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Átomos e Partículas Subatômicas.

Dentre as forças fundamentais da natureza, a gravidade é a força dominante a nível cósmico, pois rege as órbitas dos planetas e de outros corpos celestiais.

Entretanto, quando se estuda o microcosmo do universo atômico, as forças que imperam sobre os átomos e partículas subatômicas são a eletromagnética:

- A força forte (que mantêm o núcleo do átomo unido)
- A força fraca (relacionada com o decaimento radioativo).

A palavra átomo designa partículas de matéria que, de tão pequenas, são indivisíveis.

Em sua teoria atômica de 1803, o químico britânico John Dalton (1766-1844) definiu-o como a menor partícula capaz de conservar as propriedades químicas de um dado elemento.

Vários fenômenos puderam ser explicados com o auxílio desta hipótese, ainda válida.

Estrutura do Átomo.

Até a descoberta do elétron em 1897, pelo físico britânico J.J. Thompson (1856-1940), não havia descrição física do átomo.

O átomo nuclear foi proposto pelo físico inglês Emest Rutherford (1871-1937) em 1911.

Seu modelo consiste de um núcleo central pequeno porém denso, de carga positiva, envolto por elétrons carregados negativamente.

Ele sugeriu que os elétrons orbitavam ao redor do núcleo e que a força de sua velocidade angular em suas órbitas seria suficiente para compensar a força de atração exercida pelo núcleo de carga oposta.

O núcleo contém mais de 99,9% da massa do átomo, mas seu diâmetro é de 10^-15 m.

Uma objeção básica ao modelo de Rutherford foi formulada pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962).

Bohr observou que, ao se mover em órbita circular, o elétron sofre aceleração contínua e que uma carga acelerada deveria irradiar energia sob forma de ondas eletromagnéticas.

Se o elétron emitisse energia continuamente, perderia energia e colidiria com o núcleo; assim, não poderia existir órbita permanente.

Bohr propôs que os elétrons só se moviam ao redor do núcleo em determinadas órbitas ou camadas permitidas, cada qual com seu próprio nível de energia, e que enquanto permanecessem nestas órbitas não emitiriam radiação.

Radiação como a luz só seria emitida se um elétron saltasse de um nível permitido para outro de energia inferior.

Assim, os elétrons não perderiam energia continuamente, mas apenas em fótons ou quantas (quantidades discretas) equivalentes à diferença de energia entre as órbitas permitidas.

Aprofundando-se na teoria da dualidade da onda-partícula, o físico austríaco Erwin Schrödinger (1887- 1961) aperfeiçoou o modelo de Bohr, sugerindo que as órbitas permitidas teriam uma circunferência que seria um múltiplo do comprimento de onda do elétron.

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Estrutura do Núcleo.

Com exceção do átomo de hidrogênio, que contém apenas um próton, os núcleos dos átomos encerram uma mistura de prótons e nêutrons, os núcleons.

O próton tem carga positiva, de valor igual à carga negativa do elétron.

O nêutron, de tamanho similar ao próton, é eletricamente neutro.

Os dois têm massa equivalente a cerca de 1.836 vezes a do elétron, cuja massa em repouso é de 9,11 x 10^-31 kg.

Os prótons e os nêutrons do núcleo atômico são mantidos unidos por meio da forço nuclear forte, que supera a força eletromagnética de repulsão (bem mais fraca) exercida pelos prótons positivamente carregados.

É possível que átomos do mesmo elemento contenham números iguais de prótons, mas números diferentes de nêutrons em seus núcleos chamados de isótopos.

Isótopos de um mesmo elemento contêm a mesma carga nuclear e suas propriedades químicas são idênticas, mas com propriedades físicas diferentes.

Um isótopo pode ser representado de várias maneiras: urânio-235, U-235 ou ²³⁵U.

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Radioatividade.

A radiação, tanto sob forma de emissão espontânea de partículas quanto como onda eletromagnética, ocorre a partir da desintegração de certas substâncias.

Trata-se de radioatividade, que pode ser de três tipos: decaimento alfa, beta e gama.

Decaimento Alfa.

No decaimento alfa são produzidos núcleos de hélio com dois nêutrons e dois prótons, partículas alfa formadas pelo decaimento espontâneo de seus núcleos-precursores.

Assim, o urânio-238 decai para tório-234 com emissão de uma partícula alfa.

Decaimento Beta.

No decaimento beta as partículas emitidas são ou elétrons ou pósitrons (idênticos ao elétron, mas de carga positiva).

O núcleo precursor conserva o mesmo número de núcleons, mas sua carga varia para mais ou menos 1.

Nestes mesmos processos, outra espécie de partícula, um neutrino ou um antineutrino é produzida.

O neutrino não possui carga e sua massa, descoberta no início de 1995, é quase nula.

Decaimento Gama.

No decaimento gama o processo radioativo produz fótons de alta energia quando o núcleo resultante salta de um estado excitado de energia para outro de energia mais baixa.

A velocidade com que a desintegração radioativa ocorre depende apenas do número de núcleos radioativos presentes.

A meia-vida, ou o tempo que metade de um dado número de núcleos radioativos leva para se desintegrar, é constante para cada elemento.

O isótopo carbono -14 possui meia-vida de 5.730 anos e a medida de seu decaimento é usada no cálculo da idade de materiais orgânicos.

O decaimento pode resultar na produção de uma série de novos elementos que, por sua vez, podem decair até alcançar um estado de estabilidade.

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Partículas Nucleares.

Mais de 200 partículas elementares são conhecidas, sendo divididas em dois tipos: hádrons e léptons.

Os hádrons são partículas pesadas afetadas pela força forte e os léptons são partículas leves, como os elétrons e neutrinos, que não estão sujeitos à força forte.

Outra distinção é feita entre férmions, que têm existência permanente, e bósons, que podem ser produzidos e destruídos livremente.

Os léptons são férmions.

Acredita-se que todas as partículas possuam uma antipartícula a ela associada de mesma massa, mas oposta em outras características, como a carga.

O pósitron, portanto, de carga positiva, é a antipartícula do elétron de carga negativa.

Algumas partículas, como o fóton, podem ser suas próprias antipartículas.

Presume-se que os léptons sejam partículas fundamentais e que os hádrons sejam constituídos de quarks, que podem ter carga elétrica fracionária.

É provável que não existam quarks livres.

Quando três quarks se combinam, o hádron resultante é o bárion.

A combinação de um quark com um antiquark chama-se méson.

Um méson é um bóson, partícula de vida curta que salta entre prótons e nêutrons, mantendo-os unidos.

Pode-se formar um padrão de hádrons (via óctupla) através da combinação de diversos quarks, tendo sido possível prever a existência de partículas posteriormente descobertas.

Acredita-se que existam seis tipos de quark: up, down, charmed, strange, top e bottom.

Os quarks transportam, além da carga elétrica, outro tipo de carga chamada cor.

A força associada à carga de cor liga os quarks entre si e é tida como a fonte da força forte que mantém os hádrons unidos.

Assim, a força de cor é a mais fundamental.

A força fraca está associada ao decaimento radioativo beta de alguns núcleos.

A teoria da força eletrofaca demonstrou que as forças eletromagnéticas e as fracas estão vinculadas entre si e previu a existência das partículas W e Z°, subsequentemente descobertas.

Fissão e Fusão.

A energia nuclear origina-se a partir de dois processos: fissão e fusão.

Ambos formas de reação nuclear.

No processo de fissão, um núcleo grande, como o urânio-235 (²³⁵U), divide-se formando dois núcleos menores que possuem energias de ligação maiores que a do urânio original.

Assim, a energia é cedida no processo.

A fissão é usada em reatores nucleares e em armas atômicas.

Além do urânio­235, existem outros isótopos, como o plutônio-239, que dão origem à fissão.

No processo de fusão, dois núcleos leves se fundem, dando origem a duas partículas, uma maior e outra menor que os núcleos originais.

Geralmente, um deles possui energia de ligação suficientemente alta para liberar grande quantidade de energia.

A fusão do hidrogênio para formar hélio é a fonte de energia de estrelas como o Sol, embora o processo da fusão solar difira em detalhes do processo simplificado aqui descrito.

A fusão nuclear é a base da bomba de hidrogênio e as pesquisas prosseguem no sentido de tornar possível o uso da fusão para gerar energia.

Fissão Nuclear.

Um nêutron bombardeia o núcleo de urânio-235, fazendo com que se divida e libere energia quando a força nuclear forte é rompida.

Formam-se então dois núcleos mais leves, que também são radioativos.

Os nêutrons liberados podem bombardear e dividir outros núcleos, outras fissões podem ocorrer.

Estabelece-se assim uma reação em cadeia, caso a massa do urânio-235 esteja acima de um certo nível, a massa crítica.

Fusão Nuclear.

Dois núcleos pequenos se chocam e se combinam, rompendo a força nuclear fraca, liberando energia.

A reação da imagem envolve núcleos de deutério e de trítio (isótopos do hidrogênio) que se combinam produzindo hélio (um subproduto) e um nêutron, liberando energia.

Tal reação libera muito mais energia do que a fissão para uma determinada massa de material.

Contudo, os nêutrons liberados devem ser contidos ou controlados.

Aceleradores Nucleares.

Aceleradores são máquinas grandes que aceleram feixes de partículas a velocidades altíssimas, possibilitando a pesquisa da física de partículas.

Para acelerar as partículas, tanto em linha reta (acelerador linear) quanto em círculo (ciclotron, sincrotron ou sincrociclotron), são empregados campos elétricos e poderosos campos magnéticos são usados para guiar os feixes.

As partículas chegam a adquirir níveis de energia equivalentes a várias centenas de giga elétron­volts.

Um elétron­volt (eV) corresponde ao aumento em energia que um elétron sofre quando seu potencial aumenta em 1 volt:

1 eV = 1,6 x 10^-19 joules (J).

Os aceleradores nucleares têm fornecido provas experimentais da existência de numerosas partículas subatômicas previstas em teoria.

Modelo de Rutherford Para a Estrutura Atômica.

Elétrons negativamente carregados circulam em torno de núcleos de carga positiva.

Modelo de Rutherford-Bohr Para a Estrutura Atômica.

O número de elétrons girando em torno do núcleo é igual ao número de prótons positivamente carregados contidos no núcleo.

O número de elétrons em cada camada também é limitado, não mais de 2 na primeira, 8 na segunga, 18 na terceira e assim por diante.

Níveis de Energia do Átomo.

Cada camada atômica ou órbita está associada a um determinado nível de energia.

Ao se moverem entre as camadas, os elétrons ganham ou perdem energia.

No segundo caso, a energia perdida é emitida como fóton (partícula de luz ou outra radiação eletromagnética).

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