de próton. O próton foi, portanto, um candidato a ser uma partícula fundamental e um bloco de construção para nitrogênio e todos os outros núcleos atômicos mais pesados.

A existência do elétron foi postulada por George Johnstone Stoney, como uma unidade de carga.

Mas a partícula “elétron” foi descoberto por Thomson em 1897, enquanto estudava o comportamento dos raios catódicos. Na época, Thompson usou em seus experimentos uma ferramenta elaborada por um de seus alunos Willian Crookes (ampola de crookes), que era um tubo de vácuo onde se produzia os “raios catódicos”. No tubo de raios catódicos, partículas carregadas (hoje conhecidas como elétrons) são emitidas por um filamento aquecido em uma das extremidades de um tubo que continha gás rarefeito. Esses raios são acelerados por uma diferença de potencial elétrico (V). Thomson afirmou que essas partículas, elétrons, estavam presentes em todas as formas de matéria e também eram mais de 1000 vezes mais leves que o átomo mais leve conhecido (hidrogênio). Ainda que George Johnstone Stoney haja proposto a existência do elétron, foi Thomson quem descobriu seu caráter de partícula fundamental. Para confirmar a existência do elétron, era necessário medir suas propriedades, em especial a sua carga elétrica. Este objetivo foi alcançado por Millikan, através da célebre experiência da gota de azeite, submetida a campos magnéticos, realizada em 1909.

Os Postulados de Niels Bohr A teoria de Bohr fundamenta-se nos seguintes postulados: •

1º postulado: Os elétrons descrevem órbitas circulares estacionárias ao redor do núcleo, sem emitir e nem absorver energia.

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2º postulado: Fornecendo energia (elétrica, térmica,...) a um átomo, um ou mais elétrons a absorvem e saltam para níveis mais afastados do núcleo. Ao voltarem as suas

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Uma breve história do Modelo Atômico órbitas originais, devolvem a energia recebida em forma de luz (fenômeno observado, tomando como exemplo, uma barra de ferro aquecida ao rubro). 

Um átomo irradia energia quando um elétron salta da órbita de maior energia (mais afastada do núcleo) para de menor energia (mais próxima do núcleo).

O comprimento de onda guarda relação com a energia. Os menores comprimentos de onda de luz significam vibrações mais rápidas e maior energia.

Para facilitar o entendimento é interessante lembrar que o elétron mais energético é o elétron mais externo, pois ele precisa de maior energia para vencer a atração exercida pelo núcleo e ficar mais afastado.

Estrutura atômica de Bohr Se o núcleo de um átomo fosse do tamanho de um limão com um raio de 3 cm, os elétrons mais afastados estariam cerca de 3 km de distância.

Os cientistas, por meio de técnicas avançadas, já perceberam a complexidade do átomo. Já comprovaram a presença de inúmeras partículas em sua constituição e desvendaram o comportamento dessas partículas. Mas para construir alguns conceitos que ajudam a entender a química do dia-a-dia, o modelo de átomo descrito por Rutherford-Bohr é suficiente. Na constituição dos átomos predominam os espaços vazios. O núcleo, extremamente pequeno, é constituído por prótons e nêutrons. Em torno dele, constituindo a eletrosfera, giram os elétrons.

O diâmetro da eletrosfera de um átomo é de 10.000 a 100.000 vezes maior que o diâmetro de seu núcleo, e sua estrutura interna pode ser considerado oco, para efeitos práticos; pois para encher todo este espaço vazio de prótons e nêutrons (ou núcleos) necessitaríamos de um bilhão de milhões de núcleos…

O átomo de hidrogênio é constituído por um só próton com um só elétron girando ao seu redor.

O hidrogênio é o único elemento cujo átomo pode não possui nêutrons.

O elétron e o próton possuem, respectivamente, carga negativa e carga positiva, porém não a mesma massa. O próton é 1836,11 vezes mais massivo que o elétron. Usando, como exemplo hipotético, um átomo de vinte prótons e vinte nêutrons em seu núcleo, e este estando em equilíbrio eletrodinâmico, terá vinte elétrons orbitando em seus níveis exteriores. Sua carga elétrica estará em perfeito equilíbrio eletrodinâmico, porém 99,97% de sua massa se encontram no núcleo. Apesar de o núcleo conter praticamente toda a massa, seu volume em relação ao tamanho do átomo e de seus orbitais é minúsculo. O núcleo atômico mede em torno de 10 -15 (0,000000000000001) metros de diâmetro, enquanto que o átomo mede cerca de 10 -10 (0,0000000001) metros.

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Modelo de Sommerfeld (1915) Logo após Bohr enunciar seu modelo, verificou-se que um elétron, num mesmo nível, apresentava energias diferentes. Se as órbitas fossem circulares, as energias teriam que ser iguais ao circundar o mesmo nível eletrônico. É bom salientar, que os estudos de Bohr eram válidos para o átomo de Hidrogênio. Bohr não havia atentado para o problema de haver diversos elétrons girando em níveis circulares, pois o átomo de hidrogênio possui um elétron apenas.

Sommerfeld sugeriu que as órbitas fossem elípticas, pois em uma elipse há diferentes excentricidades (distância do centro), gerando energias diferentes para um mesmo nível.

Ao pesquisar o átomo, Sommerfeld concluiu que os elétrons de um mesmo nível, ocupam órbitas de trajetórias diferentes (circulares e elípticas) a que denominou de subníveis, que podem ser de quatro tipos: s, p, d, f. denominados de números quânticos secundários ou azimutais.

Cada subnível comporta um número máximo de elétrons:    

subnível s: 2 elétrons subnível p: 6 elétrons subnível d: 10 elétrons subnível f: 14 elétrons

Assim, o nível 1 ou “nível K” é formada pelo subnível s, assim, o nível K suporta até 2 elétrons.

O nível 2 ou “nível L” é formado subníveis s e p, assim, o nível L suporta até 8 elétrons.

O nível 3 ou “nível M” é formado subníveis s, p e d, assim, o nível M suporta até 18 elétrons.

O nível 4 ou “nível N” é formado subníveis s, p, d e f, assim, o nível N suporta até 32 elétrons.

O nível 5 ou “nível O” é formado subníveis s, p, d e f, assim, o nível O suporta até 32 elétrons.

O nível 6 ou “nível P” é formado subníveis s, p e d, assim, o nível P suporta até 18 elétrons.

O nível 7 ou “nível Q” é formado subníveis s e p, assim, o nível Q suporta até 8 elétrons.

Observação: Ao falarmos de níveis e subníveis eletrônicos, estamos tratando de “números quânticos”. Assim, números quânticos são números que descrevem as energias dos elétrons nos átomos. Esses números são de grande relevância para descrever as posições dos elétrons dentro dos átomos.

Existem quatro números quânticos:    

número quântico principal; número quântico de momento angular ou azimutal(secundário) ; número quântico magnético número quântico de spin

Estes quatro números quânticos, além de se complementarem, nos permitem fazer uma descrição completa dos elétrons nos átomos.

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Uma breve história do Modelo Atômico O número quântico principal que nos fornecem os níveis de energia dos elétrons (Nível K, L, M, N, O, P e Q).

E o número quântico de momento angular ou azimutal (secundário), que são os subníveis de energia, ou seja, as subcamadas (s, p, d e f).

O número quântico magnético, especifica a orientação permitida para a nuvem eletrônica no espaço, sendo que o número de orientações permitidas está diretamente relacionado à forma da nuvem eletrônica.

Já o quarto número quântico, número quântico de spin, indica a orientação do elétron ao redor do seu próprio eixo. Como existem apenas dois sentidos possíveis, este número quântico assume apenas os valores -1/2 e +1/2, indicando a probabilidade do 50% do elétron estar girando em um sentido ou no outro.

É bom saber que cada combinação dos quatro números quânticos é única para cada elétron.

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Chadwick e o nêutron Em 1932, Chadwick descobriu o nêutron, que seria a segunda partícula constituinte do núcleo.

Ele verificou que o nêutron não possuía carga elétrica, diferentemente do próton que possui carga elétrica positiva.

A importância da existência do nêutron é que assim se mantém a coesão do núcleo atômico fazendo com que os prótons não sejam expulsos do núcleo devido à repulsão. Os prótons por possuírem cargas iguais entre si, eles se repelem.

Chegamos então à concepção atual do átomo, onde um núcleo pequeno e maciço, composto de prótons de carga elétrica positiva e nêutrons sem carga elétrica. Este núcleo está envolvido pela eletrosfera, que é formada por elétrons de pouquíssima massa e carga elétrica negativa.

Assim, dizemos que o átomo tem os seguintes componentes:

Próton Nêutron Elétron

Massa massa 1 massa 1 massa desprezível

Carga Elétrica carga elétrica 1+ carga elétrica 0 carga elétrica 1-

Já as representações do átomo podem variar bastante, conforme o modelo representado, desde o desenho clássico do modelo Rutherford-Bohr às representações mais sofisticadas que mostram os elétrons circulando em orbitais elípticos.

MODELO ATÔMICO ATUAL O modelo atômico atual é um modelo matemático-probabilístico que se baseia em dois princípios: •

Princípio da Incerteza de Heisenberg.

•

Princípio da Dualidade da matéria de Louis de Broglie.

Além de contar com a “Teoria da Mecânica Ondulatória” de Erwin Schrödinger.

Princípio da dualidade da matéria de Louis de Broglie: o elétron apresenta característica DUAL, ou seja, comporta-se como matéria e energia sendo uma partícula-onda.

Em 1923, Louis-Victor-Pierre-Raymond, 7.º duque de Broglie, conhecido como, Louis de Broglie (1892 – 1987), mostrou, através de uma equação matemática, que "os elétrons apresentavam características tanto ondulatórias como corpusculares, comportando-se de um ou outro modo dependendo do experimento específico". Desta maneira o elétron apresenta a natureza de uma partícula-onda, obedecendo assim, às leis dos fenômenos ondulatórios, como acontece com a luz e o som.

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Uma breve história do Modelo Atômico A hipótese de a matéria ter comportamento ondulatório (onda de elétrons) fora criticada por grande parte da comunidade científica, porém essa teoria foi, mais tarde, comprovada experimentalmente.

A dualidade partícula-onda é expressa matematicamente relacionando o comprimento de onda associado à matéria em função do momento que a mesma possui (ver equação ao lado).

Onde h representa a constante de Planck (m 2kg/s) e Q a quantidade de movimento (kg.m/s).

O fenômeno difração, antes da hipótese de “de Broglie”, era apresentado somente por ondas.

Com a proposta de ondas de matéria, verificou-se que feixe de elétrons apresenta este fenômeno também se estendendo para qualquer tipo de matéria.

O microscópio eletrônico tem em seu princípio de funcionamento o comportamento partículaonda.

Princípio da incerteza de Heisenberg: Em 1927 o físico teórico Werner Karl Heisenberg (1901 - 1976), formulou restrições à precisão de efetuar medidas, simultaneamente, entre a posição e o momento (Quantidade de Movimento) da partícula.

Quando estudamos o “Princípio de Conservação da Quantidade de Movimento”, nos estudos de Mecânica Clássica (estudo da mecânica onde a massa envolvida é muito maior do que a do átomo e a velocidade seja muito menor do que a da luz), vimos que podemos calcular suas interações e prever como se comportarão os corpos dentro de um sistema, porém, para a Mecânica Quântica, esse processo não é tão simples.

A restrição de medida com precisão vem da própria natureza da matéria e da luz. A ideia de não podermos precisar com exatidão o momento e a posição da partícula são bem simples. Para que possamos medir a posição de um elétron, por exemplo, precisamos vê-lo ou fazer com que o aparelho utilizado o veja e, para isso, temos que iluminá-lo (princípio básico da óptica geométrica). Para iluminar o elétron, precisamos lançar luz sobre ele, ou seja, fótons; o fóton ao se chocar com o elétron transferirá energia a esse elétron, o que modificará sua velocidade, modificando assim o seu momento.

Assim, se tentarmos determinar a quantidade de movimento do elétron, alteraremos a quantidade de movimento original com os fótons que lançamos. Se criar uma cuidadosa experiência para tentar calcular o momento do elétron, a Quantidade de Movimento da partícula necessária para esse cálculo muda a posição do elétron de modo que não conseguimos descobrir a posição com boa precisão. Resumindo, quanto maior a precisão com que medimos a posição, menor a precisão com que mediremos o momento e vice-versa.

O Princípio da Incerteza de Heisenberg se aplica somente ao mundo quântico, pois a energia de um fóton não tem efeitos significativos em corpos macroscópicos.

Teoria da mecânica ondulatória: Em 1926, Erwin Schrödinger formulou uma teoria chamada de "Teoria da Mecânica Ondulatória" que determinou o conceito de "orbital". Orbital é a região do espaço ao redor do núcleo onde existe a máxima probabilidade de se encontrar o elétron.

“De acordo com a mecânica ondulatória, os vários níveis de energia do átomo são compostos de um ou mais orbitais; nos átomos que contém mais de um elétron, a distribuição destes em torno do núcleo é determinada pelo número e pela espécie de níveis de energia que são ocupados. Portanto, a fim de investigar a maneira pela qual os elétrons estão arrumados no espaço, devemos, primeiro, examinar os níveis de energia no átomo. Isso se faz através de uma discussão dos números quânticos”.

(Brady, 2003, p. 91).

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O modelo atômico Atual: Sabemos que os elétrons possuem carga elétrica negativa, massa muito pequena (cerca de 5X10-4 vezes menor que o próton) e que se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico.

O núcleo atômico é situado no centro do átomo e constituído por prótons que são partículas carregadas eletricamente com carga positiva, cuja massa é aproximadamente 1.837 vezes superior à massa do elétron; e nêutrons, partículas sem carga elétrica e com massa ligeiramente superior à dos prótons.

O número atômico (Z) indica a posição de um determinado elemento químico na tabela periódica atual. Este número, também designado de identidade atômica, informa a quantidade de prótons contidos no interior do núcleo de qualquer átomo.

A tabela periódica é uma ordenação sistemática dos elementos químicos conhecidos.

Cada elemento se caracteriza por possuir um número de elétrons que se distribuem nos diferentes níveis de energia do átomo correspondente.

Os níveis energéticos, regiões eletrônicas ou números quânticos principais, são denominados pelos símbolos K, L, M, N, O, P e Q. Cada nível possui uma quantidade fixa de elétrons. O nível mais próximo do núcleo é o nível K e comporta somente dois elétrons; o nível L, imediatamente posterior, oito, e assim sucessivamente; como já vimos...

Os elétrons do último nível, ou seja, os mais afastados do núcleo, são chamados elétrons de valência. Eles são responsáveis pelo comportamento químico do elemento, consequentemente indicam a quantidade de ligações que o mesmo pode fazer na natureza, a um primeiro momento.

O número da massa do átomo, chamado de massa atômica, é dado pela soma do número de

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Uma breve história do Modelo Atômico prótons e nêutrons presentes no núcleo deste átomo.

O átomo pode perder elétrons, ficando com maior número de prótons, ou seja, carregado positivamente e passa a ser chamado cátion (íon positivo). Ao receber elétrons, o átomo se torna negativo, sendo chamado ânion (íon negativo).

O deslocamento dos elétrons provoca uma corrente elétrica, que dá origem a todos os fenômenos relacionados à eletricidade e ao magnetismo.

No núcleo do átomo existem duas forças de interação a chamada interação nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo, e a interação nuclear fraca, ou força forte e força fraca respectivamente.

As forças de interação nuclear são responsáveis pelo comportamento do átomo quase em sua totalidade.

As propriedades físico-químicas de um determinado elemento são predominantemente dadas pela sua configuração eletrônica, principalmente pela estrutura do último nível, ou nível de valência.

O núcleo atômico – a nova forma de se entende o átomo O modelo padrão e o Grande Colisor de Hádrons (LHC) Para tentar descobrir o que ainda podemos entender do átomo, principalmente do seu núcleo, fora construído o “Grande Colisor de Hádrons”, em Genebra, na Suíça.

O CERN (Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear) é o maior laboratório de física de partículas do mundo e é onde se encontra o Grande Colisor de Hádrons que é o maior acelerador de partículas e o de maior energia existente do mundo. Hádrons é um nome genérico dado às partículas elementares que se mantêm coesas pela ação da Força Nuclear Forte.

Um acelerador de partículas é um instrumento científico projetado para produzir partículas que existiam no início da criação do universo e que podem existir ainda hoje, mas só que muitas são tão instáveis que há necessidade de um instrumento como um acelerador de partículas para que possamos estudá-las.

Seu principal objetivo é obter dados sobre colisões de feixes de partículas, tanto dos prótons ou dos núcleos de chumbo. O laboratório localiza-se em um túnel de 27 km de circunferência, a 175 metros abaixo do nível do solo na fronteira franco-suíça, próximo a Genebra, Suíça.

Os físicos descobriram que os prótons e os nêutrons são compostos de partículas ainda menores, chamados quarks.

Até onde sabemos, os quarks são como os pontos na geometria.

Eles não são compostos de nada mais, assim, hoje dizemos que os quarks fazem parte de um grupo chamado de partículas elementares.

Por tanto, é bastante primitivos afirmar que “a matéria é constituída por átomos” ou ainda que “os átomos são constituídos por partículas subatômicas”. Sabe-se, com o avanço da ciência e advento de novas tecnologias que até essas partículas subatômicas, com exceção do elétron, são formadas, também, por partículas elementares.

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Modelo Padrão O Modelo Padrão descreve as partículas elementares e suas interações. As partículas elementares são classificadas em QUARKS, LÉPTONS e BÓSONS MEDIADORES.

Os Quarks e os Léptons pertencem às primeiras três famílias do modelo padrão.

Na primeira família nós temos: no setor dos Quarks o “Quark Up” e o “Quark Down”; no setor dos Léptons nós temos o “Elétron” e o “Neutrino do Elétron”.

Na segunda família nós temos: no setor dos Quarks o “Quark Charmoso” e o “Quark Estranho”; no setor dos Léptons nós temos o “Muon” e o “Neutrino do Muon”.

Na terceira família nós temos: no setor dos Quarks o “Quark Bottom” e o “Quark Top”; no setor dos Léptons nós temos o “Tau” e o “Neutrino do Tau”.

O Quark Top é partícula elementar que possui maior massa. Sua massa é tão grande que só houve condições propícias para sua existência no início da criação do universo.

O Quark Estranho, Charmoso, Bottom e o Top, são partículas muito instáveis e que tem uma vida muito curta. Eles só podem ser reproduzidos em laboratório, em condições muito específicas. É a primeira família do Modelo Padrão que vai nos interessar, pois é nela que encontraremos as partículas formadoras de toda a matéria que nos rodeia, assim como a matéria que nos constitui.

Os Quarks Up e Down formam os Prótons e os Nêutrons do núcleo atômico. Os Prótons são formados por dois Quarks Up e um Quark Down. Os Nêutrons são formados por dois Quarks Down e um Quark Up. Mas essa formação é observada apenas no início da formação do universo. É devido à diferença de composição dos prótons e dos nêutrons que vemos uma sutil diferença entre as massas desses dois elementos. Os Quarks eram unidos por uma espécie de cola denominada “Glúon”.

O Glúon é classificado com um Bóson Mediador e fica na coluna dos “Bósons Mediadores”, ou seja, ele é responsável por mediar às interações entre os Quarks. O Glúon é responsável pela força nuclear forte que impede a repulsão dos Prótons do núcleo atômico. Os Prótons por possuírem cargas elétricas de mesmo sinal se repelem. É importante saber que nenhum Lépton é sensível a Força Nuclear Forte.

O Elétron é considerado uma partícula elementar; não se descobriu partículas menores

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Uma breve história do Modelo Atômico formadoras do elétron.

O Neutrino do Elétron é difícil de ser observado, pois interage pouco com a matéria. Sua interação é tão fraca, que neste minuto, milhares e milhares de neutrinos estão passando pela Terra e não acontece “nada”. O Neutrino do Elétron é a partícula elementar que acompanha o elétron na família dos Léptons no Modelo Padrão.

O “Fóton” é o Bóson Mediador das interações eletromagnéticas; ele é um quantum de luz, ou seja, um pacote de energia de luz. É graças ao fóton (luz) que enxergamos as coisas. Ele é o responsável pela interação entre os Prótons e os Elétrons.

Os Bósons Mediadores são os responsáveis por toda a interação, “comunicação”, entre as partículas elementares. Desta forma, podemos citar: - Os Glúons: que são Bósons Mediadores responsáveis por unir os Quarks Up e Down para formarem os Prótons e os Nêutrons. Os Glúons agem como uma espécie de “cola”, sobre Quarks Up e Down. Os Glúons são as partículas intermediadoras da força nuclear forte. A força nuclear forte é tão poderosa que até hoje não observamos nenhum Quark isolado. Quarks isolados só foram observados no início da criação do universo.

- Os Fótons: são partículas intermediadoras das forças eletromagnéticas. Forças eletromagnéticas são forças existentes em partículas carregadas eletricamente, como os Prótons e os Elétrons. Os Fótons são os Bósons Mediadores das Forças Eletromagnéticas.

- Os Bósons W+, os Bósons W- e os Bósons Z0, são os Bósons responsáveis pela Força Nuclear Fraca. A força Nuclear fraca é a responsável pelos fenômenos radioativos.

Além dos Bósons Mediadores Glúon, Fóton, W +, W - e Z0, existe mais um Bóson; só que este Bóson não é um Bóson Mediador. Este outro Bóson é o “Bóson de Higgs”.

Segundo a proposta do cientista inglês Peter Higgs é o Bóson de Higgs a partícula responsável por dar massa a todas as outras partículas. Acredita-se que no início da criação do universo, todas as quatro forças formadoras do universo (Força Nuclear Forte, Força Nuclear Fraca, Força Eletromagnética e a Força Gravitacional) eram unificadas e as partículas não possuíam massa.

Logo no início da criação do universo houve a separação da Força Fraca, os Bósons Mediadores da Força Fraca entraram em um campo, o chamado Campo de Higgs, assim ganhando massa.

Mas o Fóton, por alguma sutileza do universo, permaneceu sem massa.

Em 2012, o experimento “Atlas”, do LHC (Grande Colisor de Hádrons), foi um dos detectores que ajudaram a comprovar a existência do Bóson de Higgs.

Desde a criação do universo, conforme este se resfria, o “campo de Higgs”, fornece massa a qualquer partícula que interaja com ele. Quanto mais interagem, mais pesadas às partículas se tornam. As partículas que não interagem permanecem sem massa. Portanto, as partículas só conseguiram ganhar massa devido ao bóson de Higgs.

O bóson de Higgs foi idealizado, portanto, para explicar como algumas partículas portadoras de força como os bósons W têm massa, enquanto outras não, como o fóton. Quando tentaram calcular quantas vezes os bósons W precisam interagir uns com os outros para conseguir massa, os resultados foram fisicamente impossíveis sem a presença do bóson de Higgs.

O LHC funciona ao colidir prótons em velocidades próximas à da luz. De vez em quando, um desses prótons emite um bóson W. Logo, analisar a interação de bósons W é uma forma de testar como o Higgs trabalha.

Em 8 de outubro de 2013 foi anunciada a atribuição do prêmio Nobel de física ao belga François Englert e ao britânico Peter Higgs pela descoberta teórica do mecanismo que explicaria a origem da massa das partículas subatômicas, cuja existência foi recentemente confirmada através da descoberta da partícula de Higgs, pelas experiências conduzidas recentemente no CERN.

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O Big Bang e a Antimatéria Na física de partículas e na física quântica, a antimatéria é a extensão do conceito de antipartícula da matéria, por meio de que a antimatéria é composta de antipartículas da mesma maneira que matéria normal está composta das partículas.

Assim, temos o anti-elétrons, também chamados de pósitrons, que são elétrons com carga positiva, temos os antiprótons (prótons com carga negativa) e antinêutrons, que da mesma forma que os Nêutrons, não possuem cargas elétricas. Essas partículas combinadas podem dar forma a antiátomos da mesma maneira que elétrons, prótons e nêutrons dão forma a átomos normais da matéria.

Matéria e antimatéria se aniquilam quando postas juntas. Da mesma maneira que se juntarmos antipartículas e partículas, criaremos fótons de grande energia (raios gama) e outros pares de partículas e antipartículas.

Em 1928, o físico teórico britânico Paul Dirac elaborou uma equação que ficou conhecida como a Equação de Dirac, esta equação previu a existência dos pósitrons e, portanto, a existência da antimatéria.

Hoje o que temos são especulações a respeito de o porquê o universo observado parece ser constituído inteiramente de matéria. Mas especula-se, também, que existam outros lugares possivelmente constituídos apenas por antimatéria. Planejam-se algumas experiências no espaço para procurar essas regiões. No entanto, como até hoje não se conhece um processo capaz de gerar tal separação, a maioria dos cientistas não acredita nessa hipótese.

Atualmente, a assimetria aparente entre matéria e antimatéria é um dos maiores problemas sem solução da física.

A teoria mais aceita para a origem do universo é a do Big Bang que diz que tudo se iniciou numa grande expansão.

Segundo a Teoria do Big Bang, o universo começou a partir de um ponto ínfimo com energia e temperatura altíssima. Em um dado momento esse ponto se expandiu rapidamente; nas primeiras frações de segundo, a pressão e a temperatura eram tão altas que nenhuma matéria conseguiu se formar. O universo era considerado uma “sopa cósmica” quente constituído de Quarks, Léptons, Bósons Mediadores, suas antipartículas e radiações interagindo o tempo todo.

Depois, estima-se que o universo teve uma expansão com velocidades maiores do que a velocidade da luz, que é conhecido como “Período de Inflação”. Com essa expansão muito rápida implicou em um resfriamento muito rápido, dobrando de tamanho em torno de cem mil vezes em alguns poucos segundos. Foi nesse período que originou a misteriosa assimetria da matéria e antimatéria.

Antes, matéria e antimatéria eram simétricas, ou seja, ambas existiam no universo em igual proporção, mas no período de inflação, não se sabe bem o motivo, o universo privilegiou a matéria ao invés da antimatéria e desta forma que podemos estar aqui hoje. Se por acaso o universo privilegiasse a antimatéria o universo seria totalmente diferente do que o conhecemos e se houvesse quantidade de ambos, elas se aniquilariam mutuamente impedindo que tanto matéria quanto antimatéria fossem formados.

Na realidade, já é estranho que o universo exista, pois, quando a matéria e a antimatéria se encontram, o processo inverso da criação ocorre, ou seja, elas anulam-se gerando apenas energia nesse processo. Seria altamente provável, portanto, que logo após terem sido criadas, partículas e antipartículas se anulassem, impedindo que corpos mais complexos como os átomos, moléculas, minerais e seres vivos pudessem formar-se. Acredita-se que esse processo

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Uma breve história do Modelo Atômico de geração e aniquilação realmente ocorreu para quase toda a matÊria criada durante o início da expansão do universo, mas o simples fato de existirmos indica que ao menos uma pequena fração de matÊria escapou a esse extermínio precoce.

Existe a possibilidade de que a natureza trate de forma ligeiramente diferente a matÊria e a antimatÊria. Se isto for verdade, seria possível que uma pequena fração da matÊria inicialmente gerada tenha sobrevivido e formado o universo conhecido hoje. Hå resultados experimentais e teóricos que apontam nesta direção.

Mas, o nosso universo, com o passar do tempo continuou a esfriar. Os Quarks formaram os PrĂłtons e ou NĂŞutrons. AtĂŠ aqui o universo estava em “Estado de EquilĂ­brio TĂŠrmicoâ€?, ou seja, a temperatura do universo era a mesma em qualquer ponto.

Ao resfriar ainda mais, puderam ser percebidas as desigualdades da massa dos Prótons e dos Nêutrons. Essa desigualdade foi de extrema importância para a organização e formação do núcleo atômico.

Em 1995, foram produzidos antiåtomos de anti-hidrogênio, assim como núcleos de anti-deutÊrio, criados a partir de um antipróton e um antinêutron. PorÊm, não houve sucesso na obtenção de antimatÊria de maior complexidade.

Hoje criamos a antimatĂŠria atravĂŠs da colisĂŁo entre partĂ­culas de alta energia, tentando imitar o que ocorre no centro das galĂĄxias, entretanto, nĂŁo se tem detectado nenhum tipo de antimatĂŠria como resĂ­duo do Big Bang, coisa que ocorre com a matĂŠria normal.

A formação de um Quark com um Antiquark recebe o nome de “MĂŠsonâ€?. Existem vĂĄrios tipos de MĂŠsons, um deles ĂŠ o “MĂŠson PIâ€? ou “PĂ­onâ€? o qual um dos responsĂĄveis pelo seu descobrimento foi o fĂ­sico brasileiro CĂŠsar Lattes.

MĂŠson ĂŠ uma partĂ­cula subatĂ´mica (um HĂĄdron) composta por um quark e por um antiquark.

Frequentemente, um par de quark e antiquark não ocorre isoladamente, mas, em vez disso, mistura-se com outros de modo a que os quarks fiquem em sobreposição.

Os MÊsons foram originalmente previstos como transportadores da força que liga os Prótons e os Nêutrons no núcleo. Quando foi descoberto, o Muon foi identificado como membro da família devido à sua massa semelhante e foi-lhe dado o nome de "MÊson mu". No entanto, verificou-se que não mostra uma atração forte pela matÊria nuclear. Na realidade, Ê um LÊpton. Mais tarde, descobriu-se o Bóson, e verificou-se que Ê este o verdadeiro transportador da força.

Para capturarmos os pósitrons e os antiprótons atravÊs de uma combinação de campos magnÊticos e elÊtricos muito intensos.

O sĂ­mbolo que se usa para descrever uma antipartĂ­cula ĂŠ o mesmo sĂ­mbolo da partĂ­cula normal, porĂŠm com um traço sobre o sĂ­mbolo. Por exemplo, o antiprĂłton ĂŠ simbolizado como (đ?‘?Ě… ).

As reaçþes entre matÊria e antimatÊria tem aplicaçþes pråticas na medicina como, por exemplo, na tomografia por emissão de pósitrons. As colisþes entre matÊria e antimatÊria convertem toda a massa possível das partículas em energia. Esta quantidade Ê muito maior que a energia química ou mesmo a energia nuclear.

E hoje, quais as novas pesquisas... A “FĂ­sica Novaâ€? – AlĂŠm do Modelo PadrĂŁo A MatĂŠria Escura e a Energia Escura Ao observarmos o universo deparamos com coisas que nĂŁo faziam muito sentido.

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Uma breve história do Modelo Atômico Em 1923, o astrônomo norte-americano Edwin Hubble, verificou que borrões que se viam nos telescópios eram na verdade galáxias e estas galáxias tinham um formato em espiral e giravam em torno do seu núcleo. O que não fazia sentido era a velocidade rotacional das estrelas da periferia das galáxias que tinham velocidade rotacional muito maior do que deveriam ter ao serem comparadas com estrelas mais próximas do núcleo da galáxia.

A explicação pelo fato observado é que deveria ter mais matéria do que se supõem. Assim nasceu a teoria da “matéria escura”, que hoje se sabe que corresponde a cerca de 23% de todo o universo, enquanto a matéria ordinária (a matéria que conhecemos) corresponde a apenas 5% de todo o universo.

Daí podemos nos perguntar: Se a matéria escura é invisível a nós, como sabemos que ela está lá? Ou como poderemos detectá-la?

Uma forma é através da velocidade das estrelas das bordas das galáxias, comparando-as com os movimentos das estrelas próximas ao núcleo.

Outra forma de observar é através das lentes gravitacionais. A lente gravitacional é formada devido a uma distorção da imagem observada causada pela presença de um corpo massivo situado entre uma estrela e um observador. As lentes gravitacionais foram previstas na teoria da relatividade geral de Einstein antes de serem observadas pelos modernos telescópios. Essas lentes são evidências a favor da Matéria Escura, visto que algumas lentes são criadas por corpos celestes que aparentemente não estão lá.

Mas o que é a matéria escura?

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Uma breve história do Modelo Atômico Na comunidade cientifica existem duas vertentes, um grupo acredita que sejam MACHOs (MAssive Compact Halo Object, Objeto com Halo Compacto e Grande Massa) e um outro grupo que acreditam que sejam WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - partícula massiva que interage fracamente).

MACHOs (MAssive Compact Halo Object, Objeto com Halo Compacto e Grande Massa) são matérias remanescentes de objetos estelares que morreram, como: anãs brancas, buracos negros, estrelas de nêutrons, grandes planetas... ou seja, tudo que foi muito grande e pouco luminoso.

WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles - partícula massiva que interage fracamente). Existem evidencias muito fortes que a matéria escura seja na verdade WIMPs, com as partículas vistas em nosso modelo padrão e ainda outros ainda desconhecidos por nós.

Alguns dos candidatos às extensões de partículas formadoras das WIMPs são: os “Neutrinos do Modelo Padrão”; Neutrinos Estéreis; Áxions; Supersimetria; Wimpzilas (matéria escura super pesada); Dimensões Extras às nossas 4 dimensões (comprimento, altura, largura e o tempo); etc...

Limitações da teoria: Mesmo se considerando WIMPs e MACHOs responsáveis pela matéria escura, dois terços da matéria do universo não "teria explicação". Essa parcela da matéria não observável (exceto pela interação gravitacional) é, por vezes, chamada de DUNNOS (Dark Unknown Nonreflective Nondetectable Objects Somewhere, ou Objetos Escuros Não-reflexivos Não-detectáveis).

Além da matéria escura, um dos fatos que intrigou o astrônomo norte-americano Edwin Hubble, é a verificação que as galáxias afastavam-se uma das outras a uma velocidade proporcional à distância que as separam. Naquela época, a sociedade cientifica achou que as observações de Hubble estavam erradas, mas verificou-se mais tarde que além das galáxias estarem com suas distâncias aumentando uma em relação a outras, elas estão acelerando esse distanciamento.

Essa aceleração só seria possível caso houvesse uma forma de energia que não conseguimos detectar.

Essa Energia ficou conhecida como “energia escura” ou “energia negra”, pois é essa forma hipotética de energia estaria distribuída por todo universo e estaria acelerando a expansão do Universo. Assim, a principal característica da energia escura é a sua ação em oposição à gravidade. Alguns cientistas acreditam que a Energia Escura é a uma forma de gravidade, matematicamente aceita pelas equações de Einstein, que é a “gravidade repulsiva”, ou seja, conhecemos a gravidade como uma interação entre massas que as atraí; esse tipo de gravidade age entre as massas repelindo umas das outras.

A natureza da energia escura é um dos maiores desafios atuais da física. Devido a limitações de um bom conhecimento da variação temporal da taxa de expansão do universo o que exige a observação de propriedades de objetos a distâncias muito grandes.

As principais formas das diferentes propostas de energia escura são: a constante cosmológica (que pode ser interpretado tanto como uma modificação de natureza geométrica nas equações de campo da relatividade geral, quanto como um efeito da energia do vácuo, a qual preenche o universo de maneira homogênea); e a quintessência (usualmente modelado como campo escalar cuja densidade de energia pode variar no tempo e no espaço).

Outra proposta relativamente popular entre pesquisadores é a quartessência que visa unificar os conceitos de energia escura e matéria escura postulando a existência de uma forma de energia conhecida como “gás de Chaplygin” que seria responsável tanto pelos efeitos dos dois componentes escuros.

Assim, segundo observações astronômicas feitas em até 2012, sugere que o nosso universo conhecido e observável, como as galáxias, estrelas, planetas e todos os átomos, correspondem por apenas 5% da matéria de todo o universo. 23% correspondem à “matéria escura” e os outros 72% correspondem à “energia escura”.

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Teoria das Cordas A Teoria das Cordas foi desenvolvida na tentativa de unificar duas principais teorias da Física Moderna, a Teoria da Relatividade Geral de Einstein e a Física Quântica, e assim explicar melhor o mundo em que vivemos. Ela teve seu início com Theodor Kaluza, em 1919, e continua evoluindo.

De acordo com a teoria das cordas, os quarks e todas as partículas que constituem o universo são formados por pequenos filamentos de energia vibrante semelhante a pequenas cordas que vibram.

Essas cordas estariam vibrando em diferentes padrões, com frequências distintas, produzindo as diferentes partículas que compõem o nosso mundo. Veja a figura a seguir:

A figura mostra que se a matéria for descomposta em suas menores partes, veremos que ela é constituída por pequenas cordas.

Para facilitar a compreensão, podemos fazer uma analogia entre essas cordas e as cordas de um violão: da mesma forma que as diferentes vibrações das cordas de violão produzem sons diferentes, cada corda pode vibrar em muitos diferentes modos, e que cada estado vibracional representa uma partícula diferente.

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Uma breve história do Modelo Atômico Ao afirmar que tudo que forma o universo é constituído de uma única forma, a teoria das cordas consegue unificar todas as teorias da Física. Já que todas as partículas que formam a matéria, os fótons, elétrons, quarks, entre várias outras partículas já conhecidas, são formadas por apenas uma entidade, todas elas podem ser explicadas por apenas uma teoria. É por isso que a teoria das cordas também pode ser chamada de teoria de todas as coisas (Theory of Everything - TOE).

A principal consequência da teoria das cordas está na sua demonstração matemática: ela não funciona em um universo com três dimensões espaciais, mas sim em um universo com muito mais dimensões, estimasse que um número razoável está entre dez e vinte e cinco dimensões de espaço e uma de tempo. Isso quer dizer que, se a teoria for comprovada, existem dimensões espaciais que não conseguimos perceber e que vão além da altura, comprimento e largura. Isso representa uma nova visão do universo bem diferente do que já conhecemos.

A quantidade e formato que dessas múltiplas dimensões ao redor do filamento de energia vibrante (corda) nos dá a forma com que essa corda vibre e assim a partícula que ela produzirá.

Apesar de todos os avanços já apresentados, a teoria das cordas é ainda apenas uma ideia e ainda não pôde ser demonstrada experimentalmente.

Além da 4ª Dimensão e os Multiversos A teoria do multiverso nos diz que o universo em que vivemos é apenas um entre um número infinito de universos que podem existir.

A teoria de “multiverso”, ou seja, vários universos desconectados podem ser possíveis para explicar a quantidade enorme de energia escura que o nosso universo tem.

Como vimos, cerca de 72% do universo parece ser feito de energia escura. Outros 23%, de matéria escura e, apenas 5% do nosso universo é composto por coisas que podemos ver e tocar ou interagir; que é a matéria comum ou matéria ordinária. Nenhuma outra teoria existente sobre o nosso universo consegue explicar tal fenômeno. Com a teoria do multiverso, essa quantidade de energia não só se torna explicável, como é inevitável.

Outros fenômenos, como a radiação cósmica de fundo e a expansão do universo, também levam a crer na existência de vários universos.

Hoje, os cientistas acreditam que, por comprovações matemáticas, a forma do tecido que permeia tudo que existe, o “espaço-tempo”, é plano e estende-se infinitamente. Se o espaçotempo estende-se infinitamente, ou seja, dura para sempre; então deve começar a se repetir em algum ponto, porque há número finito de formas com as quais as partículas podem ser organizadas. Então, em algum momento, o padrão de rearranjo do universo deva se repetir.

Assim, pode haver mais de um local onde encontraremos versões idênticas das coisas que nos rodeiam e até de nós mesmo. E alguns desses “outros nós” estarão fazendo exatamente a mesma coisa que estamos fazendo agora, enquanto outros são idênticos a nós, mas estão fazendo coisas diferentes e outros até com escolhas de vida totalmente diferentes.

Como o universo observável se estende apenas até onde a luz teve a chance de chegar a nós cerca de 13,72 bilhões de anos desde o Big Bang (que seria 13,72 bilhões de anos-luz), o espaço-tempo além dessa distância pode ser considerado o próprio universo que vivemos. A partir daí existirá outro universo.

Além dos múltiplos universos criados por estender infinitamente o espaço-tempo, outros universos podem ter surgido, e ainda surgem, a partir do “Período de inflação do Universo”, período esse que muitos físicos acreditam que seja eterna, assim ainda continua a acontecer.

Só para relembrar, a inflação é a noção de que o universo se expandiu rapidamente após o Big Bang, inflando como um balão. Inflação eterna, proposta pela primeira vez pelo cosmólogo Alexander Vilenkin da Universidade Tufts, sugere que alguns bolsões no espaço pararam de

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Uma breve história do Modelo Atômico inflar, enquanto outras regiões continuam a inflar, dando assim origem a muitos universos isolados em “bolhas”.

Assim, no nosso próprio universo, a inflação que permitiu que estrelas e galáxias se formassem, é uma pequena bolha entre várias outras bolhas no espaço, algumas das quais ainda estão inflando. E em alguns desses “universos bolhas”, as leis e constantes fundamentais da física podem ser totalmente diferentes das que são no nosso universo, tornando-as muito estranhas para nós.

Através da teoria das cordas é possível imaginar universos paralelos; esta proposta foi feita inicialmente por Paul Steinhardt e Neil Turok. A ideia surge da possibilidade de muito mais dimensões existirem em nosso próprio mundo, além das três dimensões de espaço e uma de tempo que conhecemos. Assim, outros espaços podem flutuar num espaço em dimensão superior a que conhecemos e é observável por nós.

Uma variação desta teoria nos diz que esses universos não são sempre paralelos e fora de alcance. Às vezes, eles podem bater um no outro, causando repetidos Big Bangs que redefinem os universos novamente.

Outra teoria que nos mostra a possibilidade de multiversos e a teoria da mecânica quântica, pois ela descreve o mundo em termos de probabilidades, em vez de resultados definitivos.

A matemática desta teoria sugere que todos os resultados possíveis de uma situação realmente ocorrem – em seus próprios universos separados. Por exemplo, se a gente chegar a uma esquina, podemos escolher entre ir para a direita ou para a esquerda. A partir dessa nossa escolha, o universo atual dará origem a dois universos “filhos”: um em que vamos para a direita, e outro no qual vamos para a esquerda.

O problema é que ainda não temos como provar que estamos em um multiverso. Se daqui é difícil até encontrar outros planetas, quem diria um inteiro outro universo!

Para calcular como encontrar esse multiverso e como medi-lo, precisamos investir em probabilidades, tentar “chutar” quais serão as características principais dele (como a quantidade de energia escura que ele teria). Para calcular essas probabilidades, é preciso uma medida – uma ferramenta matemática que ajuda na definição dessas probabilidades. Mas encontrar essa medida quando o assunto é o multiverso é muito difícil. Seria como comparar infinitos. “Qual infinito é maior?” parece uma pergunta sem noção.

Nosso universo surgiu do Big Bang, provavelmente um choque entre um universo e outro, e há uma variedade de universos que pode ser produzida dessa forma. Poderíamos usar essas medidas para calcular as probabilidades. Mas aplicar isso na prática é outra história. O problema é que, pra funcionar mesmo, esses cálculos precisariam da quantidade inicial de vácuo no universo – e isso ainda é um mistério.

Segundo o famoso físico Stephen Hawking, uma outra forma de verificar o multiverso seria buscar características na radiação de fundo de micro-ondas que indicassem a colisão de outro universo com o nosso num passado distante.

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A radiação cósmica de fundo (CMB, na sigla em inglês) que aparece no universo na frequência mais alta possível de micro-ondas deixa marcas no espaço-tempo, como se fosse uma impressão digital. Segundo a teoria dos vários universos, essas marcas foram deixadas após a colisão dos vários universos ao longo de suas existências. Nosso próprio universo, portanto, poderia já ter colidido com um ou mais “vizinhos”.

O que se buscará a partir de agora, portanto, é ordenar as observações para fortalecer essa teoria. Um satélite da Agência Europeia Espacial, chamado Planck, está no espaço desde 2009, e a partir de 2013 começou a nos mandar informações que ajudará a melhorar e/ou até comprovar a existência dos multiversos.

A questão da origem de tudo o que existe no mundo é provavelmente uma das questões mais inquietantes da História. Até hoje, várias teorias foram formuladas e inúmeras hipóteses foram publicadas, mas nenhuma delas ainda foi comprovada. Mesmo assim, a teoria da existência de universos múltiplos vem ganhando muito espaço entre físicos, astrônomos, etc.

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Exercícios de fixação.

1) A quem pertencia a primeira ideia de átomo, sem base em resultados experimentais e faça um pequeno relato de como se imaginava o mundo em relação à matéria.

2) Qual o primeiro cientista a propor com bases experimentais um modelo atômico? E como era esse modelo atômico?

3) Qual o motivo levou a Thomson a criar um Modelo Atômico diferente do modelo proposto por Dalton?

4) “O átomo pode ser comparado ao sistema planetário, com o Sol representando o núcleo, e os planetas, os elétrons”. Qual o cientista que propôs essa ideia?

5) Explique o experimento que levou Rutherford a propor o seu modelo atômico.

6) O que houve de inovação e quais as falhas apresentadas pelo modelo de Rutherford?

7) Qual a inovação apresentada por Bohr para o modelo de Rutherford?

8) Qual a proposta de Max Planck e qual sua ideia para a Teoria Quântica?

9) Qual a inovação apresentada por Sommerfeld para o modelo de Bohr?

10) Explique com suas palavras o que são níveis eletrônicos de energia?

11) Explique com suas palavras o que são subníveis eletrônicos de energia?

12) Explique com suas palavras o princípio da dualidade da matéria de Louis de Broglie.

13) Explique com suas palavras o princípio da incerteza de Heisenberg. Exemplifique esse princípio usando um exemplo atual.

14) Qual a importância do nêutron para o átomo?

15) Pesquise em livros e internet e descubra a importância das ações e/ou descobertas dos cientistas citados a seguir em relação ao desenvolvimento dos modelos atômico: a. Faraday; b. Gotthilf-Eugen Goldstein; c.

Röentgen;

d. Becquerel; e. Schrödinger; f.

Marie e Pierre Curie;

g. Paul Ulrich Villard.

16) Quantos e quais são os Léptons que constitui o modelo padrão?

17) Quais são os Quarks e suas famílias no Modelo Padrão?

18) No Modelo Padrão, os Prótons e os Nêutrons são partículas elementares? E o Elétron?

19) Quais são as partículas formadoras dos Prótons e dos Nêutrons?

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Uma breve história do Modelo Atômico 20) Quais são os Bósons Mediadores que compõe o Modelo Padrão? E qual a sua importância.

21) O que é o “Bóson de Higgs”? E qual a sua importância para a constituição da matéria como a conhecemos?

22) Descreva com suas palavras a teoria mais aceita sobre a origem do universo.

23) O que é antimatéria e do que ela é composta.

24) O que aconteceria se em nosso universo conhecido tivesse a mesma quantidade de matéria e antimatéria?

25) O que foi o período de inflação do universo?

26) Qual a contribuição do físico brasileiro César Lattes para o estuda da física de partículas?

27) O que vem a ser o “Méson”?

28) Com as pesquisas recentes, do que é composto o universo que conhecemos hoje?

29) Qual a principal importância da Matéria Escura em nosso universo atual?

30) O que são WIMPs e MACHOs? 31) Do que os WIMPs e os MACHOs são formados?

32) O que levou a descoberta da Energia Escura? E por que ela é tão importante para tentar explicar o universo como conhecemos?

33) Qual a composição atual de massa que compõem o nosso universo?

34) É possível que as partículas elementares sejam formadas por “filamentos de energia”.

Qual a teoria que reforça essa ideia?

35) De acordo com a Teoria das Cordas, qual a explicação para diferentes partículas existentes?

36) Para apoiar a Teoria das Cordas é necessário saber que pode haver um número bem maior de dimensões além das quatro (4) que nós conhecemos. Qual a estimativa feita para o número de dimensões presentes?

37) O que são multiversos?

38) Cite três elementos que reforçam a existência de multiversos.

39) Faça um breve relato especulativo de como seria o seu “outro eu” em um outro universo.

O que ele estaria fazendo, quais as suas ambições.

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Uma breve história do Modelo Atômico

Bibliografia: Livros: - ABDALLA, M. C., - O discreto charme das partículas elementares - 1ª Edição – São Paulo - Editora Unesp, 2006.

– MARQUES, G.C., - Do que tudo é feito? - 1ª Edição - Editora Edusp, 2010.

- BRADY, J. E., HUMISTON, Gerard E. Química geral. Vol. 1, 2º ed. - Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos Editora, 2003.

Publicações e periódicos: - Revista Brasileira de Ensino de Física. vol.31 nº1 São Paulo, Abril 2009. (A revista pode ser consultada pelo link: http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_serial&pid=18061117&lng=en&nrm=iso ).

- Explicando o modelo padrão de partículas da Física Moderna – MARQUES, A. J.; Periódico Textos e Contextos - História e Filosofia do Mundo em poucas palavras - (O periódico pode ser consultado pelo link: http://adiliojorge.blogspot.com.br/2010/11/explicando-o-modelopadrao-de.html ).

Sites: http://www.notapositiva.com/trab_estudantes/trab_estudantes/fisico_quimica/10historiadoatomo .htm http://www.sbmac.org.br/bol/bol-2/artigos/jader/jader.html http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/dualidade-particula-onda.htm http://quimicacoma2108.blogspot.com.br/2010/03/historia-do-atomo-desde-teoria-de.html http://www.brasilescola.com/fisica/principio-incerteza.htm http://www.ebah.com.br/content/ABAAABnykAF/modelos-atomicos http://educacao.uol.com.br/disciplinas/quimica/atomo-ahrefhttpeducacaouolcombrbiografiasdemocritojhtmudemocritoua-thomson-rutherford-bohr-ehistoria-do-atomo.htm http://super.abril.com.br/blogs/supernovas/2013/04/03/fisicos-podem-ter-encontrado-indiciosde-materia-escura/ http://alfaconnection.net/pag_avsf/atomos.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Átomo http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_Padrão http://pt.wikipedia.org/wiki/Grande_Colisor_de_Hádrons http://pt.wikipedia.org/wiki/Antimatéria http://pt.wikipedia.org/wiki/Méson http://www.cbpf.br/Staff/Hist_Lat.html http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia_escura http://pt.wikipedia.org/wiki/Áxion http://astro.if.ufrgs.br/evol/axions/axions.htm

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Uma breve história do Modelo Atômico http://www.brasilescola.com/fisica/teoria-das-cordas.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Teoria_das_cordas http://www.megacurioso.com.br/astronomia/45024-estamos-vivendo-em-um-multiversovideo.htm http://pt.wikipedia.org/wiki/Multiverso_(ciência) http://hypescience.com/5-motivos-pelos-quais-devemos-estar-em-um-multiverso/

Vídeos: Documentário da Tv Cultura - “O discreto charme das Partículas Elementares” – documentário baseado no livro de Professora Maria Cristina Abdalla, livro de mesmo nome do documentário.

Documentário “O Universo”, do History Channel, 2ª Temporada, Episódio 06, “A matéria escura” - Documentário sobre a Matéria e a Energia Escura.

Documentário “Além do Cosmo”, do “National Geographic Channel”, Multiversos - Documentário sobre a Teoria dos Múltiplos Universos.

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