Partículas Elementares - Nupic - Núcleo de Pesquisas em Inovação

Transcrição

A TRANSPOSIÇÃO DAS TEORIAS
MODERNAS E CONTEMPORÂNEAS
PARA O ENSINO MÉDIO
PARTÍCULAS ELEMENTARES
Faculdade de Educação da Universidade de São Paulo – FEUSP
Núcleo de Pesquisa em Inovações Curriculares – NUPIC
Laboratório de Pesquisa em Ensino de Física – LaPEF
NUPIC/LAPEF
A Transposição das Teorias Modernas e
Contemporâneas para a Sala de Aula:
Partículas Elementares
Laboratório de Pesquisa em Ensino de Física da
Faculdade de Educação da USP
São Paulo, 2010
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NUPIC/LAPEF
Sumário
BLOCOS
Pág.
Bloco I – Raios-x e outras radiações.......................................................................................................
4
Bloco II – Ordem de grandeza e modelos atômicos................................................................................
36
Bloco III – Interação forte e os quarks.....................................................................................................
61
Bloco IV – A interação fraca.................................................................................................................
91
Bloco V – Partículas e antipartículas.....................................................................................................
100
Bloco VI – Campos quantizados..........................................................................................................
115
Bloco VII – A família das partículas....................................................................................................
122
BLOCO VII – AS FAMÍLIAS DAS PARTÍCULAS
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NUPIC/LAPEF
BLOCO I - RAIOS-X E OUTRAS RADIAÇÕES
Iniciamos o nosso estudo da Física de Partículas Elementares pelo estudo e compreensão das radiações e da
radioatividade.
1. Objetivos gerais:
 Estimular a curiosidade para o estudo de física de partículas.
 Compreender através dos desenvolvimentos históricos os raios X e as radiações ,  e .
 Entender a natureza das radiações (ou ondas) eletromagnéticas e suas principais características.
2. Conteúdo Físico
 A descoberta dos raios X, sua produção e aplicações.
 A descoberta da radioatividade.
 Radiações eletromagnéticas: produção e propagação.
 Radiações ,  e .
3. Leitura complementar
As leituras indicadas servem para um conhecimento mais profundo e detalhado dos conceitos tratados neste
bloco. Assim, caso seja possível, leia algumas dessas referências antes de iniciar as aulas.
 HEWITT, Paul. Física Conceitual. 9ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2002.
 MENEZES, Luis Carlos de. A matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do
conhecimento físico. São Paulo: Livraria da Física, 2005.
 SEGRÉ, E. Dos raios X aos Quarks. Físicos Modernos e suas Descobertas. Universidade de Brasília,
Brasília, 1982.
 VARELA, João. O século dos quantas. Lisboa: Gradiva, nov 96.
 TIPLER, Paul A.; LLEWELLYN, Ralph A. Física Moderna. 3ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2001.
 HOMMER, Herbert. A cien años del descubrimento de los rayos X. Educación Química, V.7, n.2,
abril/96.
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4. Quadro Sintético
ATIVIDADES
MOMENTOS
COMENTÁRIOS
TEMPO
ESTIMADO
Propor e explicar o conteúdo do curso.
Alunos respondem questionário inicial.
Atividade 1 – Analisando Radiografias.
1. Analisando
Radiografias.
A atividade motivacional e
introdutória aos assuntos
que serão abordados.
Questionário sobre a experiência.
Discussão sobre a descoberta dos raios X, sua
natureza na época desconhecida e suas
aplicações. Sistematização e respostas às
perguntas do texto.
2 aulas
Texto “Vendo através da
pele: a descoberta dos
raios X”
Correção e discussão das questões do texto.
2. Papel
fotográfico.
Atividade 2 – “Raios–X” com papel
fotográfico.
Discussão sobre as respostas do roteiro
Analogia para explicar o
princípio da radiografia
Discussão e sistematização geral sobre os
aspectos do raios-X
Dar orientação para
realização da pesquisa
2 aulas
Sistematização dos raios-X com a
radioatividade
Leitura e resposta das questões do texto
Texto “A descoberta da
radioatividade”.
Correção e discussão sobre as questões do
texto
Demonstração investigativa sobre campos.
Atividade 3 (parte 1) com pêndulos.
3.
Demonstração
investigativa
sobre campos.
Demonstração investigativa sobre campos.
Atividade 3 (parte 2) com celulares e papel
alumínio.
Sistematização da atividade e do conceito
discutido
Leitura e resposta das questões proposta no
texto.
Correção e discussão das questões do texto.
Um estudo sobre a
natureza dos campos e a
transferência de
informação.
2 aulas
Texto: “Aspectos do
campo elétrico e
magnético”.
Considerações finais.
Retomada das discussões sobre os raios-X e a
radioatividade para discutir as radiações.
4. Estudo sobre
raios ,  e 
Leitura e resposta das questões do texto.
Correção e sistematização das questões do
texto.
5. Vídeo: "A
descoberta da
radioatividade”.
Vídeo: "A descoberta da radioatividade”.
6. Avaliação
Aplicação de uma prova.
Sistematização dos conceitos estudados até
aqui
Texto: "Entra em cena
uma nova figura: Ernest
Rutherford".
É recomendável que se
tenha em vista a ordem
cronológica da construção
da ciência.
1 aula
1 aula
1 aula
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NUPIC/LAPEF
5. Descrição aula-a-aula
AULA 1
Tema: descoberta dos raios X.
Objetivo: sensibilizar e motivar os alunos para o estudo da física de partículas e dos raios X, através da análise de
um efeito dos raios X: a radiografia.
Conteúdo Físico: concepções prévias sobre física de partículas e raios X.
Recursos Instrucionais:



Questionário inicial
Roteiro da atividade 1;
Radiografias diversas;
Motivação: curiosidade sobre as radiografias e as chapas radiográficas.
2º Momento
Apresentação geral da proposta de curso para sala.
Entrega do questionário individual: Questionário Inicial.
Tempo para os alunos responderem. O professor deve enfatizar que a proposta dessa atividade é verificar o
que os alunos sabem sobre essa área de conhecimento, instigar sua curiosidade sem nenhuma finalidade
avaliativa, pois os alunos costumam apresentar uma preocupação enorme com a nota.
Tempo:  15 min
Propor a atividade 1: enquanto entrega as radiografias e o roteiro da atividade, separe os alunos em grupos de
aproximadamente 5 alunos, de modo que eles discutam as questões propostas no roteiro.
3º Momento
1º Momento
Momentos:
Discussão sobre as questões: Instigue os alunos a falarem sobre as questões, desta forma a discussão será
mais interativa. Mas procure encaminhá-la para o processo de produção, detecção, a natureza dos raios-X e
sobre as radiografias.
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Sugestão: Caso as aulas não sejam no mesmo dia e o professor perceba a dificuldade, por parte dos alunos em
formarem os grupos, pode optar por realizar a atividade com o papel fotográfico. Aproveitando que os grupos já
estão formados evita-se um gasto de tempo extra para organização dos grupos novamente na 2ª aula. Nesse caso as
questões devem ser trabalhadas pelos grupos na aula seguinte.
Você pode pedir aos alunos uma pesquisa de campo com médicos, centros de radiologia e profissionais da área.
Dinâmica da Aula: após o professor explicar o curso, apresentando sucintamente o conteúdo que será abordado e
seu caráter inovador no ensino de física da escola média, os alunos respondem a um questionário para que o
professor possa compreender suas concepções prévias sobre o assunto, assim como de antemão motivá-los a
aprender sobre os tópicos perguntados. Depois, os alunos exploram as diversas radiografias. Você pode começar a
atividade perguntando quais alunos já tiraram radiografias e aí pedir para que contem sobre o processo. Sugestão de
possíveis perguntas para esta aula: onde a radiografia é tirada? Qual a preparação para o exame? Fica alguém na
sala? Por que o funcionário “some”? Para onde ele vai? Por que em alguns exames colocamos um colete de
chumbo? Quando você sabe que os raios X passaram por você? Apesar do barulhinho que se ouve, você vê os raios
X? Como saber se a radiografia foi tirada? Onde fica a chapa da radiografia durante o exame? Como alguns órgãos
e os ossos aparecem na chapa? Estimule-os a analisarem pelo menos 3 radiografias e a “brincarem” de fazer
diagnóstico. Peça para que observem onde a radiografia é mais clara e a que partes do corpo correspondem.
Preferencialmente os alunos devem responder por escrito às questões, mas essa atividade pode ser feita apenas com
a discussão entre os grupos e depois com o professor. Caso surjam questões sobre o acidente de Goiânia, ou sobre
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urânio e césio, peça para que aguardem “as cenas dos próximos capítulos”. Lembre-se de comentar com os alunos
sobre a utilização do chumbo na proteção contra a ação dos raios X.
Faça uma breve sistematização dos conceitos discutidos, focando a parte histórica e a parte física dos raios-X.
Fotos:
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Atividade 1 – Analisando as radiografias
Objetivo: Estimular a discussão sobre os raios X, sua produção e a produção das radiografias.
Esta atividade servirá para introdução ao estudo das radiações, a começar pelos raios X, sendo uma atividade que
provavelmente já tenha desafiado a curiosidade de alguns.
Roteiro
Formem grupos com 4 alunos e formule sínteses das discussões, baseando-se nas orientações abaixo.
1ª Orientação
Discuta com seus colegas, como se realiza um exame de raios X: Quanto tempo demora a realização do exame?
Como é a sala em que fica o equipamento? É necessário tirar a roupa, ao se fazer um exame de raios X? Há algum
barulho característico, ao se realizar o exame? Alguém acompanha o paciente, durante o exame, na mesma sala?
Como são as paredes da sala? etc.
2ª Orientação
Observe as radiografias apresentadas por seu professor e identifique as partes do corpo correspondentes às regiões
claras e escuras nas radiografias, as doenças, as fraturas, os cistos, o membro radiografado, se há algum corpo
estranho, a faixa cronológica da pessoa radiografada, o sexo, etc.
Agora tente responder as seguintes questões:
1) Qual foi a radiografia que chamou mais sua atenção? Por que?
2) Por que se têm regiões mais claras e mais escuras?
3) Por que algumas radiografias apresentam melhor nitidez?
4) Como são produzidos os Raios X?
5) Você sabe como e quando foram descobertos?
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NUPIC/LAPEF
AULA 2
Objetivo: discutir sobre a descoberta, a produção e a utilização atual dos raios X e da radioatividade.
Conteúdo Físico: raios X.



Discussão entre professor e alunos baseada no texto "vendo através da pele: a descoberta dos raios X" ;
Aula expositiva;
Algumas radiografias.
Motivação: curiosidade em compreender as respostas das questões levantadas na aula anterior.
2º Momento
1º Momento
Momentos:
Retomada das discussões da aula anterior para sistematização do conceito.
Os alunos retomam os grupos da aula anterior para que possa ser feita a leitura do texto; “Vendo através da
pele: a descoberta dos raios-X”. Respondendo as questões propostas no texto.
Tempo:  30 min
Discussão e correção das questões proposta no texto.
Tempo:  20 min
Sugestões: O professor pode explorar os efeitos biológicos dos raios X. Aproveitando a atenção dos alunos,
explique como eram complicados os exames antigamente.
Dinâmica da Aula: Inicie a aula retomando a discussão da aula anterior, em seguida peça aos alunos para lerem o
texto e responderem as questões propostas (isso pode ser feito em grupo). Corrija as questões fazendo uma
sistematização final.
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NUPIC/LAPEF
AULA 3
Objetivo: discutir sobre a descoberta, a produção e a utilização atual dos raios X e da radioatividade.
Conteúdo Físico: raios X.



Papel fotográfico;
Alguns objetos opacos, transparentes e translúcidos como, caneta, régua, borracha, celular e outros objetos
de fácil acesso.
Motivação: compreender o processo dos raios-X e das radiografias..
1º Momento
Propor a atividade 2: peça aos alunos que sentem em grupos e peguem objetos diversos. Entregue a eles o
papel fotográfico e peça para que coloquem os objetos sobre o papel.
2º Momento
Sistematização da atividade. Fazendo uma analogia com os raios-X.
3º Momento
Momentos:
Sistematização geral, sobre o que foi discutido sobre os raios-X.
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Tempo:  20 min
Sugestões: O professor pode explorar os efeitos biológicos dos raios X. Aproveitando a atenção dos alunos,
explique como eram complicados os exames antigamente. O tempo necessário para a exposição do papel
fotográfico que sugerimos ser de 5 min.
Dinâmica da Aula: iniciar a discussão explicando o que são os raios X (raios de alta freqüência) e como são
absorvidos de maneiras diferentes pelos diversos materiais. Explique a sua produção e a origem do seu nome
relatando como foram a descobertos. Comente sobre as aplicações dos raios X, responda às eventuais questões dos
alunos e explique em detalhes o processo de obtenção das radiografias (Ver o texto “como são produzidas as
radiografias”, página 19.). Use a atividade da analogia com papel fotográfico, para o aluno entender o processo.
Nessa atividade os alunos colocarão diversos objetos sobre um papel fotográfico e aguardarão por cerca de 5
minutos (faça o teste antes) para observar o efeito da luz. Peça para que eles respondam às questões propostas.
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Fotos:
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NUPIC/LAPEF
Atividade 2 – “Raio-X” com papel fotográfico
Objetivo: compreender a formação das imagens em chapas radiográficas, por analogia, a imagens
registradas em papel fotográfico.
Roteiro
Formem pequenos grupos (máximo 5 alunos).
Escolha alguns materiais transparentes, translúcidos e opacos.
O professor lhe fornecerá papel fotográfico, que é sensível à luz.
Coloque os materiais que você selecionou sobre o papel e deixe exposto à iluminação por cerca de cinco minutos.
Decorridos os cinco minutos, retire os materiais que estão sobre o papel fotográfico e responda:
1) Todos os contornos das imagens formadas no papel fotográfico têm a mesma nitidez? Quais apresentam melhor
nitidez? Por quê?
2) Há diferença nas imagens formadas pelos materiais transparentes, translúcidos e opacos? Justifique sua resposta.
3) Como se formaram as regiões claras e escuras no papel fotográfico?
4) Como se formam as regiões claras e escuras em uma radiografia?
5) Faça uma comparação entre as formas apresentadas no papel fotográfico e as radiografias? (Compare a forma de
produção, como a luz e o raios X são absorvidos, a diferença entre as fontes de raios X e luz entre outras coisas)
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NUPIC/LAPEF
AULA 4
Tema: descoberta dos raios X e radioatividade.
Objetivo: formalizar, aplicar e ampliar os conhecimentos adquiridos.
Conteúdo Físico: raios X e radioatividade.


Texto "A descoberta da radioatividade".
Aula expositiva;
Motivação: verificação da aprendizagem.
1º Momento
Retomada da discussão da aula anterior; fazendo uma conexão entre a descoberta dos raios-X com as
descobertas de Becquerel e do casal Curie sobre a radioatividade.
2º Momento
Sistematização sobre as descobertas.
Leitura e respondas as questões do texto “A descoberta da radioatividade” em grupo de no máximo cinco
(5).
3º Momento
Discussão, em forma de correção, sobre as questões.
4º Momento
Momentos:
Pedir pesquisa para casa sobre material fosforescente e fluorescente. Comentários finais.
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Tempo:  5 min
Sugestões: Pode aproveitar esse momento para falar um pouco sobre a energia nuclear e os acidentes com usinas
nucleares como Chenorbyl e o acidente de Goiânia.
Dinâmica da Aula: Inicie a aula retomando a discussão sobre a descoberta dos raios-X, encaminhando para as
descobertas de Becquerel e o casal Curie. Pedir que os alunos leiam o texto e respondam às questões propostas. Se
possível corrigir as questões e fechar a discussão nesta aula. Se você ainda não o fez, lembre-se de comentar com
os alunos sobre a utilização do chumbo na proteção contra a ação dos raios X.
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NUPIC/LAPEF
AULA 5
Tema: campo elétrico e campo magnético
Objetivo: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos, mostrando que eles estão associados a
cargas e imãs e que apesar de não vê-los, eles estão ao nosso redor.
Conteúdo Físico: existência do campo elétrico e magnético; campo elétrico nulo em metais (atividade do celular).


Texto: "Aspectos do campo elétrico e magnético”;
Motivação: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos e suas aplicações em comunicações em
contraposição à absorção pelo chumbo, discutida nas atividades 1 e 2.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos:
Breve comentário a respeito da pesquisa sobre material fosforescente e fluorescente.
Realização da atividade 3 (1ª parte): “A percepção de campos e de sua natureza”. Realização da atividade de
demonstração investigativa com pêndulos para discussão sobre campos: gravitacional, elétrico e magnético.
Explicação geral destacando a idéia de campo e transferência de energia, e a idéia de que os campos estão
associados a massa, carga elétrica e ao imã.
Tempo:  20 min
Realização da atividade 3 (2ª parte): “A percepção de campos e de sua natureza”. Realização da atividade de
demonstração com celular ou rádio, mostrando a blindagem à ondas eletromagnéticas.
Tempo:  20 min
Sistematização das atividades e dos conceitos discutidos
Tempo:  10 min
Dinâmica da Aula: depois de ter discutido a descoberta da radioatividade e dos raios X, aparece o termo radiação
eletromagnética, sendo necessário explicar do que se trata. Inicia-se então, a aula mostrando e discutindo como que
alguns aparelhos como celular e rádio, recebem as “chamadas” e a transmissão da emissora. A partir dessa
atividade, discutir o que são os campos elétricos e magnéticos, mostrando o que esta associado a cada um deles.
Tomar as devidas precauções com a palavra “gera” na introdução do conceito de campo. Campo elétrico e carga
estão ligados intrinsecamente.
Obs.: Caso a escola não permita a entrada de celular nas salas, o professor pode pedir aos alunos que realizem a
atividade em casa, deixando para realizar a atividade com o rádio.
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Atividade 3 – A percepção de campos e de sua natureza
1ª parte
Objetivo: compreender a distinção entre a natureza dos campos e algumas propriedades.
Roteiro
Sobre a mesa há três pêndulos semelhantes. Em um deles a esfera é de isopor, em outro, no interior da esfera de
isopor há um pedaço de clipes e no último, no interior, há um ímã.
Você deve completar a tabela abaixo anotando suas observações, se ocorre atração, repulsão, ou se não ocorre
nada, ao aproximar de cada uma das esferas dos pêndulos, os seguintes corpos:
a) um canudinho;
b) um canudinho eletrizado. Eletriza-se um canudinho atritando-o com uma toalha de papel;
c) um ímã.
A fim de identificar a repulsão, realize uma atividade preliminar: Abandone um ímã sobre uma mesa e tente
aproximar um segundo ímã pelos pólos de mesmo nome. Note que o primeiro ímã irá girar e ser atraído pelo
segundo ímã. Assim um giro seguido de uma atração, deve ser interpretado como a ocorrência de uma repulsão.
Pêndulo 1
Pêndulo 2
Pêndulo 3
Canudinho
Canudinho eletrizado
Imã
Responda:
1) Qual pêndulo tem um pedaço de clipes no interior?
2) E qual pêndulo tem um ímã no interior?
3) Qual pêndulo é somente de isopor?
Questões:
1) Haveria diferença se fosse utilizado um ímã “mais intenso”? O que leva a informação ao pêndulo sobre a
intensidade do ímã?
2) Como o pêndulo “sabe” o lado pelo qual ocorre à aproximação dos corpos?
3) Como o pêndulo identifica quando é aproximado um ímã ou um canudinho eletrizado, ou seja, o que detecta a
aproximação do ímã e do canudinho eletrizado?
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2ª parte.
Objetivo: compreender a possibilidade de impedimento da ação das ondas eletromagnéticas.
Utilize dois telefones celulares e uma folha de papel alumínio.
Um aluno deve utilizar um aparelho e discar para um aparelho receptor. Não é necessário atender. Observe o tempo
que a informação leva para chegar ao aparelho receptor.
Embrulhe o aparelho receptor com papel alumínio e refaça a ligação. Caso o aparelho receptor não toque, refaça a
ligação.
Se possível, utilize um aparelho com viva voz para fazer as ligações, a fim de que se evidencie claramente se o
sinal está ou não chegando ao aparelho receptor.
Questões
1) Houve alguma diferença nas chamadas e recepções, realizadas com os aparelhos celulares?
2) Qual a natureza das informações propagadas?
3) Se o celular fosse embrulhado em um papelão, o efeito seria o mesmo?
4) O que impede a chegada do sinal ao aparelho celular receptor?
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NUPIC/LAPEF
AULA 6
Tema: campo elétrico e campo magnético
Objetivo: compreender a natureza dos campos elétricos e magnéticos, entendendo a radiação eletromagnética.
Conteúdo Físico: campo elétrico e magnético; ondas eletromagnéticas; transporte de energia e informação nas
ondas eletromagnéticas.


Texto: "Aspectos do campo elétrico e magnético”;
Aula expositiva;
Motivação: Compreender a natureza das ondas eletromagnéticas, sejam ondas de radio ou raios X.
Leitura e resposta das questões do texto: “Aspectos do campo elétrico e magnético”
2º Momento
Tempo:  25 min
Correção e discussão sobre as questões do texto.
3º Momento
1º Momento
Momentos:
Considerações finais retomando as idéias apresentadas desde a atividade com celular até questões
trabalhadas pelos alunos.
Tempo:  15 min
Tempo:  10 min
Sugestão: Caso o professor queira mais material sobre campo e ondas eletromagnéticas, pode encontrar mais
informações e aulas no site: www.lapef.fe.usp.br
Dinâmica da Aula: Pedir que os alunos leiam o texto e respondam às questões propostas. Se possível corrigir as
questões e fechar a discussão nesta aula.
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NUPIC/LAPEF
AULA 7
Tema: partículas  e  e radiação 
Objetivo: reconhecer outros tipos de radiações, compreendendo as diferenças essenciais entre elas.
Conteúdo Físico: natureza das emissões espontâneas de alguns materiais radioativos.


Aula expositiva;
Discussão entre professor e alunos baseada no texto " Entra em cena uma nova figura: Ernest
Rutherford”
Motivação: Conhecer o desenvolvimento histórico da radioatividade e todo trabalho sistemático de pesquisa.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos:
Retomar as aulas anteriores, fazendo uma recapitulação das descobertas até então. Assim é possível começar
a discutir a descoberta das radiações  e , fazendo uma sistematização sobre os principais aspectos dessas
radiações.
Tempo:  10 min
Em grupo, peça para os alunos lerem e responderem as questões do texto: “Entre em cena uma nova figura:
Ernest Rutherford”.
Tempo:  20 min
Correção e discussão sobre as questões do texto
Tempo:  20 min
Sugestões: Pode utilizar uma apresentação em slides para sistematizar a descoberta dos raios X e da radioatividade.
Aqui pode ser retomada a discussão sobre as usinas e a energia nuclear.
Dinâmica da Aula: Depois de ter estudado e discutido os raios X, radioatividade e radiação eletromagnética,
discutir com os alunos sobre outros tipos de radiações encontradas devido às investigações com os raios-X e a
radioatividade. Destaque as principais características das radiações  e  como poder de penetração, desvio
sofrido quando submetido a um campo elétrico ou um campo magnético devido à carga que possuem. Peça que os
alunos leiam o texto e respondam às questões propostas. Em seguida discuta as resposta com os alunos.
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NUPIC/LAPEF
AULA 8
Tema: raios-X, radioatividade, radiações (partículas) ,  e 
Objetivo: Destacar os assuntos estudados até o momento.
Conteúdo Físico: natureza das emissões espontâneas de alguns materiais radioativos.


Vídeo: A descoberta da radioatividade
Aula expositiva;
Motivação: Sistematização e organização dos assuntos tratados até o momento.
1º Momento
Vídeo sobre a descoberta da radioatividade
2º Momento
Sistematização das idéias apresentadas no vídeo.
3º Momento
Momentos:
Revisão geral do que foi estudado até aqui.
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Tempo:  20 min
Dinâmica da Aula: Inicia-se a aula com o vídeo sobre a descoberta da radioatividade. Em seguida faça uma
sistematização das idéias apresentadas no vídeo. Assim é possível fazer uma discussão final, revisando todos os
conceitos estudados até o momento.
Observação: O professor deve procurar destacar os pontos importantes que deseja discutir nessa aula utilizando
uma apresentação em Power Point ou mesmo pontuando na lousa, para não correr o risco de dispersar e perder o
foco principal. Pode também, utilizar essa aula para retomar questões que não estejam bem resolvidas ou apresentar
novos questionamentos sem esquecer que a idéia principal no momento é uma preparação para avaliação dos
assuntos discutidos nesse bloco.
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NUPIC/LAPEF
AULA 9
Tema: raios X e outras radiações
Objetivo: verificação de aprendizagem.

Avaliação escrita
1º Momento
Momentos:
Avaliação sobre os assuntos do Bloco I
Tempo:  45 min
Observação: Caso o professor tenha a disponibilidade de duas aulas em seqüência pode iniciar a avaliação um
pouco antes de terminar 9ª aula disponibilizando mais tempo de resolução para os alunos.
Dinâmica da Aula: entrega das avaliações individuais sobre o Bloco I.
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NUPIC/LAPEF
Como são produzidas as radiografias
Quando o filme é exposto ao feixe de raios X, as interações com material químico sobre a tela (haleto de
prata – brometo de prata com 1% a 10% de iodo de prata), libera elétrons de alguns íons do brometo (Br -),
causando a liberação do gás bromo (Br2). O elétron liberado vai combinar com alguns íons de prata carregados
positivamente na rede cristalina, transformando-os em átomo neutros (prata metálica). A agregação de um pequeno
núcleo de átomo de prata tornará o cristal de brometo de prata sensível à revelação. Desta forma a radiação que
interagiu com esses cristais produz uma imagem latente.
Na revelação, ocorre uma transformação química de todos os íons de prata do cristal exposto, transformandoos em prata metálica. Essa é uma transformação que ocorre em todos os átomos, porém os que foram expostos aos
raios X se transformam mais rapidamente. Assim na revelação deve-se fazer uma combinação do tempo de
revelação, da concentração do preparado químico e da temperatura da reação, de forma a ocorrer à transformação
do máximo número de cristais expostos e do mínimo de não expostos, visualizando a imagem latente. Ao final os
cristais não transformados devem ser retirados para não serem transformados com o tempo e escurecerem a placa.
A retirada é feita no momento da fixação e da lavagem. Na fixação, os cristais não transformados são
retirados mais rapidamente que os transformados. O restante dos produtos químicos é retirado na lavagem final,
restando, em sua grande maioria, àqueles cristais que foram expostos aos raios X.
Desta forma, podemos notar que a parte clara da radiografia representa a região de pouco ou quase nenhuma
incidência de raios X, devido à absorção dessa radiação pelos materiais presentes ali. Já a região escura, representa
a parte de grande incidência de raios X, pois não há quase nenhum material para absorver a radiação.
Hoje em dia, pode-se encontrar os raios X sendo utilizados em testes não destrutivos de peças, verificando
alguma fissura nela, em conservação de alimentos, como o caso de batatas que não brotam e também com
pesquisas de absorção de nutrientes.
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NUPIC/LAPEF
QUESTIONÁRIO INICIAL1
Objetivo: Estimular a discussão sobre as partículas e a curiosidade por aprender mais
Esta atividade introduz o estudo no campo das partículas elementares e interações fundamentais. Ela tem o
intuito de desafiar seus conhecimento e concepções acerca dos fundamentos da física dessa área. O questionário
traz afirmações que você pode concordar (sim), pode descordar (não) ou pode não saber nada sobre a afirmação
(não sei) e está desenhado para despertar o seu interesse em aprender mais sobre este campo.
Não temos preocupação em testar os seus conhecimentos sobre o assunto. Queremos fazer somente um
levantamento do que é conhecido por você no início e no final do curso.
Nome: _________________________________________________________ Série: __________
Turma: ________ Data: _____/_____/_____
SIM
NÃO
NÃO SEI
1. O átomo é a menor estrutura conhecida e não pode ser dividida.
2. As forças fundamentais da natureza são: eletromagnética e
gravitacional.
3. Existem partículas subatômicas que não têm massa nem carga
elétrica.
4. Algumas partículas podem viajar através de bilhões de quilômetros
de matéria sem ser detectadas (sem interagir).
5. A antimatéria é ficção científica e não um fato científico.
6. Os aceleradores de partículas são usados para o tratamento do câncer.
7. Os menores componentes do núcleo de um átomo são os prótons e os
elétrons.
8. As partículas e as antipartículas podem se materializar a partir de
energia.
9. Os Físicos de partículas necessitam de aceleradores maiores para
poderem investigar objetos cada vez maiores.
10. Nos aceleradores circulares os imãs são usados para que as
partículas se movam mais rápido.
11. O trabalho feito pelos Físicos de partículas nos aceleradores está nos
ajudando a compreender a evolução inicial do universo.
12. Das forças fundamentais da natureza, a força da gravidade é a mais
intensa.
1
Adaptado do site: cpepweb.org
22
NUPIC/LAPEF
13. Existem pelo menos cem partículas subatômicas diferentes.
14. Toda a matéria conhecida é composta de léptons e quarks.
15. O atrito é uma das forças fundamentais da natureza.
16. Existem aceleradores de partículas no Brasil.
17. Existem físicos brasileiros que fazem pesquisa em Física de
Partículas.
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NUPIC/LAPEF
QUESTÕES SOBRE O BLOCO I
Observação: estas questões podem ser trabalhadas em provas, atividades avaliadas, ou de acordo com o
objetivo e perspectiva do professor.
1) Certamente, você já teve oportunidade de ver que, em uma radiografia, a silhueta dos ossos aparece bastante
clara, sobre um fundo escuro. Analisando o processo de absorção de raios X pela chapa fotográfica, responda: na
radiografia, a quantidade de raios X que incidiu nas chapas resultando em regiões claras é maior ou menor do que
nas regiões escuras?
2) Os raios X, descobertos em 1895 pelo físico alemão Wilhelm Rontgen, são produzidos quando elétrons são
desacelerados ao atingirem um alvo metálico de alto ponto de fusão como, por exemplo, o tungstênio. Essa
desaceleração produz ondas eletromagnéticas de alta freqüência denominadas de raios X, que atravessam a maioria
dos materiais conhecidos e impressionam chapas fotográficas. A imagem do corpo de uma pessoa em uma chapa de
raios X representa um processo em que parte da radiação é:
a) refletida, e a imagem mostra apenas a radiação que atravessou o corpo, e os claros e escuros da imagem devemse aos tecidos que refletem, respectivamente, menos ou mais os raios X.
b) absorvida pelo corpo, e os tecidos menos e mais absorvedores de radiação representam, respectivamente, os
claros e os escuros da imagem.
c) absorvida pelo corpo, e os claros e os escuros da imagem representam, respectivamente, os tecidos mais e menos
absorvedores de radiação.
d) absorvido pelo corpo, e os claros e os escuros da imagem são devidos à interferência dos raios X oriundo de
diversos pontos do paciente sob exame.
e) refletida pelo corpo e parte absorvida, sendo que os escuros da imagem correspondem à absorção e os claros, aos
tecidos que refletem os raios X.
3) Os raios-X são produzidos em tubos de vácuo, nos quais elétrons são submetidos a uma rápida desaceleração ao
colidir contra um alvo metálico. Os raios X consistem em um feixe de:
a) elétrons
d) nêutrons
b) ondas eletromagnéticas
e) partículas alfa
c) prótons
4) Uma unidade industrial de raios X consiste em uma fonte X e um
detector R, posicionado de forma a examinar cilindros com regiões
cilíndricas ocas (representadas pelos círculos brancos), disposto em uma
esteira, como vistos de cima na figura. A informação é obtida pela
intensidade I da radiação X que atinge o detector, à medida que a esteira
se move com velocidade constante. O gráfico 1 representa a intensidade
detectada em R para um cilindro teste homogêneo. Quando no detector
R for obtido o gráfico 2, é possível concluir que o objeto em exame tem
uma forma semelhante a:
a) A
b) B
c) C
d) D
e) E
5) Neste primeiro bloco de física de partículas, procuramos trabalhar os textos seguindo um contexto histórico das
descobertas realizadas no final do século XIX e início do século XX. Desta forma, muitos cientistas foram citados
devido as suas descobertas. Relacione os cientistas da 1ª coluna com a sua descoberta na 2ª coluna:
1ª coluna
1- Becquerel
2- Röntgen
3- Marie e Pierre Curie
2ª coluna
( ) raios X
( ) radioatividade
( ) emissão espontânea de raios pelo sal de Urânio.
6)
a) Como uma carga elétrica pode gerar campo magnético ou ondas eletromagnéticas?
b) Associe a 2ª coluna de acordo com a 1ª.
( 1 ) carga elétrica, em repouso
( ) campo magnético
( 2 ) carga elétrica, em movimento
( ) campo gravitacional
( 3 ) massa
( ) campo elétrico
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NUPIC/LAPEF
7) A partir de um arranjo experimental, pode-se diferenciar os raios alfa, beta e
gama emitidos por uma amostra de material radioativo do elemento Urânio. Para
isso, esses raios atravessam um campo elétrico estabelecido entre duas placas
carregadas de sinais contrários. A partir da realização do experimento, conseguese observar as trajetórias dos raios conforme a figura abaixo.
a) Justifique a razão pela qual, os raios sofrem desvios diferentes.
b) Qual desses raios é o mais penetrante e qual é o menos penetrante na matéria?
c) Quais os números que indicam os raios  e ?
8) Considere as seguintes situações:
I.
Um corpo condutor retilíneo percorrido por uma corrente elétrica.
II.
Um transformador em funcionamento.
III.
Um feixe de elétrons movimentando-se com velocidade constante.
Em que situações se forma um campo magnético?
a. Apenas I.
b. Apenas II.
c. Apenas I e II.
d. Apenas II e III
e. I, II e III.
9) Sabe-se que, ao contrário do que ocorre na Terra, não existe um campo magnético na superfície da Lua. Pode-se,
então, concluir que, se uma agulha imantada, usada como bússola na Terra, for levada para a Lua, ela:
a. fornecerá leituras mais precisas do que ao ser usada na Terra.
b. indicará a direção norte-sul lunar
c. perderá sua imantação.
d. não será desviada quando colocada próxima de uma corrente elétrica contínua.
e. não poderá ser usada como bússola magnética.
10) Um imã é partido em quatro partes iguais. Obtêm-se:
a. quatro pedaços de imã, sendo dois pólos norte e dois pólos sul.
b. dois imãs inteiros e dois pedaços de imã, sendo um pólo norte e um pólo sul.
c. imãs inteiros e pedaços de imã, dependendo de como o imã foi dividido.
d. quatro imãs completos.
11) Analise cada uma das seguintes afirmações, sobre gravitação, eletricidade e magnetismo, e indique se é
verdadeira (V) ou falsa (F).
1. Sabe-se que existem dois tipos de carga elétrica e dois tipos de pólos magnéticos, mas não se conhece a
existência de dois tipos de massa gravitacional.
2. Um corpo pode ser magnetizado pelo atrito com um pano, como se faz para eletrizar um corpo.
3. Um ímã permanente pode ser "descarregado" de seu magnetismo por um leve toque com a mão, assim
como se descarrega um corpo eletrizado de sua carga elétrica.
Assinale a alternativa que apresenta a seqüência correta de indicações, de cima para baixo.
a. V – V – V
b. V – V – F
c. V – F – F
d. F – F – V
e. F – F – F
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NUPIC/LAPEF
Vendo através da pele: a descoberta dos Raios-X
Há pouco mais de 100 anos atrás, não era possível o médico visualizar o interior do corpo humano
sem ter que abrí-lo e isso dificultava muito o diagnóstico de doenças e fraturas nos pacientes. Mas em
1895 uma grande descoberta revolucionou a humanidade, principalmente a física e a medicina, nesse ano
eram descobertos os raios X. Mas como isso ocorreu?
Na noite de 8 de novembro de 1895 o físico holandês
Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), seguindo as tendências
de sua época, estava fazendo mais uma experiência com
descargas elétricas nos tubos de raios catódicos (figura 1),
estudando o fenômeno da luminescência produzida pelos raios
no tubo, quando notou que algo de diferente acontecia. Em sua
sala de experiências totalmente às escuras, ele viu a folha de
Figura 1
papel, usada como tela e tratada com uma substância química
fluorescente (platinocianeto de bário), colocada a uma certa distância do tubo brilhar emitindo luz.
Röntgen espantado, pode imaginar que alguma coisa devia ter atingido a tela para que ela reagisse dessa
forma. Mas o tubo de raios catódicos estava coberto por uma cartolina negra e nenhuma luz ou nenhum
raio catódico poderia ter escapado dali.
Surpreso e perplexo com o fenômeno, ele decidiu pesquisá-lo mais a fundo. Virou a tela, de modo a
que o lado sem a substância fluorescente ficasse voltado para o tubo; mesmo assim, a tela continuava a
brilhar. Ele então afastou a tela para mais longe e o brilho persistiu. Depois, colocou diversos objetos
(uma camada de papelão, pedaços de madeira, um livro de 1000 páginas e até finas placas metálicas)
entre o tubo e a tela e todos pareceram transparentes. Quando sua mão escorregou em frente à válvula ele
viu os ossos na tela (figura 2). Descobrira “um novo tipo de raio”, conforme ele mesmo explicou em sua
primeira publicação.
Röntgen havia ficado tão perplexo com sua descoberta, que teve que
se convencer primeiro antes de falar com qualquer pessoa sobre sua
descoberta do novo tipo de raio. Trabalhou sozinho durante sete semanas
nessa tentativa, quando finalmente estava convencido, registrou sua
descoberta (imagem da mão) em chapas fotográficas, e só então passou a
ter certeza.
Em 1º de janeiro de 1896, ele distribui o relatório preliminar de sua
descoberta, o que causou grande agitação, mas sua descoberta não podia
ser refutada facilmente, pois havia fotografias dos raios X de suas mãos
anexadas nele. No decorrer do mês, a notícia havia se espalhado por todo o
mundo. Pode-se imaginar o deslumbramento em relação a esses raios aos
quais tudo se tornava transparente e por meio dos quais todos podiam ver
Figura 2
seus próprios ossos. Pode-se ver praticamente os dedos sem os músculos,
mas com anéis, como se podia ver também uma bala alojada no corpo. As conseqüências para a medicina
foram imediatamente percebidas. Imagine você nessa época, podendo ver os seus ossos, sem qualquer
corte ou perfuração. Somente assim terá idéia da revolução causada com essa descoberta.
O trabalho de Röntgen sobre os raios X foi perfeito à luz do conhecimento existente em sua época. Mas
ele, não conseguiu entender a natureza dos raios X, ou seja, ele não conseguiu comprovar que se tratava de uma
radiação eletromagnética. No entanto, ele conseguiu mostrar que os raios podiam atravessar materiais sólidos,
podiam ionizar o ar, não sofriam reflexão no vidro e não eram desviados por campos magnéticos, mas não
conseguiu observar os fenômenos da refração e da interferência normalmente associados a ondas (ondas
eletromagnéticas, neste caso) por isso ficou o nome enigmático de raios X (X é o símbolo pra nomear o
desconhecido)
Mais tarde sua natureza foi desvendada, mostrando que eles eram conseqüência da colisão dos raios
catódicos com a parede do tubo e, por terem comprimento de onda muito pequeno, Röntgen não podia
observar os fenômenos necessários para comprovar que os raios-X são ondas eletromagnéticas (radiação
eletromagnética) de alta freqüência.
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NUPIC/LAPEF
Uma ilustração do equipamento de Röntgen é mostrado ao lado. Entre os catodos do tubo de vidro,
os raios catódicos são inicialmente acelerados, com voltagem de até 100 kV (100.000 V) e, em seguida,
são bruscamente freados (há uma colisão dos raios e o alvo). Por causa disso, ocorre uma emissão de
radiação eletromagnética com um comprimento de onda muito pequeno (da ordem de 10 -12 m), que
corresponde a radiações de alta freqüência. É
assim que são produzidos os raios X.
As aplicações dos raios X são as mais
diversas possíveis. Elas vão desde “simples”
obtenção de chapas fotográficas (radiografias)
para detectar uma fratura, uma inflamação e
uma cárie até a determinação de uma certa
porcentagem de uma substância em um
composto, através da difração dos raios X,
como é o caso da quantidade de carbono
existente no aço. Essa determinação é
importante, pois permite que o aço fique mais maleável e conseqüentemente consegue-se produzir chapas
mais finas.
Atualmente, os raios X também são utilizados na área de segurança, como é o caso dos aeroportos.
Com eles, é possível “ver” dentro das malas e constatar se existem objetos metálicos e até mesmo se as
pessoas carregam algum tipo de arma (figura 3). Sua utilização também pode ser vista na fronteira dos
E.U.A com o México, onde a polícia o utiliza para vasculhar o interior dos veículos (figura 4).
Figura 3
Figura 4
27
NUPIC/LAPEF
Questões:
1) Sabemos que os raios X são invisíveis a olho nu. Com base nisto, discuta com seus colegas,
outras formas de se detectar os raios X, que não usem chapas radiográficas (lembre que os raios X podem
ionizar o ar, ou seja, retirar elétrons dos átomos).
2) Nas radiografias, os contornos dos ossos aparecem bastante claros, sobre o fundo escuro, bem
como o contorno de objetos e pessoas (Fig. 3 e 4). Analisando o processo de absorção dos raios X, estas
regiões mais claras, recebem mais ou menos raios X do que as outras? Explique sua resposta.
3) Que semelhanças e diferenças têm os raios X e a luz visível?
4) Como você imagina os diagnósticos médicos se os raios X não tivessem sido descobertos? O que
os médicos fariam para perceber se você tem uma infecção ou um osso rachado?
28
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A descoberta da radioatividade
No dia 20 de janeiro de 1896, Antoine Henri Becquerel (1852-1908) tomou conhecimento da
descoberta dos raios-X por Röntgen. Físico francês da terceira geração da família Becquerel, tinha muito
interesse na fosforescência e na fluorescência dos materiais. Estes termos, fosforescência e fluorescência,
não são sinônimos. Na fluorescência a emissão luminosa ocorre enquanto houver estímulo, a absorção e a
emissão ocorrem rapidamente. Na fosforescência, mesmo cessado o estímulo, haverá a emissão, pois o
processo de emissão é mais lento que na fluorescência.
Becquerel imaginou se havia uma relação entre raios X e a
fluorescência, ou seja, se algumas substâncias fluorescentes poderiam
emitir raios X espontaneamente. Depois de descobrir que muitos
elementos não produziam qualquer efeito, passou a utilizar materiais
fosforescentes.
Ele utilizou sulfato de potássio e urânio, sal de urânio que era
conhecido por suas propriedades fosforescentes. Cobriu uma chapa
fotográfica com duas folhas de papel escuro grosso, tão grosso que a
chapa não ficou manchada ao ser exposta ao Sol durante um dia
inteiro. Colocou sobre o papel uma camada da substância
fosforescente e para ativar a fosforescência do sal de urânio, expôs
tudo ao Sol por várias horas. Quando revelou a chapa fotográfica, percebeu a silhueta da substância
fosforescente em escuro sobre o negativo. Concluiu que a substância emitia radiações capazes de
atravessar a folha de papel opaca à luz. Tudo se passava como se o sal de urânio emitisse raios-X.
Em 24 de fevereiro de 1896, Henri Becquerel fez um relatório de sua experiência e apresentou à
Academia de Ciências em Paris. No entanto, em 2 de março, Becquerel anunciava aos seus pares da
academia algo mais extraordinário. Durante a semana havia tentado repetir a experiência, preparando uma
nova placa fotográfica enrolada no papel e no sal de urânio. Aconteceu que o tempo havia piorado e ele
ficou impossibilitado de realizar a exposição ao Sol. Então guardou o conjunto numa gaveta à espera de
melhores dias. Na véspera da seção da academia, como o tempo permaneceu encoberto, decidiu, mesmo
assim, revelar as placas, esperando encontrar o negativo em branco. Para sua surpresa os negativos
mostravam uma mancha de grande intensidade. Conclui que o sal de urânio emitia raios capazes de
atravessar o papel preto, quer tivesse sido exposto ou não ao Sol. Sem dúvida, alguma emissão
desconhecida estava saindo do sal, atravessando o papel e chegando até a chapa fotográfica. Essas
emissões foram chamadas de raios de Becquerel.
Pouco tempo depois, em 9 de março de 1896 já descobrira que a radiação emitida pelo sal de urânio não
apenas escurecia as chapas fotográficas protegidas, como também ionizava gases, isto é, provocava a
libertação de elétrons dos átomos do gás, que por esse motivo ficavam carregados positivamente (falta de
elétrons), transformando estes gases em condutores de eletricidade. A partir daí, era possível medir a
“atividade” de uma amostra simplesmente medindo a ionização que ela produzia.
O instrumento usado para a medição da ionização que o gás sofria era um rústico eletroscópio de lâminas
de ouro. Este instrumento é constituído de duas folhas metálicas, neste caso de ouro, finas e flexíveis,
ligadas em sua parte superior a uma haste metálica, que se prende a uma placa condutora. Normalmente,
as folhas metálicas são mantidas dentro de um frasco vidro transparente e seco, a fim de aumentar a sua
sensibilidade e diminuir efeitos do ambiente externo. O isolante impede a passagem de cargas elétricas da
haste para o vidro. Aproximando-se da placa um tubo com o gás ionizado, isto é eletrizado, ocorrerá a
indução eletrostática, ou seja: se o gás estiver carregado negativamente, ele repele os elétrons livres da
placa para as lâminas de ouro, fazendo com que elas se abram devido à repulsão. Se o gás estiver com
cargas positivas, ele atrai os elétrons livres das lâminas, fazendo também com que elas se abram,
novamente, devido à repulsão. A determinação do sinal da carga do gás em teste, que já se sabe estar
eletrizado, é obtida carregando-se anteriormente o eletroscópio com cargas de sinal conhecido. Dessa
forma, as lâminas terão uma determinada abertura inicial. Pode-se observar isso nas figuras I (neutro) e II
(eletrizado):
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NUPIC/LAPEF
A essa altura, um casal de cientistas iniciava suas investigações sobre a radioatividade em Paris,
estudando vários minérios, uma vez que Henri Becquerel focalizou suas pesquisas somente no urânio.
Marie Sklodowska Curie (1867-1934), polonesa, e seu marido francês Pierre Curie (1859-1906), após
analisar vários compostos de urânio, verificaram a constatação
de Becquerel, confirmando que a emissão de raios é uma
Isolante
propriedade do elemento urânio e assim, decidiram examinar
todos os elementos conhecidos. Descobriram que também o
tório emitia raios semelhantes aos do urânio.
Nesse ponto, depois de descobrirem que o urânio não era o
único elemento a emitir radiação espontaneamente, Marie
decidiu então, analisar todos os minérios naturais e para sua
surpresa um mineral de urânio (uranita) era três ou quatro vezes
mais radioativo do que se esperava. Desta forma concluiu que
um elemento extremamente radioativo deveria existir enquanto impureza nesse minério. Depois de um
longo e exaustivo trabalho, em julho de 1898, Marie com a ajuda de seu marido Pierre, conseguiu isolar a
impureza e perceberam que se tratava de um novo elemento, que designaram de polônio, em homenagem
ao país de origem de Marie, a Polônia.
Ao aprimorar mais os seus métodos de purificação da uranita, o casal Curie, acabou por encontrar, em
setembro desse mesmo ano, um elemento altamente radioativo que recebeu o nome de rádio. Marie
propôs a palavra radioatividade para esse fenômeno.
Mas apesar de conseguir descobrir mais elementos radioativos, permaneciam dois grandes problemas a
serem resolvidos, segundo os Curie: Qual era a origem da energia emitida por esses elementos
radioativos? Qual é a natureza das radiações emitidas?
Questões:
1) Qual foi a principal contribuição que os Curie deram para a radioatividade?
2) Você sabe a diferença entre material fluorescente e fosforescente?
3) Explique a frase “para ativar a fosforescência do sal de urânio, ele expôs tudo ao sol por várias horas”.
4) Se na experiência de Becquerel, ele tivesse colocado entre o filme revelador e o sal de urânio uma
placa grossa (~3 mm) de chumbo, conseguiria ver alguma mancha? Por quê?
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Aspectos do Campo Eletromagnético
Ao aproximarmos um ímã de um pedaço de certo metal pendurado por um fio, vemos que este é
“puxado” pelo ímã. Se pegarmos agora um canudinho e atritarmos com uma lã ou papel higiênico, ele
ficará carregado eletricamente. Aproximando o canudinho de uma bola de isopor pequena, pendurada por
um fio isolante ela será “puxada” pelo canudinho. Vemos assim que a bolinha sente a presença do
canudinho, bem como aquele metal sente a presença do ímã, mesmo sem ter contato. Mas como pode um
objeto sentir a presença do outro sem haver contato? Como eles não têm olhos, de que forma eles sabem
que há um outro corpo por perto que os atrai?
Para responder essa questão, utilizamos o conceito de campo. Ele surgiu na primeira metade do
século XIX para explicar fenômenos parecidos a estes. Nesses fenômenos, temos um campo elétrico
(associado às cargas do canudinho) e um campo magnético (associado ao ímã). Esses campos são
semelhantes ao campo gravitacional que estamos mais familiarizados. Mas afinal o que são esses
campos?
Ele é algo que está ao redor dos corpos (estendendo-se até o infinito, porém sua intensidade diminui
com a distância). Podemos entendê-lo como sendo uma “aura” (algo sutil e tênue envolvendo o corpo)
que preenche o espaço em volta deles. Para cada um dos campos existe um ente responsável associado a
sua presença. No caso do campo eletromagnético é a carga elétrica e,
no caso do gravitacional é a massa. Dessa forma, não temos carga
elétrica e massa sem campo e vice-versa. Devemos destacar ainda,
q
que o campo existe independente da presença de outras cargas
elétricas ou massa nas vizinhanças, podendo ser representado como
algo contínuo que se estende até o infinito em todas as direções.
No entanto, o interesse aqui é estudar o campo elétrico e
magnético, deixando a discussão do campo gravitacional para outra
Figura 1: representação do campo elétrico
de uma carga elétrica q
ocasião. A intensidade do campo elétrico decresce com o aumento da
distância em relação à carga, como podemos observar na figura 1. No
entanto, essa não é a única maneira que temos para representá-lo. A
figura 2 mostra as linhas de campo de uma carga elétrica positiva,
representado o campo elétrico dessa carga.
No caso do canudinho, devido ao desequilíbrio das cargas
elétricas causado pelo atrito com a lã ou papel higiênico, a ação desse
campo “puxa” a bolinha. Essa ação é conhecida como força elétrica ou
interação elétrica. Assim, é graças ao campo elétrico e magnético que
q
a bolinha sente a presença do canudinho e o metal a presença do ímã.
A maneira como uma carga elétrica comunica ou interage com
outras cargas pode ocorrer de duas formas: atração ou repulsão. Isso
ocorre devido ao sinal que as cargas elétricas podem ter, isto é, positiva
(+) ou negativa (-). Quando as cargas têm o mesmo sinal ocorre à
repulsão e quando forem de sinais contrários, ocorre a atração.
Figura 2: representação das linhas do campo
Assim, as cargas elétricas no espaço, sentem a presença do
q elétrico de uma carga elétrica q positiva.
campo uma da outra e se interagem, como aconteceu com as cargas do
canudinho e da bolinha.
Desta forma, podemos dizer que o campo elétrico é algo sutil, tênue, real, que não pode ser visto,
nem tocado e envolve a carga elétrica, comunicando a sua presença a outras cargas a sua volta.
Dependendo do sinal das cargas elétricas envolvidas, essa comunicação ocasiona uma atração ou a uma
repulsão.
Isso tudo pode parecer muito novo ou estranho, mas a interação eletromagnética está presente
ostensivamente em nosso cotidiano: nas reações químicas, na luz que recebemos do Sol, na televisão e
mais ainda, ela é a responsável pela formação dos aglomerados que constitui a matéria. A matéria da
cadeira que você está sentado agora se mantém coesa devido à interação eletromagnética, o mesmo
acontecendo com os átomos que formam a água que você bebeu hoje.
Contudo essas são descrições de campos elétricos e magnéticos associados à carga e ímã em
repouso. O que aconteceria com esse campo se a carga ou o ímã fossem movimentados? Ele vai junto
nesse movimento?
31
NUPIC/LAPEF
As ondas eletromagnéticas
Já comentamos que os campos elétrico e magnético estão intimamente relacionados através da
carga elétrica. Já sabemos que uma carga elétrica interage com a outra devido aos seus campos elétricos e
um ímã interage com um metal ou um outro ímã através de seu campo magnético. Mas como esses dois
campos se relacionam?
É mais ou menos assim: quando a carga se movimenta, o seu campo elétrico se movimenta junto,
pois ele é indissociável da carga. Ao entrar em movimento, o seu campo elétrico, em qualquer ponto do
espaço varia. Porém, quando o campo elétrico sofre essa variação, ele acaba gerando um campo
magnético. Com isso, quando uma carga elétrica varia o seu estado de repouso, ela arrasta junto o seu
campo elétrico, que por ser variável, gera (induz) um campo magnético também variado, que por sua vez,
gera um campo elétrico variado e assim por diante.
Essa alternância de campos elétricos e magnéticos variados se propaga por todo o espaço, levando a
informação de que a carga elétrica se movimentou ou está em movimento. A propagação dessa
informação é o que chamamos de ondas eletromagnéticas ou radiação eletromagnética.
As ondas eletromagnéticas têm origem no movimento de uma carga elétrica, que quando acelerada
ou desacelerada, faz seu campo elétrico variar que, conseqüentemente gera um campo magnético variado
e assim sucessivamente, levando a informação desse movimento aos pontos do espaço. Essa propagação é
feita na velocidade da luz c2, característica mostrada por J. C. Maxwell (1831-1879), unindo a luz aos
fenômenos eletromagnéticos.
Como toda onda, a onda eletromagnética tem a freqüência como uma característica bem destacada,
por que é através dela, que as ondas eletromagnéticas são classificadas. A unidade de medida da
freqüência é o Hertz – Hz, em homenagem a Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), devido à descoberta
das ondas de rádio. Para cada faixa de freqüência, usamos um termo diferente para descrevê-la. Por
exemplo, a freqüência que vai de 4 x 1014 Hz até 7 x 1014 Hz é o que chamamos de luz visível. Já as
ondas de rádio estão na faixa de 104 Hz até 106 Hz.
A freqüência é a medida das oscilações que a carga elétrica executa por unidade de tempo, isto é, se
a freqüência de uma onda eletromagnética é de 105 Hz, ela oscila 100000 vezes a cada segundo. Esse
conceito é bem parecido com a freqüência escolar, que indica quantas vezes os alunos vêm à aula durante
um bimestre.
Abaixo a tabela mostra algumas freqüências para cada tipo diferente de onda eletromagnética:
f (Hz)
1021
1019
1016
7 x 1014
4 x 1014
1013
105
Questões:
Tipo de onda
raios
raios X
ultravioleta
violeta
vermelho
infravermelho
rádio
Detecção
cintiladores
chapa fotográfica
chapa fotográfica
olhos
olhos
termômetros
circuitos eletrônicos
Exemplos de Fontes
materiais radioativos
tubos de raios X
laser
arcos elétricos
arcos elétricos
lâmpadas
circuitos eletrônicos
1) Como um ímã percebe a proximidade de outro ímã, mesmo sem haver contato?
2) Quais os tipos de campos estudados e quais os entes responsáveis por eles?
2
Aproximadamente 300.000 km/s.
32
NUPIC/LAPEF
3) Como as ondas eletromagnéticas são produzidas?
4) Quais são as semelhanças e diferenças entre os raios X e a luz visível?
5) Depois de ter lido e discutido a respeito do campo eletromagnético ou interação eletromagnética e visto
a sua importância, faça uma análise de como seria o mundo e o Universo sem essa interação.
Questões complementares
1) Duas cargas q1 e q2 sofrem atração a distância através do campo elétrico gerado por elas. O que
podemos dizer sobre o sinal dessas cargas? Até onde se estende o campo elétrico de q1? Se de repente q2
sumisse como ficaria o campo elétrico de q1? Ele sumiria também ou continuaria existindo?
2) Antes do canudinho ser atritado, a) Existia um campo elétrico nele? b) O que aconteceu depois do
atrito?
3) Como uma carga elétrica pode gerar campo magnético ou ondas eletromagnéticas?
4) Por que o vidro é transparente a luz visível e os metais não são!
33
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Entra em cena uma nova figura: Ernest Rutherford
Após a descoberta dos raios X e da radioatividade, Ernest Rutherford (1871-1937), cientista
nascido na Nova Zelândia, deu contribuições decisivas para a compreensão da natureza das substâncias
radioativas e das suas radiações. Rutherford e seu colaborador Joseph John Thomson (1856-1940)
dedicavam-se a medir a ionização nos gases provocada pelos raios X e pelas radiações emitidas pelo
urânio.
Em longo trabalho no laboratório Cavendish, Rutherford percebeu,
em 1898, a existência de dois tipos diferentes de radiações emitidas pelo
urânio, devido a penetração que tinham na matéria. Os raios que são
menos penetrantes ele designou por raios alfa () e, os raios que
penetravam mais de raios beta (). Além da diferença na penetração na
matéria, ele percebeu que os raios alfa e beta eram defletidos para lados
opostos quando passavam por uma região com campo magnético. Disso
ele pode concluir que eles tinham carga elétrica oposta.
Com o resultado das experiências realizadas por Rutherford, bem
como a de outros cientistas como Becquerel, conclui-se em poucos anos
que os raios beta () são raios catódicos (elétrons). Entretanto, P. V.
Villard, na França, descobriu uma terceira forma de radiação que era
muito mais penetrante que as duas anteriores, que designou por raios gama (). Estes não eram sensíveis
ao campo magnético, ou seja, não eram desviados e surgiram como uma espécie de raios X mais
energéticos. O esclarecimento da natureza dos raios  continuou um mistério durante alguns anos. Ao se
mudar para Toronto, no Canadá, Rutherford pode observar
outro fenômeno misterioso. Ao isolar a parte radioativa do sal

 
de urânio, ele perdia a sua radiação com o passar do tempo.
Por outro lado, a solução da qual havia sido retirado o
elemento radioativo recuperava a radioatividade inicial.
Trabalhando com o químico F. Soddy, Rutherford
chegou a um resultado que implicava na transmutação3 entre
os elementos, algo que foi dito com muita cautela ao anunciar,
Material
radioativo
pois lembrava fortemente o antigo sonho dos alquimistas.
Para fundamentar sua conclusão sobre a transmutação
dos elementos, Rutherford teve que investigar mais a natureza
das radiações alfa (). Entre 1900 e 1903, através das medidas
da razão entre a massa e carga elétrica das partículas , ele pode concluir que estas são, na verdade,
núcleo do átomo de Hélio (He). Resolvendo assim o problema da transmutação dos elementos que pode
ser explicado da seguinte maneira: os átomos instáveis (radioativos) emitem as radiações  e , ao
fazerem isso eles mudam suas propriedades químicas, transformando-se em outro de elemento
(transmutação). Estava assim desvendada a natureza das radiações  e da transmutação dos elementos.
Porém ainda não compreendiam como que essas radiações eram produzidas, deixando essa questão em
aberto para a ciência.
3
Basicamente a transmutação era o sonho dos alquimistas em transformar qualquer substância em ouro (Au).
34
NUPIC/LAPEF
Questões:
1) a) Qual foi a principal contribuição que Rutherford deu para a radioatividade?
b) Como ele fez isso?
2) Quais são as principais diferenças entre as radiações  e ?
3) Por que a radiação  não sofre desvio ao passar por uma região de campo eletromagnético
35
NUPIC/LAPEF
BLOCO II – ORDEM DE GRANDEZA E MODELOS ATÔMICOS
Para continuar estudando os conceitos da Física de Partículas Elementares é necessário ter uma idéia do
tamanho dos objetos estudos. Por isso, pretende-se neste bloco estudar aspectos ligados à ordem de grandeza desses
e objetos. Em seguida, começaremos a discutir as evidências que levaram a queda do status de elementar do átomo
e o aparecimento dos primeiros modelos atômicos, e a evolução desses modelos.
 Compreender o tamanho dos objetos através da ordem de grandeza.
 Entender as evidências que levaram a queda do status de indivisível do átomo e a descoberta da primeira
partícula: o elétron.
 Compreender o processo de espalhamento de partículas utilizado por Rutherford
 Conhecer e compreender os modelos atômicos de Thomson, Rutherford e Bohr.
 Ordem de grandeza e potência de dez.
 Campo elétrico e magnético.
 Modelos atômicos.
Brasília, 1982.
 ALVES, Gilson; CARUSO, Francisco; FILHO, Hélio da Motta; SANTORO, Alberto. O mundo das
partículas de hoje e de ontem. Rio de Janeiro: CBPF, 2000.
 CARUSO, Francisco; OGURI, Vitor; SANTORO, Alberto. Partículas elementares: 100 anos de
descoberta. Manaus: Editora da Universidade Federal de Manaus, 2005.
 CARUSO, Francisco; SANTORO, Alberto. Do átomo Grego à Física das interações fundamentais. 2ª
ed. Rio de Janeiro: AIAFEX, 2000.
 DE CASTILHO, Caio Mário Castro. Quando e como o homem “viu” o átomo. Ciência Hoje, V.33, nº
196, p.30-36. Agosto 2003.
36
NUPIC/LAPEF
ATIVIDADE
MOMENTOS
Atividade 4 (1ª parte): Cortando papel para
chegar ao próton.
Explicações sobre representações de
dimensões em potência de dez.
1. Visualizando
o “muito
pequeno
COMENTÁRIOS
TEMPO
Atividade experimental
introdutória sobre as
dimensões das partículas
elementares.
Leitura do texto e resolução dos problemas.
2 aulas
Correção das questões
Atividade 4 (2ª parte): Tamanho dos
corpos, através da potência de dez.
Navegação no site do
CERN (Powers of Ten)
Sistematização geral sobre ordem de
grandeza e notação científica.
2. Estudo sobre
a descoberta do
elétron.
Retomada das discussões sobre a descoberta
dos raios-X, radioatividade e radiações.
Discussão sobre a descoberta do elétron.
Texto “A queda do status
elementar do átomo: a
descoberta do elétron”.
1 aula
Sistematização e leitura do texto.
Atividade 5: A linha do tempo.
3. Estudo sobre
a evolução do
conceito de
átomo
4. O
espalhamento
Rutherford
Leitura e discussão do texto “A busca pelo
constituinte da matéria: a evolução do conceito
de átomo”;
Explicação da atividade, atribuir períodos de
tempo entre os grupos.
Apresentação dos grupos e construção da linha
do tempo
Atividade 6: O espalhamento de Rutherford.
Retomada da atividade, apresentação dos
resultados obtidos.
Leitura do texto e realização do questionário.
5. Os modelos
atômicos de
Thomson,
Rutherford e
Bohr.
Vídeo: Os primeiros modelos
Vídeo: O modelo de Rutherford
Sistematização das principais idéias do
bloco,
Atividade que
permite uma construção
coletiva de uma linha do
tempo sobre evolução do
conceito de átomo.
2 aulas
Experimento que permite
alusão à perspicácia de
Rutherford ao elaborar seu
modelo atômico.
Texto: a descoberta de
Rutherford: Um novo
modelo atômico.
2 aulas
Vídeo: Os primeiros
modelos atômicos e o
modelo de Rutherford.
1 aula
Considerações finais sobre o Bloco II.
37
NUPIC/LAPEF
AULA 10
Tema: Notação científica, ordem de grandeza e dimensões do mundo microscópico.
Objetivo: Trabalhar de forma mais detalhada com os alunos, as dimensões do mundo microscópico, que é o objeto
de estudo da proposta. Fazer com que eles tenham uma idéia inicial do “mundo de pequenas dimensões” da física
de partículas.
Trabalhar matematicamente com alguns números e grandezas usando a notação científica e a definição de ordem de
grandeza.
Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico (das partículas elementares), ordem de grandeza e notação
científica.
Recursos Instrucionais




Roteiro da atividade 4 (1ª parte)
Aula expositiva
Discussão entre professor e alunos
Folhas de papel A4, tesouras e réguas.
Motivação
Curiosidade sobre o tamanho limite que conseguimos enxergar.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Atividade 4, “Visualizando „o muito pequeno‟” - cortando papel para chegar a prótons.
Essa atividade pode ser realizada em grupo. Alguns grupos podem utilizar tesouras para cortar o papel
enquanto outros podem usar réguas conforme o roteiro. Destacar o número de cortes feitos por cada grupo e
as medidas do menor pedaço de papel obtido.
Tempo: 30 min
Leitura do texto: “Ordem de grandeza e potência de dez”, e após explicação sobre o que é ordem de grandeza
e notação científica e a utilização da potência de dez em ambos os casos, os alunos podem, em grupo,
começar a discutir e resolver os exercícios propostos.
Tempo: 20 min
Sugestões: Se o professor achar necessário e caso tenha tempo disponível, pode trabalhar mais exercícios sobre
notação científica e ordem de grandeza.
Dinâmica da aula
O professor deve inicialmente destacar que o universo das partículas que estamos adentrando é de dimensões muito
pequenas. Destacando também a importância de trabalharmos numericamente com essas dimensões. Em seguida
deve-se iniciar a 1ª parte da atividade “Visualizando „o muito pequeno‟” pedindo para que formem grupos, cortem
o papel e anotem os números de cortes feitos e a medida do menor pedaço obtido. Podem inclusive anotar na lousa
os valores obtidos para o número de cortes e a menor medida obtida para comparação e discussão entre os grupos.
Após esta atividade o professor deve explicar a noção de ordem de grandeza e notação científica que serão
extremamente úteis para a representação numérica já citada.
Os alunos recebem o roteiro e trabalham com os exercícios propostos.
38
NUPIC/LAPEF
Fotos:
39
NUPIC/LAPEF
Aula 11
Tema: Notação científica, ordem de grandeza e dimensões do mundo microscópico.
Objetivo: Trabalhar com os alunos as dimensões do mundo microscópico, comparando com as dimensões com as
quais eles estejam mais acostumados.
Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico das partículas elementares.



Roteiro da atividade 4 (2ª parte)
Aula expositiva
Apresentação de slides
Motivação: Curiosidade sobre o tamanho dos objetos estudados em física de partículas e relação com o tamanho
dos objetos que nos cercam.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Finalizando a atividade 4 “Ordem de grandeza e potência de dez”.
Os alunos concluem a discussão e resolução dos exercícios.
Tempo:  20 min
Realização da atividade 5: “Tamanho dos corpos, através da potência de dez”
Os alunos lêem as informações do roteiro e respondem às questões.
Tempo:  25 min
Sugestões: Se esta aula não for no mesmo dia da anterior, o professor deve relembrar rapidamente as atividades
sobre notação científica e ordem de grandeza.
Caso o professor achar necessário e caso tenha tempo disponível, pode trabalhar mais exercícios sobre notação
científica e potência de dez.
Se o professor não tiver como mostrar os slides através do site do CERN (powers of ten), pode preparar uma
apresentação utilizando o power point ou ainda retro-projetor.
Se for utilizar a sala de micros o professor deve já iniciar a aula nela para não perder tempo com a organização dos
alunos para utilização da sala no final da aula.
Caso o professor queira valorizar a utilização da sala de informática, pode dividir a turma em dois. Enquanto uma
turma realiza a atividade do texto na sala de aula os demais exploram o site do CERN na sala de informática.
Dinâmica da aula
Retomada da atividade “Ordem de grandeza e potência dez”, na correção o professor deve destacar sempre as
grandezas trabalhadas em relação às que estamos habituados.
Pedir para que os alunos leiam as instruções da atividade “Tamanho dos corpos através da potência de dez”, e
respondam com base nos slides, a questão.
40
NUPIC/LAPEF
Atividade 4 - Ordem de Grandeza e potência de 10
Neste novo assunto que começamos a tratar, será quase que inevitável, a utilização de valores muito
pequenos ou muito grandes, que não fazem parte de valores utilizados no nosso cotidiano. Por exemplo,
se alguém lhe dissesse que o tamanho de um átomo é aproximadamente 0,0000000001 m, você
dificilmente assimilaria essa idéia, por se trata de um valor totalmente fora daqueles utilizados por você.
Números dessa forma podem ser representados de outra maneira, de tal maneira que a idéia que ele
queira transmitir seja melhor interpretada e comparada. Além disso, torna-se mais fácil de se fazer
operações com eles. Essa nova maneira de representar os números é a notação científica.
Com essa nova forma de representação numérica, podemos escrever qualquer número como uma
potência de 10, sem que ele perca o seu valor original. Assim, fica mais fácil de opera-lo e compara-lo,
tornando-se mais acessível ao nosso sentido.
Veja alguns exemplos de como representamos valores em notação científica
20000 m = 2 x 10000 = 2x104m
2300 kg = 2,3x1000 kg = 2,3x103 kg
0,007 cm = 7 cm = 7 cm = 7x10-3 cm
1000
103
Tente escrever os números abaixo em notação científica
a) o diâmetro do próton 0,000 000 000 000 001 m =
b) o diâmetro do átomo 0,000 000 000 1 m =
c) a carga elétrica de um elétron – 0,000 000 000 000 000 000 16 C =
d) a massa de um nêutron 0,000 000 000 000 000 000 000 000 001 67 kg =
Atividade 2.1: visualizando “o muito pequeno”
a) Cortando papel para chegar a prótons
Objetivo: tentar dar uma idéia do tamanho dos objetos estudados na física de partículas.
Material: folha de papel A4, tesoura e régua.
Procedimento: Pegue a folha de papel e corte-a no meio. Com uma das metades, faça outro corte, também
ao meio. Repita esse procedimento quantas vezes forem possíveis até chegar a um pedaço que você não
consiga mais cortar. Conte os números de cortes feitos e faça a medida do menor pedaço de papel que
você conseguiu.
41
NUPIC/LAPEF
b) Tamanhos dos objetos estudados em Física de Partículas
Objetivo: ao examinar o tamanho relativo e o
espaço entre partículas, os alunos adquirem a idéia
dos tamanhos dos objetos estudados em Física de
Partículas.
Se o núcleo de um átomo de hidrogênio fosse do
tamanho da cabeça de um alfinete (1mm), então o
elétron no átomo estaria, aproximadamente, a uns
50m de distância.
Algumas idéias básicas que podem ajudar os
alunos na compreensão das dimensões atômicas e
subatômicas:
- Um núcleo típico é 10 vezes maior do que um
próton;
- Um átomo típico (o tamanho determinado pelos
elétrons mais externos) é 10000 vezes maior que
um núcleo típico;
- Uma cabeça de alfinete (1mm = 10-3m) é
10.000.000 de vezes maior que um átomo típico;
- Na espessura de uma folha de papel A4, há,
aproximadamente, 1.000.000 de átomos;
- Se um átomo fosse do tamanho de uma cabeça de
alfinete, a espessura da folha de papel seria de
1.000m ou 1km;
- Um próton tem massa, aproximadamente, 2000
vezes maior do que o elétron.
Questões:
1) Se sua casa fosse o núcleo do átomo, a que distância estaria seu vizinho mais próximo (elétron mais
perto do núcleo)?
DIMENSÃO
DECIMAL
POTÊNCIA DE 10
0,00001 m
10-5 m
diâmetro aproximado de um átomo
0,000 000 000 1 m
10-10 m
diâmetro aproximado de um núcleo
0,000 000 000 000 01 m
10-14 m
diâmetro aproximado de um próton
0,000 000 000 000 001 m
10-15 m
menor objeto visto a olho nu
FRAÇÃO (complete)
42
NUPIC/LAPEF
Atividade 2.2: Tamanho dos corpos, através da potência de 10.
Procedimento: entre no site do cern : (Power of ten)
http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/P10/esp
Nele, você verá uma atividade que trabalha com potências de 10 (ordem de grandeza dos objetos),
podendo visualizar os objetos para cada potência.
Anote o que você observa, conforme a potência de 10 que selecionou na régua, para os seguintes
exemplos:
ordem de 1024: ______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 1012: ______________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 100: _________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 10-8: ________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 10-10: ______________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 10-14: _______________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
ordem de 10-15: ________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
43
NUPIC/LAPEF
Aula 12
Tema: A descoberta do elétron.
Objetivo: Sistematizar as idéias sobre as dimensões do mundo microscópico; iniciar a discussão sobre a evolução
dos modelos atômicos destacando os principais pontos e a necessidade da existência do elétron.
Conteúdo Físico: Dimensões do mundo microscópico; modelo atômico com a inclusão do elétron.


Aula expositiva
Texto de apoio “A queda do status elementar do átomo: a descoberta do elétron”.
Motivação: Com a descoberta de novas radiações, as investigações sobre os raios catódicos continuaram
culminando na descoberta da primeira partícula – o elétron.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Retomada da discussão sobre a descoberta dos raios-X, radioatividade e as radiações, levando a descoberta
do elétron.
Tempo:  15 min
Sistematização e leitura do texto: “A queda do status elementar do átomo: a descoberta do elétron”.
Tempo:  25 min
Discussão sobre a descoberta do elétron e questões propostas pelos alunos.
Tempo:  10 min
Sugestão: Apresente na retomada, a apresentação em PowerPoint da aula 8, para iniciar a discussão sobre a
descoberta do elétron.
Dinâmica da aula
Inicie a aula retomando as idéias estudadas no bloco I, para que possa continuar discutindo as investigações que
resultaram na descoberta do elétron.
Faça a leitura conjunta do texto “A queda do status elementar do átomo: a descoberta do elétron”, instigando-os a
proporem questões.
44
NUPIC/LAPEF
Aula 13
Tema: A evolução do conceito de átomo e seus modelos através da história.
Objetivo: Discutir a evolução dos modelos atômicos desde a Grécia antiga até inicio do século XX, mostrando e
destacando a necessidade da evolução dos mesmos até o modelo de Bohr, as novas questões que surgem a cada
modelo, a nova visão do mundo microscópico e a origem de novas áreas de investigação: a Física Nuclear e a
Física de Partículas.
Conteúdo Físico: Principais modelos atômicos até o modelo de Thomson e início do estudo do modelo de
Rutherford.


Texto de apoio: “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo”.
Aula expositiva
Motivação: Como surgem os novos modelos e que modificações e contribuições eles trazem para a visão de
mundo.
3º
Momento
2º
Momento
1º
Momento
Momentos
Discussão sobre a origem de idéia de átomo com os gregos.
Tempo:  10 min
Leitura, sistematização e repostas das questões do texto: “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução
do conceito de átomo”.
Tempo:  20 min
Dividir a classe em grupos e atribuir o período de tempo a cada grupo.
Tempo:  20 min
Sugestões: O texto “A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo” traz muita informação
histórica, portanto por questão de praticidade, o professor deve destacar os pontos principais.
Dinâmica da aula
Inicie a aula perguntando: Alguém sabe o que significa a palavra ÁTOMO! A partir daí comece a discutir a sua
origem, destacando a busca dos gregos pelo elemento primordial, levantando e explicando os principais pontos e a
idéia geral do texto. Para compreender melhor a evolução dos modelos atômicos, sugira a atividade da linha do
tempo. Dividir a classe em  6 grupos e atribuir a cada grupo um período de tempo e ou grupo de filósofos. Peça
que tragam um pequeno resumo com as principais idéias sobre o modelo atômico da época, além de fotos/desenhos
dos filósofos, fatos históricos importantes que ocorreram nessa época, etc.
45
NUPIC/LAPEF
Atividade 5 – A linha do tempo
Tema: Linha do tempo
Objetivo: Compreender a evolução dos modelos atômicos ao longo da história. Construção coletiva de uma linha
do tempo sobre a evolução dos modelos atômicos.
Conteúdo Físico: Principais modelos atômicos até o modelo de Thomson e início do estudo do modelo de
Rutherford.


Livros, revistas, Internet, etc.
Linha do tempo
Motivação: Apresentação dos grupos e construção da linha do tempo
1º Momento
Apresentação dos resultados obtidos pela pesquisa realizada pelos grupos.
2º Momento
Momentos
Montagem da linha do tempo
Tempo:  30 min
Tempo:  20 min
Sugestões: Pegue  7 m de papel craft, desenhe uma linha, colocando o intervalo dos anos correspondentes a cada
grupo – reserve 1 m por grupo, deixando margem de 0,5m antes e depois. Cole o papel na parede antes da
apresentação dos grupos.
Dinâmica da aula
Peça para cada grupo se apresentar, seguindo uma ordem cronológica.
Após a apresentação de todos os grupos, peça para colarem o material pesquisado (textos, figuras, etc.) na linha do
tempo.
46
NUPIC/LAPEF
Aula 15
Tema: O modelo atômico de Rutherford e a experiência com espalhamento.
Objetivo: Discutir os métodos desenvolvidos por Rutherford no começo de 1900, e que, ainda são usados em
nossos dias pelos físicos de partículas, em experimentos com aceleradores.
Conteúdo Físico: Modelo atômico de Rutherford (experimento com partículas





Roteiro da atividade 5
Placas de madeira (com desenhos de figuras geométricas em relevo na parte de baixo da placa) para
atividade 5
Bolinhas para atividade 5
Aula expositiva
Motivação: O estudo detalhado de como Rutherford desenvolveu seus métodos para medir características de
objetos que não podemos ver e a evolução dos modelos atômicos.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Retomar a idéia final da aula anterior do modelo atômico de Thonsom.
Tempo:  10 min
Realização da atividade 5: “O espalhamento Rutherford”. Essa atividade é realizada em grupo conforme
roteiro. O professor forma grupos com cinco alunos aproximadamente e distribui os kits com as placas de
madeira e bolinhas chamando a atenção para o fato de que os alunos não devem de forma alguma olhar na
parte de baixo das placas caso contrário a atividade perderá seu sentido. Em rodízio cada grupo realiza a
atividade com o maior número possível de placas e desenha em uma folha a figuram que deduzem existir sob
cada placa para posterior discussão.
Tempo:  40 min
Sugestão: É interessante que cada grupo consiga realizar a atividade com pelo menos, três placas diferentes, caso
tenham tempo para realizar com mais placas, terá mais resultados para discussão e se o professor achar necessário
que realizem com todas as placas pode utilizar parte da aula seguinte para isso.
Dinâmica da aula
A sala pode ser dividida em grupos com cinco alunos aproximadamente e são entregues os materiais e o roteiro
para realização da atividade “O espalhamento Rutherford”, com a finalidade de fazermos uma analogia com o
experimento realizado por Rutherford com partículas , entendendo como é possível estudar características de
objetos que não podemos ver.
Os grupos devem fazer o desenho das formas em uma folha de papel A4 para que possam ser comparadas depois.
Caso seja possível, os grupos devem vasculhar todas as placas.
47
NUPIC/LAPEF
Fotos:
48
NUPIC/LAPEF
Atividade 6 - O Descobrimento de Rutherford (espalhamento Rutherford)4
Nesta atividade, você e os membros de seu grupo usaram os métodos desenvolvidos por Ernest
Rutherford no começo de 1900, e que, ainda são usados em nossos dias pelos físicos de partículas, em
seus experimentos com aceleradores. Estes métodos permitem aos cientistas identificar as características
de partículas que realmente não podem ser vistas. Você aprenderá o quanto melhor devem ser suas
medidas, quando você não pode ver o objeto estudado.
Procedimento:
Na mesa de experimentos de sua equipe há um tampo grande de madeira, debaixo do qual, foi
colocada uma figura plana.
O trabalho de seu grupo é identificar a forma da figura sem vê-la. Você somente pode jogar
bolinhas contra o objeto escondido, e observar a deflexão que se produz na trajetória das bolinhas depois
de se chocar com a figura. Seu grupo terá cinco minutos para "observar" a figura.
Coloque um pedaço de papel sobre o tampo de madeira para esboçar a trajetória das bolinhas.
Lembre-se de um jogo de bilhar, pois as bolinhas estarão colidindo com um objeto e retornando.
Assim, você poderá traçar as trajetórias e logo depois, analisá-las. Determinando a forma efetiva do
objeto.
Faça um pequeno desenho das figuras que o grupo analisou e responda as perguntas abaixo:
Questões:
1) Você pode determinar o tamanho e a forma do objeto?
2) Como poderia saber se as figuras têm detalhes em sua forma, que são pequenos comparados com o
tamanho das bolinhas?
3) Como você pode confirmar suas conclusões sem olhar o objeto?
4
Adapatado do site: http://cpepweb.org
49
NUPIC/LAPEF
Aula 16
Tema: O modelo atômico de Rutherford e o modelo de Bohr.
Objetivo: Continuar a discussão sobre a evolução dos modelos de Rutherford e de Bohr, destacando as soluções
propostas por Bohr a problemas presentes no modelo clássico e o surgimento de novos questionamentos.
Conteúdo Físico: Modelos atômicos de Rutherford e Bohr.




Texto de apoio “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”
Aula expositiva
Slides
Motivação: As questões e idéias que levaram à evolução do modelo proposto por Bohr e as questões que este
modelo ainda não resolve e como Bohr lidou com elas.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Apresentação e discussão das formas obtidas pelos diversos grupos.
Tempo:  25 min
Leitura e respostas das questões do texto: “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”.
Tempo:  25 min
Sugestão: Caso o professor tenha tempo, pode pedir que os alunos desenhem as formas encontradas na lousa. Mas
lembre-se que o mais importante dessa aula é discutir o método utilizado por Rutherford e o uso de modelo na
Ciência.
O professor pode também criar um ambiente de discussão de comunidades científicas, fazendo que os alunos
argumentem a favor e contra os métodos utilizados por outros grupos para encontrar as formas.
Dinâmica da aula
Discutir os dados obtidos e apresentados pelos grupos, destacando o modelização das formas, ou seja, as formas
encontradas são modelos daquelas que estão sob as placas. Por não ter acesso direto a essas formas, tem-se que
criar um modelo delas. Assim, um modelo de forma será “bom”, se vários grupos encontrarem formas bem
parecidas. Por isso que é importante que os grupos passem por todas as placas. É importante frisar, que os modelos
são representações e não definitivos.
Destacar depois dessa discussão, a eficiência dos métodos desenvolvidos por Rutherford e sua contribuição para
construção de novos modelos.
Leitura do texto “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico” destacando a experiência realizada por
Rutherford e a contribuição que os resultados obtidos trouxeram para elaboração de um novo modelo atômico.
50
NUPIC/LAPEF
Aula 17
Tema: Modelo atômico de Rutherford e de Bohr.
Objetivo: Destacar as principais diferenças entre os modelos atômicos.
Conteúdo Físico: Modelos atômicos de Rutherford e Bohr.




Texto de apoio “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”
Aula expositiva
Slides
Motivação: As questões e idéias que levaram à evolução do modelo proposto por Bohr e as questões que este
modelo ainda não resolve e como Bohr lidou com elas.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Correção das questões e sistematização do texto: “A descoberta de Rutherford: um novo modelo atômico”.
Tempo:  25 min
Sistematização e comentários gerais do Bloco II
Tempo:  25 min
Sugestão: O professor poderá solicitar aos alunos, conforme o tempo disponível, a montagem de uma tabela que
relacione os seguintes itens: Nome do cientista, sua nacionalidade, suas contribuições e em que época. Esta tabela
pode ser apresentada em formato de slide pelo professor ou pelos alunos.
Para sistematização das idéias apresentadas nesse bloco o professor pode preparar uma apresentação em slides para
power point ou mesmo para um retroprojetor.
Lembrar que postulado significa segundo o dicionário Michaelis: Proposição admitida sem demonstração e que
serve de ponto de partida para dedução de novas proposições. Proposição que, não sendo demonstrável nem
evidente, se toma como ponto de partida de um raciocínio dedutivo.
Dinâmica da aula
Sistematizar as idéias do texto, correlacionando com a atividade de espalhamento realizada em sala. Apresentar o modelo
atômico de Bohr com suas propostas e seus postulados. Nesse momento o professor deve destacar o significado da palavra
postulado ou pedir para os alunos pesquisarem seu significado. O professor durante a correção dos exercícios deve destacar o
número de órbitas limitadas e bem definidas para os elétrons, o fato dos elétrons moverem-se sem emitir energia, evitando
assim o problema de colapso com o núcleo e a absorção (ou emissão) de uma quantidade exata de energia, quantum, para saltar
de uma órbita a outra. Comentários gerais sobre os assuntos desenvolvidos no bloco II.
51
NUPIC/LAPEF
QUESTÕES SOBRE O BLOCO II
Observação: estas questões podem ser trabalhadas em provas, atividades avaliadas, ou de acordo com o objetivo e
perspectiva do professor.
1) (Unb 97) A figura adiante ilustra uma das experiências mais fascinantes na evolução da teoria atômica da
matéria, realizada por Rutherford, ao bombardear finas lâminas de ouro com partículas alfa. Cada partícula alfa
nada mais é do que o núcleo de um átomo de hélio ionizado.
A partir do experimento descrito, julgue os seguintes itens e assinale a alternativa correta:
(1) Por terem carga positiva, as partículas alfa sofrem desvios de trajetória devido à presença dos núcleos atômicos.
(2) No ponto B da figura, a força entre a partícula e o núcleo é a menor possível, porque ela é proporcional à
distância que os separa.
(3) Rutherford teria obtido os mesmos resultados se, em vez de partículas alfa, tivesse usado nêutrons.
(4) O experimento de Rutherford usando o estanho, em vez de ouro, seria inconclusivo, em virtude da enorme
variação de cargas entre os diversos isótopos do elemento estanho.
(5) O momento linear da partícula alfa incidente não varia.
2) Aponte as diferenças entre os modelos atômicos de Rutherford e Bohr.
3) Com base no modelo de Bohr e seus postulados, explique o que ocorre quando um elétron:
a) ganha energia;
b) retorna para uma órbita mais próxima do núcleo.
4) Transforme em notação científica:
a) raio da Terra = 6 380 000 m
b) raio de Bohr = 0,000 000 000 0529 m
c) velocidade da luz no vácuo = 300 000 000 m.s-1
d) distância da Terra ao Sol = 150 000 000 000 m
e) número de Avogadro = 0,000 000 000 000 000 000 000 0602
5) (UFRGS) Dentre as afirmações apresentadas, qual é correta?
a) A energia de um elétron ligado ao átomo não pode assumir um valor qualquer.
b) A carga do elétron depende da órbita em que ele se encontra.
c) As órbitas ocupadas pelos elétrons são as mesmas em todos os átomos.
d) O núcleo de um átomo é composto de prótons, nêutrons e elétrons.
e) Em todos os átomos o número de elétrons é igual à soma dos prótons e dos nêutrons
6) (UFRGS) Considerando as seguintes afirmações sobre a estrutura nuclear do átomo.
I - O núcleo de um átomo qualquer tem sempre carga elétrica positiva.
II - A massa do núcleo de um átomo é aproximadamente igual à metade da massa de todo o átomo.
III - Na desintegração de um núcleo radioativo, ele altera sua estrutura para alcançar uma configuração mais
estável.
Quais estão corretas?
a) Apenas I.
b) Apenas II.
c) Apenas I e III.
d) Apenas II e III.
e) I, II e III.
7) (UFMG 99) No modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, a energia do átomo:
a) pode ter qualquer valor.
b) tem um único valor fixo.
c) independe da órbita do elétron.
d) tem alguns valores possíveis.
52
NUPIC/LAPEF
8) (PUC MG 98) Analise as afirmações a seguir a escolha a opção correta. O modelo planetário de Rutherford foi
aceito apenas parcialmente porque:
I- os elétrons deveriam perder energia orbitando em torno dos prótons.
II- os elétrons não têm massa suficiente para orbitarem em torno dos prótons.
III- os elétrons colidiriam entre si ao orbitarem em torno dos prótons.
a) se apenas as afirmativas I e II forem falsas.
b) se apenas as afirmativas II e III forem falsas.
c) se apenas as afirmativas I e III forem falsas.
d) se todas forem verdadeiras.
e) se todas forem falsas.
53
NUPIC/LAPEF
A busca pelo constituinte da matéria: a evolução do conceito de átomo
Depois da descoberta do elétron por Thomson, em 1897, a ciência passou por uma grande mudança.
Pela primeira vez, estava comprovado que o átomo era composto e não elementar como se pensava antes.
Mas como foi a evolução da idéia do átomo?
Tudo começou, há aproximadamente 2500 anos, quando o homem iniciou o seu questionamento
sobre a estrutura da matéria, ou seja, qual era a matéria prima ou substância primordial que compunha o
Universo. No início das investigações, as concepções filosóficas se dividiam em dois grupos. De um lado,
os filósofos que acreditavam que o Universo era formado por um único elemento – monista; por outro,
aqueles que acreditavam nos vários elementos que formam o Universo – pluralista.
Dentro da corrente monista, podemos destacar os seguintes filósofos: Tales de Mileto (624 – 546
a.C.), que acreditava que o elemento primordial era a água; Anaxímenes de Mileto (570-500 a.C.) seria o
ar, uma vez que o mesmo se reduziria a água por compressão. Para Xenófenes da Jônia (570-460 a.C.)
era a terra. Porém, Heráclito de Éfeso (540-480 a.C.) era o fogo, o elemento primordial.
Em meados do século V a.C., surge um novo movimento que tenta explicar a matéria prima sendo
uma porção única, subdividida em diminutas partes. Essa era a forma como Anaxágoras de Clazômena
(500-428 a.C.) imaginava o Universo. Para ele, a matéria prima seria uma espécie de semente
(homeomerias) contendo outras sementes em seu interior e, essas, por sua vez teriam outras e assim
infinitamente, semente dentro de semente.
Ao contrário da visão de Anaxágoras, Leucipo de Mileto (460-370 a.C.) e seu discípulo Demócrito
de Abdera (470-380 a.C.) acreditavam que todas as coisas eram formadas por um único tipo de partícula:
o átomo (indivisível, em grego), eterno e imperecível, que se movimenta no vazio. Propunham também,
uma explicação para as diversas propriedades das substâncias, através das diferenças geométricas na
forma e na posição do átomo.
Paralelamente a essa idéia atomista, tinha-se a corrente pluralista,
destacado-se Empédocles de Akragas (490-431 a.C.) que acreditava no
Universo formado por quatro elementos: água, terra, fogo e ar, podendo
combinar-se para formar as diversas substâncias. Esses elementos estariam
em constante movimento que seria intermediado pelo amor ou amizade
que os uniam, e do ódio ou inimizade que os separavam.
Mais tarde, Aristóteles de Estagira (384-322 a.C.), propunha outros
elementos: frio, quente, úmido e seco, que agrupados de dois a dois,
água. Os quatro elementos
formavam os elementos de Empédocles da seguinte forma: seco e frio Terra, ar, fogodee Empédocles.
daria a terra; seco e quente, o fogo; úmido e quente, o ar e úmido e frio, a
água.
Depois de algum tempo, a idéia atomista foi retomada por Epícuro de Samos (341-270 a.C.) e
levada as últimas conseqüências por Titocaro de Lucrécio (96-55 a.C.) que acreditava que todos os
objetos da natureza eram constituídos de átomos, inclusive o corpo e a alma.
Mas não eram somente os gregos que buscavam a matéria prima do
Universo. Na China, Tsou Yen (360-260 a.C.) tinha uma concepção pluralista,
tendo como elementos básicos a água, a madeira, o fogo, o metal e a terra.
Porém, não eram meras substâncias, já que eram governados pelo dualismo
básico dos princípios cósmicos YIN e YANG.
Na Índia, os hindus também tinham sua própria concepção, onde os
elementos primordiais se ligavam aos sentidos: éter-audição, ar-tato, fogoRepresentação do dualismo da
visão, água-paladar e terra-olfato. Além disso, acreditavam que os quatro
cultura chinesa
elementos de Empédocles eram constituídos de átomos (indivisíveis e
indestrutíveis). Por outro lado, devido ao caráter religioso dessa filosofia, havia uma crença que a alma
também seria um elemento primordial do Universo.
Já nos primeiros séculos da era cristã, houve uma ascensão do Império árabe. Assim, entre os
séculos X e XI, a ciência árabe teve seu período áureo, podendo formular sua própria concepção dos
elementos primordiais. Para eles, estes elementos deveriam ser encontrados nos princípios ou nas
qualidades das substâncias e, não na substância em si. Desta forma, o enxofre seria o princípio da
combustão (fogo) e o mercúrio está ligado ao elemento líquido (água).
54
NUPIC/LAPEF
Depois da queda dos árabes, no final do século XI, as idéias gregas voltaram à tona. Desta forma, as
concepções monistas e pluralistas continuaram a ser discutidas e defendidas pelos cientistas da Idade
Média e Renascimento.
Entretanto, em 1647, o filosofo e matemático francês Pierre Gassendi (1592-1655) publicou um
livro distinguindo pela primeira vez átomo de molécula (distinção estabelecida oficialmente no 1º
Congresso Internacional de Química, em 4 de setembro 1860) e, parecia propor, que o átomo seria uma
parte real da substância, porém invisível e indivisível.
Já em 1789, foi editada a primeira tabela periódica contendo 30 elementos, elaborada pelo
químico francês Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Ele se baseava no princípio de que “cada
elemento de um composto pesa menos do que o composto como todo”.
Alguns anos depois, em 1814, o físico químico Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) introduziu a
nomenclatura atual dos elementos químicos.
Vários outros cientistas, como o inglês John Dalton (1766-1844), o
francês Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) e o italiano Amadeo
Avogadro (1776-1856), começaram a investigar melhor as substâncias com
a finalidade de determinar as massas dos átomos e seus volumes. Desta
forma, foram formuladas algumas leis que ajudaram a classificar melhor as
substâncias na tabela periódica.
Foi então, que em 1869 o russo Dimitri Ivanovich Mendeleiev (18341907) e em 1870 o alemão Julius Lothar Meyer (1830-1895) chegaram,
Modelo atômico de Dalton: o
independentemente, a tabela periódica dos 63 elementos, relacionando o
átomo é uma esfera maciça,
peso atômico com suas propriedades, seguindo a seqüência 2, 8, 8, 18, 18,
invisível e neutra.
36 indicando cada período, o número de elementos que apresentavam as
mesmas propriedades e assim, Mendeleiev previu a existência de mais alguns elementos que foram
detectados posteriormente.
Mas, foi devido às experiências relacionadas ao
eletromagnetismo, que o caráter indivisível do átomo foi posto
em dúvida. Para o físico francês André Marie Ampère (17751836) e o dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851), era
uma questão de tempo mostrar que o átomo tinha constituintes de
carga elétrica. Em 1828, o físico alemão Gustav Theodor Fechner
(1801-1887), propôs o modelo de que o átomo consistia de uma
parte central massiva que atraia gavitacionalmente uma nuvem
de partículas quase imponderáveis. Esse modelo foi melhorando
por seu conterrâneo Wilhelm Eduard Weber (1804-1891),
colocando a força elétrica no lugar da gravitacional.
A primeira evidência experimental sobre a estrutura do
átomo foi verificada pelo físico e químico Michael Faraday
(1791-1867) ao descobrir, em 1833, o fenômeno da eletrólise
(ação química da eletricidade). Ele observou que a passagem da
Tabela elaborada por Mendeleiev em 1869
corrente elétrica através de soluções químicas fazia com que os
metais de tais soluções se depositassem nas barras metálicas introduzidas nessas soluções. Essa evidência
foi corroborada com a teoria iônica desenvolvida pelo químico Svante August Arrhenius (1859-1927) em
1884, segundo a qual os íons que constituíam a corrente através da solução, nada mais eram do que
átomos carregados de eletricidade.
Uma nova visão do átomo com a descoberta do elétron: o modelo atômico de Thomson
Com a descoberta do elétron por J. J. Thomson, o átomo não era visto
mais como constituinte elementar do Universo. Com isso, Thomson pode
propor, em 1903, uma nova visão do átomo.
Seu modelo era descrito da seguinte maneira: o átomo era composto de
uma carga positiva uniformemente distribuída em uma esfera de raio da ordem
10-10 m, “embebida” de elétrons que vibravam em seu interior. Essa forma
garantida a neutralidade do átomo, evitando o colapso do átomo.
55
NUPIC/LAPEF
O modelo atômico de Thomson também ficou conhecido como o “Modelo do Pudim de Passas”,
no qual as passas representavam os elétrons e a pasta do pudim, a carga elétrica positiva.
Questão
1) Que contribuição, o modelo atômico de Thomson, trouxe para a idéia de átomo?
56
NUPIC/LAPEF
A descoberta de Rutherford: Um novo modelo atômico
As experiências com descargas elétricas em gases, também evidenciaram a existência de partículas
positivas. Em 1886, Eugen Goldstein (1850-1931), observou que quando o catodo de um tubo era
perfurado em forma de canais, certos “raios” atravessavam o próprio catodo em sentido contrário aos
raios catódicos e, por isso receberam o nome de raios canais. Nove anos mais tarde, Jean Baptista Perrin
(1870-1942), conclui que esses raios eram constituídos de partículas positivas, chegando a ser
determinada a razão entre a carga (q) e a massa (m) por Thomson em 1907. Basicamente esses ”raios”
eram íons de Hidrogênio (H+).
No começo do século XX, dois modelos atômicos disputavam a atenção da comunidade científica.
Um era o modelo de Thomson de 1903 e o outro, o modelo do japonês Hantaro Nagaoka (1865-1950) de
1904. Para Nagaoka, o átomo era formado por um caroço central positivo rodeado de anéis de elétrons
girando com a mesma velocidade angular, semelhante ao planeta Saturno (por isso, ficou conhecido como
modelo saturniano).
Esse impasse foi resolvido com as experiências realizadas por Rutherford, o inglês Ernest Marsden
(1889-1970) e o alemão Hans Geiger (1882-1945), em 1908 sobre o espalhamento de partículas  pela
matéria.
Rutherford e seus colaboradores, perceberam que as partículas , emitidas por substâncias
radioativas, possuíam uma alta energia e uma massa elevada, sendo assim um bom instrumento para
sondar o interior de outros átomos.
Baseado nessas evidências, Rutherford montou uma experiência com o intuito de bombardear uma
fina folha de ouro com essas partículas . Ele percebeu, através de cintilações luminosas produzidas em
um anteparo tratado com sulfeto de zinco (ZnS) que, a maioria das partículas atravessavam a folha sem
sofrer desvios e outras sofriam pequenos desvios, mas para espanto dele, algumas partículas sofriam
desvios até maior que 90°, isto é, espalhamento para trás.
fonte radioativa
feixe de
partículas 
Representação do espalhamento realizado por Rutherford para descobrir o núcleo atômico,
derrubando o modelo atômico de Thonsom.
Para os pequenos desvios, o modelo de Thomson dava conta de explicar, mas como explicar os
grandes desvios? Só se fosse por vários espalhamentos múltiplos o que seria muito improvável.
Rutherford pensou que se a carga positiva do átomo estivesse concentrada em uma única região, a
força de repulsão seria muito grande para “impactos” frontais. Concluiu então, que os grandes desvios
observados só poderiam resultar do encontro de uma partícula  com uma carga positiva concentrada em
uma minúscula região do átomo.
Em 1911, Rutherford propôs que o átomo se comportava como um sistema planetário em
miniatura, formado de uma parte central positiva, à qual denominou núcleo, onde se concentrava
praticamente toda a massa do átomo e, ao redor do núcleo, teria uma nuvem de elétrons girando,
conhecida como eletrosfera. Com isso, o modelo atômico de Thomson foi derrubado.
Utilizando experiências parecidas com aquelas que levaram a confirmação de modelo planetário,
só que agora utilizando cilindro contendo hidrogênio (gás) ao invés de uma folha de ouro, Rutherford
acreditava que as partículas  seriam capazes de expulsar o núcleo de hidrogênio, pois possuem maior
massa e são emitidas com energias elevadas. Realizando esta experiência, ele conseguiu detectar os
núcleos em um anteparo fluorescente. Com isso, comprovou a existência de partículas positivas no núcleo
57
NUPIC/LAPEF
e, em 1920 propôs o nome próton (que significa primeiro, em grego) ao núcleo de hidrogênio, o núcleo
mais leve.
Porém, surgiram outras questões devido a este modelo. Ao propor seu modelo, ele admitia que os
elétrons giravam em torno do núcleo, porque se estivessem parados seriam atraídos eletricamente pelo
núcleo. Mas ao sugerir essa saída, ele caiu em outro problema.
Colapso do átomo
A eletrodinâmica clássica prevê que toda partícula carregada
em movimento deve emitir energia. Desta forma, o elétron, deveria ir
perdendo energia, diminuindo sua velocidade e indo em direção ao
núcleo, em um movimento espiralado, como mostra a figura ao lado.
Mas isso não foi “observado”. Então como resolver essa questão?
O Modelo atômico de Bohr.
Para resolver os problemas enfrentados pelo atômico de
Rutherford, o físico dinamarquês Niels Bohr (1852-1962), em 1913, propôs um modelo um pouco
diferente. Baseando-se na teoria quântica de Max Planck (1885-1957), Bohr sugere alguns postulados
para o movimento do elétron, aperfeiçoando o modelo de Rutherford.
Postulado de Bohr:

Os elétrons se movem ao redor do núcleo em números limitados de órbitas bem definidas
chamadas órbitas estacionárias;

Movendo-se nessas órbitas, os elétrons não emitem e nem absorvem energia;

Ao saltar de uma órbita estacionária para outra, o elétron absorve ou emite uma quantidade
de energia bem definida, chamada de quantum de energia.
Estava assim proposto mais um novo modelo atômico, que é o modelo atual.
Questões:
1) Algumas pessoas afirmam que todas as coisas são possíveis. É possível que o núcleo de
Hidrogênio emita uma partícula
2) Destaque as principais diferenças entre os modelos de Rutherford e de Bohr.
3)
nenhum desvio?
58
NUPIC/LAPEF
A queda do status elementar do átomo: a descoberta do elétron
Na segunda metade do século XIX, o eletromagnetismo já estava praticamente todo formulado
com as equações de Maxwell e com a experiência de Hertz que a confirmavam. Na década de 1870, os
experimentos com descargas elétricas em gases eram muito realizados e para isso, os cientistas utilizavam
tubos de vidro lacrados com gases a baixa pressão.
Um desses cientistas William Crookes era um inglês não muito ortodoxo que acreditava poder se
comunicar com os mortos e é mais lembrado hoje pela sua invenção do que veio a ser chamado de “tubo
de Crookes”, um tubo de vidro lacrado, contendo um gás com densidade muito baixa e dotado de
eletrodos em seu interior, próximos a cada
uma das extremidades do tubo (pioneiro dos
anúncios de néon). O gás brilha quando os
eletrodos eram conectados a uma fonte de
tensão. Gases diferentes brilham com cores
diferentes, cada gás com uma cor típica.
Experimentos realizados com tubos
Figura 1
contendo placas metálicas e fendas
mostraram que o gás brilhava por causa de
algum tipo de “raio” que vinha do terminal negativo (cátodo). Com a ajuda de colimadores os raios
ficavam mais estreitos impedindo que os elétrons atingissem as placas defletoras A e B. Por fim os raios
quando incidiam na tela T, pintada com material fosforescente, faziam com que esta cintilasse. O
dispositivo foi chamado de tubo de raios catódicos (figura 15). Esses raios podiam ser desviados na
presença de campos elétricos ou magnéticos. Essa descoberta deu a indicação que os raios poderiam ser
formados por partículas negativas.
Em 1897, o físico inglês Joseph John Thomson, influenciado pelos trabalhos de Maxwell e o
descobrimento dos raios X, mostrou que os raios catódicos eram de fato formado por partículas, menores
e mais leves do que os átomos, que denominou de corpúsculos e todas, aparentemente, eram idênticas.
Ele conseguiu criar feixes de raios catódicos bem estreitos, e mediu seu desvio na presença dos campos
elétrico e magnético. Thomson raciocinou que o valor do desvio dependia de três coisas: da massa das
partículas, da rapidez delas e de suas cargas. Mas como o ângulo de desvio dependeria dessas coisas?
Quanto maior fosse a massa das partículas, maior seria a inércia e menor o desvio sofrido. Quanto
maior a rapidez delas, menor seria o desvio. Além disso, a partir dos experimentos, Thomson conseguiu
estabelecer que as partículas tinham massa muito menores do que qualquer átomo. A partícula presente
nos raios catódicos recebeu o nome de elétron (que significa âmbar em grego). Ele também conseguiu
calcular a razão entre a massa e a carga da nova partícula. Devido a esse trabalho recebeu o premio Nobel
de 1906.
Em 1907, através de suas experiências, o físico americano
Robert Millikan, conseguiu determinar a carga elétrica do elétron.
Ele borrifou gotículas de óleo no interior de uma câmara com um
campo elétrico que podia ser ajustado (figura 26). Inicialmente ele
notou que algumas gotas moviam-se para cima. Desta forma, ele
pode concluir que estas gotículas tinham cargas negativas e
sofriam a ação de uma força de natureza elétrica que superava a
gravitacional e por isso elas subiam. Ajustando, então, o campo
elétrico dentro da câmara, ele pode manter as gotículas em
equilíbrio (flutuando imóveis). Sabendo que a gravidade atuando
Figura 2
para baixo era anulada pela força elétrica que atuava para cima,
ele percebeu que a carga elétrica de cada gotícula era um múltiplo inteiro de um único valor. Esse valor,
ele propôs que fosse uma unidade fundamental para todas as cargas elétricas encontradas na natureza, que
era a carga do elétron. Junto com a determinação da razão entre a carga e massa feita por Thomson,
Millikan obteve pela primeira vez a massa do elétron, que era cerca de 2000 vezes menor que a massa do
átomo mais leve (hidrogênio).
5
6
Baseada em: http://br.geocities.com/saladefisica9/biografias/thomson.htm
Baseada em: http://www.if.ufrgs.br/ historia/millikan.html
59
NUPIC/LAPEF
Toda essa investigação e descoberta do elétron levaram a uma nova maneira de olhar os
constituintes da matéria. Até então, pensava-se que a matéria era constituída de átomos (algo que não
poderia ser dividido, ou seja, algo elementar), com a descoberta do elétron, o átomo perdeu seu status
elementar e passou a ser visto de outra forma, o que instigou ainda mais a curiosidade humana na busca
do elementar. Fazendo com que novas investigações sobre os constituintes da matéria fossem feitas.
Desta forma, entre 1895 e 1904 os cientistas haviam descoberto e desvendado a natureza dos raios
X, da radioatividade, dos raios catódicos e da transmutação dos elementos. Passando por uma grande
revolução na maneira de interpretar e ver a natureza.
Questões:
1) Considerando que os elétrons têm carga negativa como se explica a deflexão ao passar pelo
campo elétrico existente entre as placas defletoras?
2) Como verificar a natureza dos raios catódicos? Discuta.
3) Indique uma aplicação para o tubo de raios catódicos.Discuta.
60
NUPIC/LAPEF
BLOCO III – A INTERAÇÃO FORTE E OS QUARKS
Com a descoberta do nêutron, houve a necessidade de investigar ainda mais o núcleo para entender a sua
estabilidade. Com isso, um modelo de interação de partículas do núcleo foi proposto, descobrindo a Força Forte.
Com a Força Forte, vieram indícios dos constituintes dos prótons e nêutron. Assim um novo modelo foi proposto –
o modelo dos quarks.
 Entender os problemas dos modelos de núcleo e a necessidade da descoberta do nêutron.
 Compreender a estabilidade do núcleo.
 Compreender a troca de píons entre as partículas do núcleo: Força Forte.
 Conhecer os constituintes de algumas partículas – os quarks.
 Entender o mecanismo da carga cor e a interação entre os quarks.
 Atração e repulsão elétrica.
 Movimento de partículas carregadas em campos elétricos e magnéticos
 Interação Forte.
 Modelo dos quarks e a carga cor.
Brasília, 1982.
 MENEZES, Luis Carlos de. A matéria uma aventura do espírito: fundamentos e fronteiras do
conhecimento físico. São Paulo: Livraria da Física, 2005.
 ALVES, Gilvan Augusto; SANTORO, Alberto; GOMES E SOUZA, Moacyr Henrique. Do elétron ao
quark top. Ciência Hoje, V.19, nº 113, Setembro 1995, pp.34 – 44.
61
NUPIC/LAPEF
 GRUPO DE FÍSICA NUCLEAR. Efeito túnel e estabilidade nuclear. Revista do CBPF, pp. 32 – 35.
(http://www.cbpf.br/Publicacoes.html)
 GRUPO DE RAIOS CÓSMICOS DE ALTAS ENERGIAS. Energia extrema no Universo. Revista do
CBPF, pp. 06-09. (http://www.cbpf.br/Publicacoes.html)
 César Lattes. Ciência hoje, V.36, nº 215, Maio 2005, pp. 45 – 49.
 GILMORE, Robert. Alice no país do Quantum: a Física Quântica ao alcance de todos. Rio de Janeiro:
Jorge Zahar ed, 1998.
 GILMORE, Robert. O mágico dos Quarks: a física de partículas ao alcance de todos. Rio de Janeiro:
Jorge Zahar, 2002.
 PIRES, Antônio Sérgio Teixeira. Solução para o desconcertante. Ciência Hoje. V.33, n.193, p.76-79,
maio 2003.
 SCOCCOLA, Norberto. Pentaquark: nova partícula subatômica? Ciência Hoje. V.35, n.210, p.36-40,
nov.2004.
62
NUPIC/LAPEF
ATIVIDADE
MOMENTOS
Panorama geral do que se conhece até este
momento.
1. Estudo sobre
o núcleo
atômico
Levantamento dos problemas com o modelo
do núcleo atômico. A descoberta do nêutron
Sistematização e leitura do texto:
O problema da estabilidade do núcleo
2. Estudo sobre
a estabilidade
do núcleo e a
Força Forte
A proposta do modelo de Yukawa e a troca
de píons.
Sistematização, leitura e resposta as questões
do texto.
3.
Compreendend
o a radiação
alfa .
4. Entendendo
o
funcionamento
dos
aceleradores de
partículas
5. .
Contribuição
do físico
brasileiro
Compreendendo a radiação  através da
discussão da Força Forte.
Leitura do texto, respostas às questões.
Sistematização e leitura do texto.
Atividade 6: Entendendo os aceleradores de
partículas.
Discutir a contribuição de César Lattes para o
modelo de Yukawa.
do texto
7.
Sistematização
geral do bloco
8. Avaliação
TEMPO
Texto: “A solução de um
problema: a descoberta do
nêutron”.
Elaboração de argumentos
a favor da descoberta do
nêutron.
1 aula
Discutir o novo modelo de
núcleo e o problema de sua
estabilidade.
2 aulas
Texto: “Entendendo a
estabilidade do núcleo: a
Força Forte”.
Texto: “ Entendendo a
radiação 
Retomar a discussão
iniciada no início sobre as
radiações.
1 aula
Texto: “ Aceleradores de
Partículas”.
Simulação de um
acelerador no site do
CERN.
1 aula
Texto: “César Lattes e o
méson pi”.
1 aula
Discussão e sistematização da atividade 7
Compreender a
constituição de algumas
partículas, entendendo a
necessidade da carga cor.
Explicar o modelo dos quarks e da carga cor
do texto.
Texto: “os constituintes do
núcleo: o modelo dos
quarks”.
Continuação da discussão e correção das
questões.
Voltar a discutir o modelo
dos quarks e a carga cor.
De modo que fique bem
compreendido pelos
alunos.
Atividade 7: Entendendo a estrutura das
partículas.
6. Entendendo
a estrutura das
partículas
COMENTÁRIOS
Sistematização geral dos conceitos do bloco
Discussão e dúvidas
Aplicação da prova
Apresentar um panorama
geral dos conceitos do
bloco
3 aulas
1 aula
1 aula
63
NUPIC/LAPEF
Aula 18
Tema: Modelo do núcleo e a descoberta do nêutron.
Objetivo: Destacar a necessidade de uma partícula neutra no núcleo.
Conteúdo Físico: Interação elétrica, radiações e.



Texto de apoio “A solução de um problema: a descoberta do nêutron”
Aula expositiva
Motivação: Com a descoberta do núcleo atômico, foi necessário criar um modelo para ele. Assim, foi
levado em consideração as emissões de partículas dele. Sendo estabelecido um modelo falho para
alguns dados experimentais. Com isso houve a necessidade de modificar esse modelo, que só foi feito
com a descoberta do nêutron.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Retomada da discussão sobre os modelos atômicos, focando agora no núcleo.
Exposição sobre o modelo do núcleo, os problemas desse modelo e a necessidade de uma partícula neutra.
Tempo:  25 min
Sistematização, leitura e respostas das questões do texto: “A solução de um problema: a descoberta do
nêutron”.
Tempo:  25 min
Sugestão: O professor deve enfatizar bem o modelo que descrevia o núcleo, mostrando os argumentos à favor e
pergunte se alguém pode oferecer argumentos que derrubem esse modelo. Em seguida apresente os argumentos
contrários. Deixe que os alunos discutam um pouco sobre esses argumentos, para que possam ver as inconsistências
dele.
Dinâmica da aula
Retomar as idéias dos modelos atômicos de Rutherford e Bohr. Em seguida apresente o modelo vigente para a
descrição do núcleo, colocando os argumentos a favor e contra. Mostre a inconsistência desse modelo, havendo a
necessidade de uma nova partícula no núcleo. Discuta como foi descoberta essa partícula, mostrado que outros
cientistas chegaram perto de descobri-las. Mas por uma sutiliza, a descoberta foi feita por Chadwick.
Em seguida peça para que leiam o texto e respondam as questões trazidas nele.
64
NUPIC/LAPEF
Aula 19
Tema: A descoberta do nêutron e a estabilidade do núcleo.
Objetivo: Discutir como o núcleo se mantém coeso depois do nêutron ter sido descoberto.
Apresentando o modelo da força forte proposto por Yukawa, através da troca de píons entre as
partículas do núcleo.
Conteúdo Físico: Interação elétrica; A força forte – interação através da troca de píons.


Texto de apoio “A solução de um problema: a descoberta do nêutron”
Aula expositiva.
Motivação: Compreender como que partículas de mesmo sinal, no caso o próton, podem se manter
unida formando o núcleo.
Discussão e resposta das questões do texto: “A solução de um problema: a descoberta do nêutron.”
.
2º Momento
Tempo:  15 min
Colocar a questão: Como o núcleo pode se manter unido se ele é formado de prótons e nêutrons?
3º Momento
1º Momento
Momentos
Iniciar a discussão sobre a proposta de Yukawa para a coesão do núcleo, a proposta da força forte através da
troca de píons.
Tempo:  15 min
Tempo:  20 min
Sugestão: Ao expor a questão no segundo momento, o professor deve pedir aos alunos para proporem hipóteses e
discutirem elas.
Dinâmica da aula
Inicie a aula discutindo as questões de texto com os alunos, destacando as principais características do nêutron e da
sua descoberta. Faça uma sistematização do texto e, caso nenhum aluno levante a questão sobre a estabilidade do
núcleo, faça a proposta, deixando um tempo para eles discutirem. Inicie a discussão sobre a proposta do modelo de
Yukawa para a coesão do núcleo.
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NUPIC/LAPEF
Aula 20
Tema: A força forte como solução para o problema da instabilidade do núcleo.
Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons.
 Texto de apoio: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a força forte”.
 Aulas expositivas.
Motivação: O surgimento de um modelo para explicar a instabilidade do núcleo devido a descoberta do
nêutron. A compreensão do funcionamento deste modelo. A contribuição de um cientista brasileiro para
pesquisa internacional.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Leitura e respostas das questões do texto: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a Força Forte”.
.
Tempo:  25 min
Correção e discussão sobre as questões.
Sistematização da troca de píons entre as partículas do núcleo.
Tempo:  25 min
Observação: No texto aparece uma citação do princípio da incerteza e provavelmente o professor tenha de
comentar com os alunos o seu significado, devendo, portanto estar preparado para isso consultando antes uma
fonte, se julgar necessário. Outro momento que pode exigir uma explicação à parte, em relação às unidades, é
quando o texto fala das diferenças de massas.
Sugestão: É importante que o professor busque sistematizar bem o processo da troca de píons entre as partículas do
núcleo.
Dependendo de como vai conduzir a aula e do tempo que pode gastar falando do princípio da incerteza e das
unidades o professor pode propor que as questões sejam feitas em casa e entregues na aula seguinte ou ainda
utilizar um pedaço da aula seguinte para que os alunos terminem as questões.
Dinâmica da aula
Durante a correção e sistematização das questões, o professor deve enfatizar que os píons foram previstos primeiro
através de modelo teórico e só mais tarde detectados. Também deve ser destacada a contribuição do cientista
brasileiro, César Lattes, nessa detecção.
Discutir o conceito de píons, a troca dos mesmos e suas conseqüências além das cargas associadas a eles e a
conservação de cargas.
Por fim merece destaque também as respostas obtidas com esse modelo e as questões que surgem como o status de
elementar do próton e do nêutron, e a qual propriedade das partículas está associada à troca de píons.
Os alunos têm um tempo a mais para refletirem sobre as idéias do texto respondendo as questões propostas.
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NUPIC/LAPEF
Aula 21
Tema: A compreensão da radiação α destacando porque alguns núcleos são radioativos e outros não.
Objetivo: Compreender a radiação α de uma forma completa.
Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons e radiação α.
 Aulas expositivas.
 Texto de apoio: “Entendendo a radiação α”.
Motivação: Compreender que a instabilidade do núcleo está ligada a emissão da radiação α,
entendendo a diferença entre núcleos radioativos e não radioativos.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Discussão sobre a emissão alfa de alguns núcleos, colocando a pergunta: Porque alguns núcleos são
radioativos e outros não?
Tempo:  10 min
Sistematização, leitura e resolução da questão do texto: “Entendendo a radiação .”
Tempo:  30 min
|Correção e discussão sobre o problema proposto no texto.
Tempo:  10 min
Sugestão: Ao propor a questão: porque alguns núcleos são radioativos e outros não? o professor deve aguardar
que os alunos exponham suas idéias e hipóteses. Para depois ele sistematizar a resposta.
Pode ser solicitado aos alunos um trabalho de pesquisa a ser feito em casa sobre termos que aparecem no texto
como: “elétron-volt”, número atômico, número de massa, os números que aparecem na representação dos
elementos químicos.
Dinâmica da aula
Inicie a aula expondo o problema da emissão de alguns núcleos e em seguida peça para que eles elaborem hipóteses
sobre a questão. Em seguida, sistematize essas hipóteses, elaborando uma única, que esteja correta. Peça que façam
a leitura do texto e resolvam a questão proposta. Faça a correção enfatizando a diferença de massa.
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NUPIC/LAPEF
Aula 22
Tema: Aceleradores de partículas.
Objetivo: Entender o funcionamento dos aceleradores de partículas, compreendendo os conceitos
físicos utilizados nele.
Conteúdo Físico: Campo Elétrico (ddp), magnético e Aceleradores de partículas.



Aula expositiva
Simulação computacional: http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/RF_cavity/ex.html
Motivação: Conhecer o funcionamento dos aceleradores de partículas de uma forma geral e o uso
prático da tecnologia no estudo de física de partículas.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Colocar a questão: “Como podemos acelerar partículas carregadas?”.
Discutir com os alunos a questão falando da forma como as partículas são aceleradas nos laboratórios.
Tempo:  10 min
Leitura do texto: “Aceleradores de partículas”.
Sistematização e discussão dos conceitos envolvidos
Tempo:  25 min
Simulação computacional de um acelerador de partículas.
Tempo:  15 min
Sugestão: Ao propor a questão: como podemos acelerar partículas carregadas? O professor poderá deixar que os
alunos respondam a essa pergunta, tornando a aula mais dinâmica.
Junto com a simulação ou slides sobre o funcionamento de um acelerador de partículas pode ser apresentado uma
simulação sobre raios cósmicos, mostrando como ocorre a incidência de raios cósmicos na atmosfera. Essa
simulação pode ser encontrada no site: www.lip.pt//experiments/trc/opsao/oqsao3.html.
Ao discutir sobre os aceleradores, caso haja tempo, o professor pode discutir o movimento das partículas em um
campo magnético. Aspecto importante para os alunos compreenderem melhor os aceleradores circulares.
Dinâmica da aula
Na leitura do texto sobre aceleradores destacar a radiação cósmica e o funcionamento de um acelerador de prótons.
A idéia de como funciona um acelerador pode e deve ser enfatizada com a atividade 4 através da simulação de um
acelerador no site citado acima ou em algum outro similar ao mesmo ou através da apresentação de slides.
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NUPIC/LAPEF
Atividade 7 – Entendendo o funcionamento dos aceleradores
Essa atividade tem como objetivo tentar levar uma pequena simulação do funcionamento de um
acelerador de partículas. A simulação utilizada é um caso simples de um acelerador linear. Mas basicamente, o
circular funciona da mesma maneira, só temos que acrescentar o campo magnético.
Procedimento
Entre no site: http://microcosm.web.cern.ch/microcosm/RF_cavity/ex.html
Aparecerá na tela do computador uma partícula carregada e uma região com uma diferença de potencial.
Com um alternador, você terá que ir modificando os pólos para que a diferença de potencial (ddp) faça que a
partículas seja sempre acelerada.
Assim que você conseguir atingir a energia desejada, a simulação termina.
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NUPIC/LAPEF
Aula 23
Tema: César Lattes e os mesóns Pi.
Objetivo: Destacar a importância do físico brasileiro no cenário internacional, através da contribuição
na detecção dos píons previsto pelo modelo de Hideki Yukawa, apresentando inclusive detalhes da
parte técnica de seu trabalho. Levantar a questão da divulgação científica no país.
Conteúdo Físico: Método de detecção de raios cósmicos.


Aula expositiva.
Texto de apoio: “César Lattes e o méson Pi”.
Motivação: Conhecer a contribuição e a importância de um cientista nacional para o desenvolvimento
da física.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Colocar a questão: “Vocês conhecem algum físico que fez contribuições para a Física de Partículas?”
Iniciar a discussão com os alunos, procurando ressaltar a contribuição dos brasileiros à Física.
Tempo:  15 min
Leitura e resposta as questões do texto: “César Lattes e méson pi”.
Tempo:  20 min
Discussão das questões propostas no texto.
Tempo:  15 min
Sugestão: O professor pode aproveitar o momento e pedir aos alunos um trabalho extra sobre a vida e trabalho de
César Lattes e até mesmo sobre outros cientistas brasileiros.
Caso seja possível, mostre alguns recortes de jornal da época da descoberta do méson pi por Lattes.
Dinâmica da aula
Durante a leitura destacar a importância de César Lattes e seu trabalho e a questão da divulgação científica no país.
Durante a discussão dos exercícios, destacar essa questão e ouvir as opiniões deles.
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NUPIC/LAPEF
Aula 24
Tema: O modelo de quarks.
Objetivo: Mostrar que a algumas partículas são formadas por partículas ainda menores, compreender
também a hipótese de uma nova carga (carga cor). Evolução de modelos com a apresentação do
modelo de quarks.
Conteúdo Físico: Modelo de quarks.


Roteiro da atividade 7:
Conjunto de figuras com formas e cores diferentes representando as partículas.
Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. A tentativa de
compreender de que são formados os prótons e nêutrons.
1º Momento
Discutir com os alunos a suspeita de haver uma quantidade menor de partículas no meio de tanta diversidade
delas (centenas delas).
Discutir o significado da palavra Elementar
2º Momento
Momentos
Iniciar a atividade 7 (1ªparte): Entendendo a estrutura das partículas. Faça um fechamento dessa parte.
Inicie a 2ª parte da atividade 7.
Tempo:  20 min
Tempo:  30 min
Sugestão: Para explicação do princípio da exclusão de Pauli, o professor pode levar uma apresentação pronta em
slides ou anotar na lousa enquanto eles realizam a 1ª parte da atividade, para aproveitar melhor o tempo.
Se a discussão e a realização da atividade for mais demorada que o previsto o professor deve terminá-la
efetivamente na próxima aula.
Para discutir o significado da palavra elementar seria interessante buscá-la em um dicionário.
Dinâmica da aula
Inicie a aula comenta sobre a grande diversidade de partículas que se tem (se possível mostre um quadro com as
partículas já mostradas) e com desenvolvimento dos aceleradores, um número maior de partículas foram
detectadas, tendo partículas com características parecidas com o próton e o nêutron. Assim houve a suspeita que a
natureza seria mais simples.
Separe os alunos em grupo e proponha a 1ª parte e, em seguida a 2ª parte da atividade 7, mas antes explique o
princípio da exclusão de Pauli. Leia atentamente o roteiro com os alunos, utilizando um exemplo. Em seguida faça
o fechamento e a sistematização da atividade.
71
NUPIC/LAPEF
Aula 25
Objetivo: Relacionar a atividade com o texto de apoio “Os constituintes do nucleons: o modelo de
quarks”. Entender a proposta do novo modelo, com as novas partículas que constituem os prótons e
nêutrons e suas interações assim como a hipótese da carga cor.
Conteúdo Físico: Modelo de quarks.



Roteiro da atividade 7.
Conjunto de figuras com formas e cores diferentes representando as partículas.
Aula expositiva.
Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. De forma organizada
e mais sistematizada conhecer a nova família de partículas que compõem os materiais e suas
interações.
1º Momento
Discussão e sistematização da atividade, focando na necessidade de um novo número quântico para não
violar o princípio da exclusão de Pauli – a carga cor.
2º Momento
Propor a 3ª parte da atividade 7.
3º Momento
Momentos
Discussão e sistematização da 3ª parte da atividade
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Tempo:  20 min
Sugestão: Ao violar o princípio da exclusão de Pauli, deixe que os alunos elaborem as suas hipóteses para salvar o
princípio da exclusão. Depois dessa discussão faça a proposta da carga cor.
Frise bem que a carga cor não tem haver com a cor do espectro de luz, é somente uma denominação para um novo
número quântico.
Dinâmica da aula
Retome a discussão da aula anterior mostrando que o princípio da exclusão de Pauli está sendo violado e deixe que
eles elaborem as suas hipóteses. Depois de um tempo de discussão proponha a carga cor. Em seguida proponha a 3ª
parte da atividade 7. Faça a discussão da atividade com uma sistematização.
72
NUPIC/LAPEF
Fotos:
73
NUPIC/LAPEF
Atividade 8 - Entendendo a estrutura das partículas
Já se sabe que os prótons e os nêutrons são constituintes do núcleo (núcleons) e eles se mantêm unidos,
devido à força forte, que é descrita com a troca de píons (). Essa evidência levou a questionar o caráter elementar
dos prótons e dos nêutrons, ou seja, que estes seriam constituídos de partes.
Nessa atividade você receberá um conjunto de figuras que têm formas e cores distintas, que representam
partículas e tentará construir um modelo para os constituintes do próton e do nêutron, onde:
- figuras de mesma forma geométrica devem ter as mesmas propriedades
- figuras de formas diferentes devem ter pelo menos uma propriedade diferente
Material:
12 quadrados de papel (3 brancos, 3 verdes, 3 azuis e 3 vermelhos)
12 triângulos de papel (3 brancos, 3 verdes, 3 azuis e 3 vermelhos)
1ª Parte:
Procedimento: Monte a tabela a seguir, atribuindo valores de spin e carga para o quadrado e o triângulo branco.
Para o spin devem ser usados valores fracionários quaisquer, que podem ser positivos ou negativos. Para as cargas
devem ser usados valores inteiros quaisquer, que podem ser positivo, negativo ou nulo.
Mas atenção:
- os valores “chutados” devem ser escolhidos de forma que a soma algébrica dos spins e das cargas deles (quadrado
+ quadrado ou quadrado + triângulo ou triângulo + triângulo) formem um “próton” com carga +1 e spin ½. Caso
não consiga, apague e chute outros valores até conseguir.
No quadro abaixo coloque os valores que “deram certo”:
Spin
Carga
+
= partícula com spin___ e carga___
OU
+
OU
+
Com esses valores você consegue formar um “nêutron” com carga nula e spin ½?
Caso não seja possível, modifique os valores para que possa formar tanto o “próton” quanto o “nêutron”,
com duas figuras cada um.
Coloque sua resposta aqui:
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
As duas figuras que constituem o próton e o nêutron no seu modelo têm a mesma forma geométrica?
74
NUPIC/LAPEF
2ª parte:
Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras.
Utilizando as figuras, procure estabelecer um modelo (como uma lei ou regra) para a formação de próton (carga:
+1, spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores 1, 1/2, 0, - ½, -1 e para carga valores
fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3.
Sugestão de regra: os spins e as cargas devem ser somadas algebricamente
No quadro abaixo coloque os valores que “deram certo”:
Spin
Carga
+
+
+
+
+
OU
+
OU
+
OU
+
3ª parte:
Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras todas brancas.
+1*, spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores ±1, ±1/2, 0 e para carga os valores
fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3.
Sugestão de regra: as cargas devem ser somadas algebricamente e os spins devem ser somados segundo regras
específicas para soma de spins.
Exemplo1: Se S1= ±1/2 e S2 = ±1/2, então S1+ S2 pode assumir os valores +1, 0 ou -1
Exemplo2: Se S1= S2= S3= ±1/2, então S1+ S2 + S3 pode assumir os valores +3/2, +1/2, -1/2, -3/2
Coloque aqui a sua resposta
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
Observação:
Lembrando que o princípio de exclusão de Pauli estabelece que duas partículas não possam ocupar o mesmo
estado quântico, responda:
Os constituintes (as três figuras) obedecem ao princípio da exclusão de Pauli?
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NUPIC/LAPEF
4ª parte:
Repita todos os passos, agora, utilizando três figuras,cada uma com cor diferente.
+1*, spin: ½) e nêutron (carga 0, spin ½). Para o spin podem ser usados valores ±1, ±1/2, 0 e para carga os valores
fracionários: +2/3, + 1/3, - 1/3 e -2/3.
Sugestão de regra: as cargas devem ser somadas algebricamente e os spins deve ser somadas segundo regras
específicas para soma de spins.
Exemplo: Se S1= ±1/2 e S2 = ±1/2, então S1+ S2 pode assumir os valores +1, 0 ou -1
Coloque aqui a sua resposta
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________
Com a inclusão das cores pode-se concluir que o modelo satisfaz o Princípio de Pauli? Justifique.
Observação: notem que a soma das três cores dá a cor branca
76
NUPIC/LAPEF
Aula 26
Objetivo: Consolidar as idéias sobre os quarks e sobre a carga cor, apresentadas nas aulas anteriores.
Conteúdo Físico: O modelo de quarks, interação entre os quarks através dos glúons.


Texto de apoio: “Os constituintes do nucleons: o modelo de quarks”
Aula expositiva.
Motivação: Conhecer mais ainda o interior da matéria e suas estruturas básicas. De forma organizada
e mais sistematizada conhecer a nova família de partículas que compõem os materiais e suas
interações.
2º Momento
1º Momento
Momentos
Leitura e resposta das questões do texto; “Os constituintes dos núcleons: o modelo dos quarks”.
Tempo:  25 min
Correção e sistematização das questões
Tempo:  25 min
Sugestão: Tente fazer um esquema do modelo dos quarks e da troca de glúons na lousa.
Caso haja tempo sobrando, o professor pode acessar o site: www.pbs.org/wgbh/aso/tryit/atom, onde tem uma
simulação da formação de partículas e de alguns átomos.
Peça aos alunos para a próxima aula que tragam as dúvidas sobre os conceitos estudos durante o bloco III.
Dinâmica da aula
Entregar o texto para a leitura e respostas das questões (faça com que os alunos sentem em grupo para discutir as
questões). Em seguida faça a correção das questões, buscando fazer uma sistematização do modelo dos quarks e a
troca de glúons entre eles.
77
NUPIC/LAPEF
Aula 27
Tema: Estabilidade do núcleo, modelo de Yukawa e a troca de píons, Força Forte, radiação ,
aceleradores de partículas, César Lattes, o modelo dos quarks e a troca de glúons.
Objetivo: Sistematização geral sobre os conceitos do bloco.
Conteúdo Físico
Força forte, interação através de píons, a radiação α , aceleradores de partículas, modelo de quarks, carga-cor e
interação através de glúons.


Slides.
Aula expositiva.
Motivação: panorama geral sobre a nova estrutura da matéria.
1º Momento
Sistematização geral dos conceitos do bloco.
2º Momento
Momentos
Discussão com os alunos sobre as dúvidas sobre o bloco.
Tempo:  30 min
Tempo:  20 min
Sugestão: Para fazer a sistematização, o professor poderá fazer uma apresentação em PowerPoint, resumindo os
principais aspectos de cada conceito estudo no bloco III. Se não for possível, tente fazer um esquema na lousa.
Na aula anterior, o professor pode pedir aos alunos que anotem as dúvidas sobre o conteúdo do bloco III para fazer
uma discussão sobre essas dúvidas durante essa aula.
Considere essa aula uma revisão para avaliação.
Dinâmica da aula
Durante a sistematização das idéias o professor deve destacar os principais pontos de cada conceito. Isso pode ser
feito em PowerPoint ou em um esquema na lousa, reforçando os pontos trabalhados durante as aulas.
Em seguida peça aos alunos exporem suas dúvidas, talvez o esquema da lousa ou do PowerPoint possa ajudar a
tirar as dúvidas dos alunos.
78
NUPIC/LAPEF
Aula 28
Tema: Estabilidade do núcleo, modelo de Yukawa e a troca de píons, Força Forte, radiação ,
aceleradores de partículas, César Lattes, o modelo dos quarks e a troca de glúons.
Objetivo: Verificação de aprendizagem
1º Momento
Momentos
Avaliação sobre os assuntos do Bloco III
Tempo:  50 min
Dinâmica da aula
Realização da avaliação.
79
NUPIC/LAPEF
QUESTÕES SOBRE O BLOCO III
1) (Uerj 2000) Prótons e nêutrons são constituídos de partículas chamadas quarks: os quarks u e d. O próton é formado de 2
quarks do tipo u e 1 quark do tipo d, enquanto o nêutron é formado de 2 quarks do tipo d e 1 do tipo u. Se a carga elétrica do
próton é igual a 1 unidade de carga e a do nêutron igual a zero, as cargas de u e d valem, respectivamente:
a) 2/3 e 1/3
b) -2/3 e 1/3
c) -2/3 e -1/3
d) 2/3 e -1/3
2) (Unesp 91) Em 1990 transcorreu o cinqüentenário da descoberta dos "chuveiros penetrantes" nos raios cósmicos, uma
contribuição da física brasileira que alcançou repercussão internacional. [O Estado de São Paulo, 21/10/90, p.30]. No estudo
dos raios cósmicos são observadas partículas chamadas "píons". Considere um píon com carga elétrica +e se desintegrando
(isto é, se dividindo) em duas outras partículas: um "múon" com carga elétrica +e e um "neutrino". De acordo com o princípio
da conservação da carga, o "neutrino" deverá ter carga elétrica:
a) +e
b) –e
c) +2e
d) -2e
e) nula
3) (Unesp 96) De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são mais considerados partículas elementares.
Eles seriam formados de três partículas ainda menores, os quarks. Admite-se a existência de 12 quarks na natureza, mas só dois
tipos formam os prótons e nêutrons, o quark up(u), de carga elétrica positiva, igual a 2/3 do valor da carga do elétron, e o quark
down (d), de carga elétrica negativa, igual a 1/3 do valor da carga do elétron. A partir dessas informações, assinale a alternativa
que apresenta corretamente a composição do próton e do nêutron.
(I) Próton.
(II) Nêutron
a) (I) d, d, d, (II) u, u, u
b) (I) d, d, u, (II) u, u, d
c) (I) d, u, u, (II) u, d, d
d) (I) u, u, u, (II) d, d, d
e) (I) d, d, d, (II) d, d, d
80
NUPIC/LAPEF
A solução de um problema: a descoberta de nêutron
A experiência de Rutherford havia mostrado que os núcleos atômicos não eram maciços e sim
constituído por partes (prótons), descrevendo um novo modelo atômico. Mas ao ser determinado isso,
uma questão foi levantada, ficando sem resposta. Além dos prótons, existiriam elétrons também no
núcleo? Muitos pensavam que sim.
A idéia da existência de elétrons no núcleo era muito bem elaborada. Sabia-se que a radiação β tem
carga negativa, ou seja, que são elétrons emitidos por núcleos radioativos.
Além disso, para que a relação carga-massa fosse correta para o núcleo, necessitaria de uma carga
negativa nele. Isso porque o valor da massa do núcleo era aproximadamente igual ao dobro do valor da
sua carga. Então para o núcleo de Nitrogênio, por exemplo, sendo sua carga (número atômico) igual a 7,
sua massa atômica deve ser 14. Essa relação já havia sido constatada e como a massa do elétron é, cerca
de 2000 vezes menor do que a do próton, desta forma, sua massa, praticamente não afetaria a massa do
núcleo. Então, era razoável pensar que existissem elétrons no núcleo Sendo isso, um outro bom
argumento favorável à existência de elétrons no núcleo. O núcleo de Nitrogênio teria então 14 prótons e 7
elétrons, com mais 7 elétrons em sua volta. Portanto no núcleo teríamos 21 partículas.
Assim, a imagem de átomo que se tinha era que existiam números iguais de elétrons e prótons, para
garantir a neutralidade do átomo. Sendo que estes últimos estariam concentrados no núcleo com a metade
dos números de elétrons juntos a eles que garantiria a estabilidade do núcleo. A outra metade dos elétrons,
estariam em movimento em torno do núcleo, como previa Bohr.
Então era plausível pensar que no núcleo existem elétrons! Mas como essa idéia foi por água
abaixo?
Outras medidas mostraram que esse modelo não era consistente. Como os prótons e elétrons têm
momento angular (spin) fracionário (1/2), era de se esperar que núcleos como do Nitrogênio (N) também
tivesse esse valor semi-inteiro, mas as medidas mostravam que não. Os núcleos tinham momento angular
inteiro. Ora, se o novo modelo do núcleo supunha que existiam elétrons que correspondiam a metade do
número de prótons (por isso o núcleo é positivo e a massa dele é o dobro do número dos prótons), como
explicar essa diferença do modelo pra as medidas?
Essas questões levaram a Rutherford a suspeitar que no núcleo não existiam elétrons mas sim, uma
outra partícula que teria massa igual ao próton, mas sem carga elétrica e supunha ser um estado
fortemente ligado de um próton com um elétron.
Nessa época, muitas experiências eram feitas bombardeando radiação  em alvos, com o intuito de
investigar as reações nucleares. Em uma dessas, Walther Bothe (1891-1957) e Herbert Becker (18871955), dois físicos alemães, bombardearam radiação α sobre numa amostra de Berílio (Be) e perceberam
que era produzido uma radiação com grande poder de penetração na matéria. Eles acharam que poderia se
tratar de raios X mais energéticos.
Mas, Frederic Joliot Curie (1900-1958) e Irène Curie
(1897-1956), observaram dois fenômenos surpreendentes. Essa
radiação atravessava facilmente folhas metálicas (algo que não
ocorria com os raios X) e, ao atravessar um bloco composto de
Carbono e Hidrogênio (parafina), ela provocava a ejeção de
prótons com uma energia razoável. Achavam que se tratava de
um novo tipo de radiação.
Entretanto, eles não tiveram a inspiração para uma
conclusão sobre uma nova partícula. Isso foi feito em 1932 por
James Chadwick (1891-1974), um físico inglês que trabalhava
com Rutherford e se interessava por questões do núcleo.
Conhecedor das idéias de Rutherford, Chadwick percebeu que essa nova radiação constituía, ou
melhor, tinha fortes indícios de ser a partícula procurada por seu colega, pois ela deveria ter carga nula,
por atravessar facilmente as folhas de metais, indicando que não interagia. Também teria massa elevada e
assim energia suficiente para arrancar os núcleos de hidrogênio (prótons) do bloco de parafina, que como
se sabe é rica em Hidrogênio. Os prótons foram identificados usando uma câmara de nuvens, também
conhecida como câmara de Wilson. As energias dos prótons foram determinadas através dos seus
81
NUPIC/LAPEF
alcances em diferentes gases introduzidos na câmara. Com base em massas dos átomos dos gases, já
determinados anteriormente, Chadwick conclui que ser, de fato, uma partícula de carga nula e massa
próxima ao do próton. Estava assim descoberto o NÊUTRON, o mais novo constituinte da matéria.
Mais uma vez a física passava por uma nova revolução e a natureza era vista de outra maneira.
Agora, o átomo que há menos de 40 anos era algo indivisível, passava a ser constituído por três
partículas: elétron, próton e nêutron.
Assim, o Nitrogênio passou a ser constituído por 7 prótons e 7 nêutrons no núcleo, portanto 14
partículas, e com 7 elétrons girando ao redor. Como prótons e nêutrons têm spin ½ , o núcleo pode ter
spin inteiro de acordo com as observações experimentais.
Também estava desvendada a constituição da radiação , que já se sabia ser o núcleo do átomo de
He, passava a ser composto por dois prótons e dois nêutrons e, compreendendo ainda melhor a
transmutação dos elementos. Porem, ainda não se sabia porque somente algumas substâncias irradiavam
naturalmente.
232
Th  228Ra + 
Estava resolvida mais uma questão. No entanto, algo ainda não estava soando bem. Com a descoberta do
nêutron, a estabilidade do núcleo estava comprometida já que a teoria eletromagnética descreve que partículas de
mesmo sinal de carga elétrica devem se repelir. Então ficava a questão no ar: como o núcleo constituído de
prótons (positivos) e nêutrons (sem carga) poderiam ser estáveis?
Questão:
1)
devem ser emitidas em cada caso:
Th 216
82 X
a)
232
90
b)
244
94
Pu  208
76Y
82
NUPIC/LAPEF
Entendendo a estabilidade do núcleo: a força Forte
A descoberta que o núcleo atômico era constituído de prótons e nêutrons, colocou em cheque a sua
estabilidade, pois prótons repelem um ao outro por terem cargas positivas. Para contornar essa
dificuldade, os físicos, o russo Dimitri Iwanenko, o alemão Werner Heisenberg (1901-1976) e o italiano
Ettore Majorana (1906-1938) propuseram, independentemente, ainda em 1932, a hipótese de que os
prótons e os nêutrons, como componentes do núcleo, se
comportavam como partículas únicas – nucleons, que interagiam
por intermédio de uma força atrativa capaz de superar a força
repulsiva eletromagnética entre os prótons.
Mas, foi em 1935, que o japonês Hideki Yukawa (19071981) propôs a idéia de que a força nuclear (depois conhecida
como força forte) entre os nucleons era decorrente da troca de
partículas entre si. Baseado no principio da incerteza, ele previu
que essa partícula teria uma massa, aproximadamente, 200 vezes
maior do que o elétron (uma massa entre o próton e o elétron e,
por esse motivo ficou conhecida inicialmente por mesótron1) e, Os núcleons partículas que constituem o
núcleo atômico
seu raio de ação seria da ordem de 10-15 m (1 fm), restrigindo-se
assim ao núcleo. Desta forma, explicava porque não se observava essa interação fora do núcleo.
Feito isso, Yukawa pôde determinar o tempo da interação. Sabendo que as partículas subatômicas
se deslocam na velocidade próxima a da luz (c), chegou ao valor de 10-23 s para ela.
Mas, somente em 1947 que a partícula proposta por Yukawa foi detectada. Essa detecção envolveu
um grupo de físicos, dentre os quais estava o brasileiro César Lattes (1924-2005). Nessa ocasião, a
partícula foi denominada de méson pi ou píon ().
Nessa interação é importante notar que a troca desses
píons faz com que um próton que emite um + (píon mais)
transforma-se em um nêutron, e o nêutron que emite um (píon menos) transforma-se em próton. Os nêutrons podem
trocar píons entre si, o mesmo ocorrendo entre os prótons,
nesse caso a partícula tem carga nula 0 (píon zero). Vemos
então que temos três versões para essa nova partícula (+, , 0).
Existe uma pequena diferença da massa dos píons que
pode estar relacionado com a carga, + (140 Mev/c2); (140 Mev/c2) e 0 (135 Mev/c2).
MeV/c2 é uma forma de representar a massa de uma
partícula, baseada na relação E = mc2 de Einstein, onde c é a
velocidade da luz.
Algo que deve ser enfatizado na interação forte é que,
apesar do próton e do nêutron trocarem, em alguns casos,
píons carregados, sempre será válida a conservação das
cargas elétricas.
Estava assim, consolidada a interação forte!
Desta forma, com a força forte, a questão levantada na
época do descobrimento da radiação α pode agora ser
Representação da troca de píons entre as partículas
entendida.
do núcleo, que chamamos de núcleons
Entretanto, essa nova troca de partículas, trouxe consigo duas novas questões. A primeira abalava o
status de elementar do próton e do nêutron, pois como eles trocavam partículas e se modificavam, parecia
que eles eram constituídos de mais de um objeto. A segunda estava ligada a fonte dos píons. A troca de
píons está ligada a qual propriedade das partículas?
83
Partícula
Píon mais (+)
Píon zero (0)
Píon menos (-)
NUPIC/LAPEF
Carga elétrica
(e)
+1
0
-1
Spin (  )
1
1
1
Massa de repouso
(MeV/c2)
140
135
140
Questões
1) Um par de prótons de um núcleo atômico se repelem, mas também se atraem. Explique isso.
2) É razoável pensar, que em um intervalo de tempo muito pequeno existam somente prótons ou
somente nêutrons dentro do núcleo? Explique sua resposta.
3) Transcreva a transformação de um nêutron em um próton através de uma equação. Como fica a
do próton com próton e do nêutron com nêutron?
84
NUPIC/LAPEF
Entendendo a radiação 
Já se sabia que alguns núcleos radioativos têm a propriedade de emitirem, espontaneamente,
radiação  e, essa radiação  é na verdade o núcleo ionizado do Hélio (He++), ou seja, é constituída de
dois prótons e dois nêutrons. O que ainda não se compreendia era porque alguns núcleos são radioativos e
outros não.
A resposta a essa questão pôde ser elaborada depois do desenvolvimento da teoria da força forte.
Mas como foi isso?
Pode-se notar que os elementos que possuem número de prótons superior a 82 (Z83) são
teoricamente instáveis em relação a radiação  (decaimento ).
Isso está relacionado à força forte e a força elétrica de repulsão. Quando temos núcleos com um
número elevado de prótons (maior do que 83) o raio atômico cresce e a repulsão começa a superar a força
forte, pois essa última, por ter um pequeno raio de atuação, começa a atuar somente entre os vizinhos
mais próximos. Desta forma, o núcleo torna-se instável.
Para buscar a sua estabilidade, ele emite continuadamente, radiação , ou seja, ele perde prótons e
nêutrons até chegar no núcleo estável, que é o caso do chumbo - Pb (Z =82).
Contudo, para que a emissão seja efetiva, a partícula alfa precisa vencer a barreira de coulombiana
criada pelo núcleo residual, o que é traduzido na linguagem quântica, por certa probabilidade de
“tunelamento” através da barreira de potencial.
V(r)
E ()
R
-V0
r
A figura mostra o potencial de um núcleo de raio R,
chamado de barreira coulombiana. Nela, vemos que a
partícula alfa () não tem energia suficiente para
atravessar a barreira. No entanto, graças ao efeito túnel, a
alfa terá uma probabilidade de atravessar essa barreira, o
que ocorrerá em determinado tempo t.
Um detalhe a ser destacado aqui é: quanto maior for
a energia da partícula alfa, maior será a probabilidade dela
atravessar a barreira, uma vez que a barreira se tornará
mais estreita.
O quadro ao lado indica as energias de ligação de algumas
nêutron
-7,26 MeV
partículas, para o estado ligado do elemento 232U92. O valor negativo
próton
-6,12 MeV
indica que é necessário fornecer uma quantidade de energia para que
deuteron
-10,70 MeV
essas partículas possam ser emitida pelo núcleo, tendo uma
+5,41 MeV

possibilidade muito remota de atravessar a barreira de potencial, pois
se encontra em uma região que a barreira de potencial é muito larga. Já no caso da a (He++), essa energia é
positiva, estando em uma região onde a barreira de potencial é estreita, dando a ela uma probabilidade
maior de ser emitida.
Um ponto interessante, que veremos ao longo do curso é que nem sempre a soma das massas das
partes é igual a massa do todo. Vejamos o exemplo do deuteron (2H1).
M = M(2H1) - mp - mn
M = 1875,613 - 938,272 - 939,533
M = -2,192 MeV
Essa diferença é devido a relação entre energia-massa (E = mc2), parte da energia é necessária para
manter o próton e o nêutron ligados. Agora se quiser separar os dois, é necessário suprir uma energia que
deve ser igual a essa diferença (-2,192 MeV).
No caso do deuteron, a diferença de energia é utilizada para ligar o próton e o nêutron para formar o
núcleo.
85
NUPIC/LAPEF
Essa diferença na massa, também fornece a idéia se o núcleo é estável ou não.
Se M  0, o núcleo é INSTÁVEL e tem a probabilidade de decai em outro núcleo através de
tunelamento.
Se M  0, o núcleo é ESTÁVEL.
Teoricamente, essa é a explicação da instabilidade do núcleo em relação a radiação  através da
massa. Todo núcleo original (denominado núcleo mãe) que tem massa maior do que a soma do núcleo
filho e a partícula 
ra
de potencial.
Como exemplo, podemos ver o caso do Thório 232 .
232
mTh = 232,038051 u
mRa = 228,031064 u
m = 4,002602 u
Th  228Ra + 
mTh  mRa + m
232,038051 u  232,033666 u
 M = 0,004385 u
u = 931,494 MeV/c2
Assim, a energia de repouso do 232Th é maior do que a soma das energias do 228Ra e da partícula ,
significando que o thório é instável, tendo uma possibilidade grande de emitir uma radiação . Essa
diferença na massa significa que ele tem energia sobrando e que, essa energia serve para emitir
espontaneamente uma .
Analisemos também o caso do núcleo de Urânio 238. Ele desintegra-se por emissão de uma
partícula alfa, dando como produto o núcleo do Tório. Diz-se, então, que o núcleo do Urânio é radioativo
com respeito à emissão alfa.
238
92
4
U234
Th
90
2 He
A radioatividade do Urânio é em parte possível porque a massa do Urânio é maior do que a soma
das massas do Tório e da partícula alfa, ou seja, o balanço massa-energia é favorável para ocorrer a
desintegração.

Questão
1) É possível o Rádio 224 emitir uma partícula e se transformar no Radônio 220?
m 224Ra  224,020187u ; m 220Rn  220,011369u
86
NUPIC/LAPEF
Aceleradores de partículas*
Vamos analisar agora o lado experimental das coisas e discutir algum dos equipamentos utilizado
em física das partículas.
A fim de atingir as altas energias necessárias em física de partículas, as experiências são realizadas
num dos grandes aceleradores, embora algum trabalho seja ainda feito com radiação cósmica. Os
aceleradores são muito convenientes porque fornecem feixes intensos de partículas, que podem ser
rapidamente escolhidos e controlados pelo experimentador. A sua única limitação é a energia máxima da
máquina. Têm sido construídos aceleradores que permitem obter partículas cujas energias já atingem
ordem de TeV (1012 eV).
A radiação cósmica fornece um feixe de partículas proveniente do exterior da Terra, embora este
feixe tenha as desvantagens de não estar sob controle do experimentador e de ser de intensidade muito
menor do que os feixes produzidos por um acelerador. Contudo, a experiência com radiação cósmica tem
uma grande vantagem para certos fins: algumas das partículas da radiação cósmica tem energias muito
superiores às disponíveis em qualquer acelerador.
Como o custo de um acelerador e da ordem de dezenas ou mesmo de centenas de milhões de
dólares, o número de máquinas disponíveis e tanto menor, quanto maior é a energia e dimensão das
mesmas. Assim, os cientistas de todas as partes do mundo agrupam-se nos Centros de energias mais
elevadas para realizar as suas experiências. Basicamente, eles estão divididos em dois grupos, uns
aceleram prótons e outros elétrons. Há algumas diferenças essenciais entre máquinas nos dois grupos,
mas para os nossos fins a diferença importante e no que diz respeito à espécie de partículas que
produzem. Os aceleradores de elétrons são geralmente usados como fontes de elétrons ou de feixes de
fótons, enquanto os aceleradores de prótons são usados para produzir feixes de prótons, mésons, ou
antiprótons, entre outros.
Vamos discutir um pouco o funcionamento de um acelerador de prótons. Embora os aceleradores de
elétrons sejam semelhantes em princípio, muitos deles são construídos com configuração mais linear que
circular. Basicamente, eles consistem num tubo longo, oco, encurvado na forma de um anel de
aproximadamente 60 m de diâmetro. O feixe de prótons percorre o tubo, mantido numa órbita circular por
um campo magnético fornecido por oito grandes ímãs colocados ao longo da circunferência do anel. Em
cada volta, os prótons passam através de três cavidades aceleradoras com uma queda de tensão de 20000
volts em cada, de modo que um próton ganha uma energia de 60.000 elétron-volt em cada volta no anel.
É claro que à medida que a velocidade do próton aumenta, o campo magnético é também aumentado a
fim de manter o feixe no mesmo círculo.
Os prótons são obtidos ionizando hidrogênio numa descarga elétrica, muito mais que numa lâmpada
de néon. Então são acelerados a 50 MeV num acelerador linear (linac), que consiste em 124 aceleradores
eletrostáticos em linha. Em cada 4 segundos um ímã é pulsado a fim de guiar um feixe de prótons desde a
extremidade do linac através de uma janela de metal fina, para o anel principal, onde permanecem durante
cerca de 200.000 (duzentas mil) revoluções, até atingirem a energia completa. Isto leva cerca de 0,2
segundos, durante os quais percorrem 56000 Km – maior que a distância à volta do Mundo! Nesta altura
há cerca de 1012 prótons, cada um com a energia de 12,5 GeV, no feixe que circula no interior do
acelerador.
87
NUPIC/LAPEF
César Lattes e o méson pi
Uma das partículas que interagem entre prótons e nêutrons no interior do núcleo atômico chama-se
méson  ou píon. Ela foi proposta teoricamente pelo físico japonês H. Yukawa em 1937 sendo detectada
somente em 1947, ou seja, dez anos após sua especulação. O físico brasileiro Cesar Lattes foi um dos
principais envolvidos na detecção dessa partícula. Tal fato foi um dos motivos que proporcionou um
grande e rápido desenvolvimento para a Física e para as Ciências no Brasil na época.
Dentre seus trabalhos realizados, dois se destacaram tanto pela importância para a Física de
Partículas da época quanto pela repercussão: a participação na descoberta do píons através dos raios
cósmicos, em colaboração com G. Occhialini e C.F. Powell (ganhador do prêmio Nobel em 1950) na
Universidade de Bristol, Inglaterra e em 1948, na detecção do méson pi utilizando um acelerador de
partícula construído em Berkeley, Estados Unidos.
Antes de passarmos diretamente para os trabalhos realizados por Lattes, vamos buscar entender um
pouco o método que ele trabalhava.
As emulsões nucleares nos raios cósmicos
A emulsão fotográfica comum é um instrumento de registro contínuo, podendo guardar nas imagens
latentes (antes de serem reveladas), todos os eventos que a sensibilizaram a partir do momento em que é
exposta à radiação cósmica. O problema é de tornar um filme fotográfico comum sensível à trajetória de
uma partícula ionizante. Para isso, é necessário aumentar a quantidade de sais de prata no filme a ser
revelado. É a precipitação da prata metálica induzida pela luz que torna visível a imagem dos objetos
fotografados. Esse problema foi sendo progressivamente resolvido até que em 1946 os físicos já
dispunham de um instrumento sensível aos traços de partículas carregadas.
A descoberta em Bristol
Lattes foi levado a Bristol por Occhialini com quem já havia colaborado na USP construindo
câmaras de detecção de partículas. Occhialini trabalhava com Powell (Nobel em 1950 pela descoberta do
méson pi) em Bristol. O laboratório estava recrutando alunos mas devido ao incentivo do governo inglês
no esforço de guerra, os jovens cientistas ingleses não se interessaram em participar de trabalhos dessa
natureza. Assim, Occhialini sugeriu a C. Powell que recrutasse o brasileiro.
A “sacada” de C. Lattes foi exatamente em identificar esse composto
(tetraborato de sódio - bórax) que, misturado às emulsões, tornavam capazes de
alongar em muito tempo a retenção das imagens. Isso viabilizava as exposições
de longa duração necessárias para a detecção de partículas nos raios cósmicos.
Após exposição frustrada das chapas nos Pirineus, a 2.800m de altitude, por
Occhialini, Lattes expôs as chapas no Monte Chacaltaya nos Andes Bolivianos
(5500m de altitude por ter menos ar na atmosfera) possibilitando detectar nos
rastros deixados nas emulsões o méson pi. A radiação cósmica consiste
basicamente de fragmentos microscópicos de corpos celestes (sol, explosões de
estrelas, etc) eletricamente carregados que possuem alta energia. Como conseqüência, surge íons de
diversos átomos que penetram na atmosfera terrestre.
88
NUPIC/LAPEF
A descoberta em Berkeley
Os trabalhos feitos em Bristol com raios cósmicos não mostraram conclusivamente que o méson 
fosse uma partícula nuclearmente ativa. A demonstração experimental, que essa partícula não tinha forte
interação com a matéria nuclear, foi observada quando E. Gardner e C. Lattes aceleraram partículas alfa
de 380MeV através de um sincrociclotron da Universidade da Califórnia em 1948. Foi usado um alvo de
carbono e as partículas alfa de 380 MeV ao incidirem sobre os prótons e nêutrons do átomo de carbono,
produziram os mésons , registrando sua trajetória em emulsões nucleares colocadas no interior do
equipamento. Por mais de um ano, os físicos de Berkeley não haviam conseguido detectar os mésons por
desconhecimento do método apropriado de utilização das emulsões nucleares e porque procuravam uma
partícula mais leve que os mésons. Os mésons não existem normalmente no interior dos núcleos, eles são
criados e emitidos durante colisões de projéteis externos com prótons e nêutrons dos núcleos. No
momento de sua descoberta foram tidos como os únicos agentes das forças nucleares.
Dessa forma C. Lattes e o méson pi foram considerados pela opinião pública brasileira como um
símbolo de esperanças coletivas, uma vez que a Física em meados do século passado estava associada à
idéia de progresso e se traduzia, nos países atrasados, como aliada na luta contra o subdesenvolvimento.
Questões:
1) De acordo com o texto, qual foi o principal papel do brasileiro César Lattes na detecção dos
mésons? O que você acha que tal descoberta representou para a Ciência e para a Física brasileira da
época?
2) Você já tinha ouvido falar em algum trabalho de um físico brasileiro? Em caso positivo, qual?
3) Acha que seria interessante trabalhar alguns dos conteúdos de Física Moderna e Contemporânea no
ensino médio sob a perspectiva de trabalhos realizados com a participação de cientistas brasileiros? Por
que? Justifique.
4) Você provavelmente nunca tinha ouvido falar em algum trabalho de um físico brasileiro,
principalmente pelos livros. Por que acha que isso acontece? Justifique sua resposta!
5) Para você Ciência ou Física interessante e “legal” é aquela divulgada na mídia e geralmente feita
por países ricos ou também gostaria de saber mais respeito da Ciência desenvolvida no Brasil? Ainda que
não seja considerada de ponta e tão divulgada!
6) Sincera e honestamente, você acha importante conhecer a História da Ciência desenvolvida com
participação do Brasil? Por que? O que isso poderia te acrescentar na sua formação como professor?
Justifique suas respostas!
89
NUPIC/LAPEF
Os constituintes do núcleons: o modelo de quarks
A proposta, na década de 30, da força forte entre os nucleons (prótons e nêutrons) por Yukawa foi
confirmado na década de 40, pela detecção do píon (), a partícula mediadora dessa nova força, por um
grupo de pesquisadores no qual o brasileiro César Lattes fazia parte. Assim o caráter elementar do próton
e do nêutron começou a ser colocado em dúvida.
Mas não era somente esta questão que abalava a estrutura elementar do próton e do nêutron. Com o
desenvolvimento dos aceleradores, novas partículas com propriedades bem parecidas com as do próton e
nêutron, foram sendo produzidas.
Partículas como o sigma mais (+), que
Carga
Massa
Partícula
Spin
tem a mesma carga e spin do próton, porém
elétrica
MeV/c2
mais pesado (1189 Mev/c2); lambda zero (0)
+1
3/2
1189
Sigma mais (+)
com carga nula e spin ½, igual ao nêutron, no
+1
3/2
1235
Delta mais (+)
entanto, com mais massa (1116 Mev/c2) e a
0
0
0
1/2
1116
Lambda zero ( )
partícula káon zero (k ) que possui as mesmas
++
propriedades do píon, mas com massa bem
+2
3/2
1233
Delta dois mais ( )
maior (498 Mev/c2). Além dessas, outras
0
Káon zero (k )
0
1
498
partículas
foram
produzidas
e,
“misteriosamente” apresentavam praticamente as mesmas propriedades. Essas evidências levaram os
cientistas a suspeitarem de se tratar de partículas pertencentes a uma mesma família. Essa família recebeu
o nome de hádrons (que significa, em grego, “forte”, “robusto”) que seriam as partículas que interagem
por meio da força forte.
Com isso, reforçava-se a dúvida sobre o caráter elementar dessas partículas. Os cientistas
suspeitaram que a natureza poderia ser descrita por uma forma mais simples e não através de uma enorme
quantidade de partículas. Então veio a questão: será que os hádrons não possuem uma estrutura interna?
Para responder essa questão, o norte-americano Murray Gell-Mann (1929- ) e George Zweig (1937) propuseram que essas partículas (hádrons) seriam constituídas de partículas ainda menores, que foram
designadas de quarks (nome dado por Gell-Mann). Assim, partículas como o próton e o nêutron seriam
formandos por três quarks, recebendo o nome de bárions (em grego, significa “pesado”) e as partículas
como os píons e o káon seriam formados por dois quarks(quark – antiquark), recebendo o nome de
mesóns.
Esses quarks se apresentariam em três versões (depois chamados de sabores) up (u);
d
down (d) e strange (s). Teriam spin fracionário (1/2) como os próprios bárions e sua
u
carga, seria frações da carga do elétron (1/3, 2/3). Desta forma, o próton, por exemplo,
u
seria formado por dois quarks up e um down (u,u,d) e o nêutron, por dois down e um up
próton
(u,d,d).
Mais tarde, algumas evidências (que discutiremos depois) levaram os físicos a suspeitarem da
existência de mais três tipos de quarks, que foram o charm (c) detectado em 1974; o
bottom (b) detectado no final da década de 70 e por último o top (t) detectado em 1995.
d
d
Assim, ficaria completa a estrutura do modelo dos quarks com seus seis sabores: up;
down; strange; charm; bottom e top.
u
Mas algo não estava muito bem com essa proposta. Já que eram partículas de spin
nêutron
fracionário (1/2), deveriam obedecer ao principio da exclusão de Pauli que diz que “duas
_
partículas iguais, não podem ocupar o mesmo estado quântico, ou seja, três quarks do
u d
mesmo sabor não poderiam existir numa mesma partícula. Porém, tinha uma partícula com
essa característica, o delta dois mais - ++ (u,u,u), violando esse princípio. Então o que
píon
estaria errado?
A carga cor
Para solucionar esse impasse, em 1964 o físico norte-americano Oscar W. Greenberg, sugeriu que
cada “sabor” dos quarks poderia existir em três estados diferentes, que ele chamou de vermelho (vm),
verde (vd) e azul (az). Essas seriam as “cargas cores” do quarks, algo parecido com a carga elétrica, só
que em 3 tipos distintos. Aqui a palavra cor não tem nada haver com o termo empregado habitualmente,
ou seja, não são as cores do espectro de luz visível.
90
NUPIC/LAPEF
Assim, nessa proposta, os quarks só poderiam se agrupar de tal forma que os hádrons formados,
fossem incolor. Desta forma, os bárions seriam formados por um quark de cada cor, de tal maneira que o
resultado final fosse branco. Já os mesóns, seriam formados por dois quarks, um de uma cor e o outro,
com a cor complementar (anticor), que somadas dariam branco. Por esse motivo, não se observaria
nenhum efeito das cores fora dos hádrons.
Mas de que maneira um quark atrairia o outro, formando essas partículas?
Junto com a teoria da carga cor, estava previsto também a maneira como os quarks deveriam
interagir. Assim como as cargas elétricas se atraem quando são diferentes e se repelem quando são iguais;
aconteceria o mesmo com a cor. Quarks de mesma cor se repelem e, de cores diferentes se atraem. Essa
atração ocorreria também entre a cor e sua complementar (anticor).
Essa interação entre as cores seria dada por uma
nova partícula: os glúons, que seriam uma espécie de cola
ou mola entre os quarks, prendendo-os. À medida que um
AZUL
quark fosse se afastando do outro sua intensidade
aumentaria, sendo difícil retirar um quark dessa formação.
ANTI
ANTI
Desta forma, os glúons seriam os mediadores da força
VERMELHO
VERDE
ciano
magenta
forte entre os quarks, devido à carga cor. O papel dessa
partícula na interação forte é fazer a troca de cores entre
os quarks, mantendo-os unidos. Quando um quark
VERMELHO
VERDE
ANTI
vermelho (qvm) emitisse um glúon vermelho antiazul se
AZUL
amarelo
tornaria azul (qaz). É dessa forma que os quarks interagem
entre si, emitindo glúons e trocando de cores.
A teoria previa também, que essa nova partícula: os
Esquema da cores e de suas misturas
glúons, não teriam carga elétrica e nem massa de repouso,
1
tendo spin inteiro (1) e sendo bicolores (cor + anticor ), não podendo ser branco, ou seja, cor+anticor
complementares. Então, seriam no total de oito glúons.
Depois disso tudo, como ficava a interação entre os nucleons através dos píons?
Com o modelo dos quarks, a interação entre os nucleons passou a ser vista como uma manifestação
secundária das forças entre os quarks (força forte residual). Mas como isso ocorre?
Quando uma grande quantidade de energia é fornecida a um sistema de quarks, um par de quarks é
criado, dando origem aos píons de Yukawa.
Apesar dos físicos acreditarem que o quark é real, ainda não se conseguiu detecta-lo isoladamente,
ou seja, só temos quarks enquanto constituintes dos hádrons.
As evidências que fizeram os físicos acreditarem na existência do quark está baseada nas
experiências com espalhamento de partículas. Aquelas mesmas experiências utilizadas por Rutherford
para “encontrar” o núcleo. Só que aqui, temos os prótons sendo bombardeados com elétrons que os
atravessam, sofrendo pequenas deflexões ao interagir com os quarks ou são ricocheteados ao colidir com
eles no interior dos prótons.
Questões:
1) Os glúons são partículas mediadoras da força forte e atuam em partículas que têm carga cor.
Sabendo disso, seria possível os glúons interagirem entre si? Justifique.
2) Sabendo-se que para um quark mudar sua cor, ele tem que emitir um glúon. Qual é a cor e a
anticor do glúon emitido para um quark azul se tornar verde?
91
NUPIC/LAPEF
BLOCO IV – A INTERAÇÃO FRACA
Discutir as idéias que levaram a descoberta do neutrino e o que isso implicava para física na época,
mostrando a suas propriedades. Com base nessa descoberta foi feita a formulação da interação fraca, que atua no
interior das partículas, modificando o sabor dos quarks. Com isso pode-se entender o processo da radiação .
 Entender o problema da emissão  pelo núcleo.
 Compreender os aspectos do neutrino.
 Entender o mecanismo da interação Fraca.
 Conservação de momento.
 Conservação de energia.
 Interação Fraca.
Brasília, 1982.
 NATALE, Adriano A.; GUZZO, Marcelo M. Neutrino: partículas onipresentes e misteriosas. Ciência
Hoje. V.25, n.147, p.34, mar.99
 JOLIE, Jan. Supersimetria: experiências tentam confirmar teoria que relaciona partículas
subatômicas. Scientific American do Brasil, nº 3, Agosto 2002.
1
As anticores são: antiazul (az) - amarelo; antivermelho (vm) - ciano; antiverde (vd) – magenta
92
ATIVIDADE
1. Estudo sobre
os problemas
da radiação 
NUPIC/LAPEF
MOMENTOS
Retomar a emissão , colocando os
problemas teóricos e experimentais da
emissão.
Proposta de uma nova partícula.
Proposta de uma nova interação: A interação
Fraca
Sistematização, leitura e resolução do
exercício do texto: “A descoberta do
neutrino: uma nova interação”.
2. Estudo sobre
a Interação
Fraca
Correção e discussão do exercício.
Proposta de mais exercícios.
COMENTÁRIOS
TEMPO
Retomar a discussão sobre
a emissão , colocando os
problemas enfrentados pela
descrição dessa emissão.
1 aula
Discutir do novo tipo de
interação: a força fraca.
Leitura do texto: “A
descoberta do neutrino:
uma nova interação”.
1 aula
Retomada da discussão
para uma sistematização
final.
1 aula
Correção e discussão dos exercícios extras
3.
Sistematização
final
Sistematização geral sobre o neutrino e a
interação Fraca.
93
NUPIC/LAPEF
Aula 29
Tema: A descoberta do neutrino e a força fraca.
Objetivo: Destacar os problemas e a solução deles, propondo uma nova partícula e uma nova força.
Conteúdo Físico: Conservação de momento linear e de energia.


Aula expositiva
Motivação: Desvendar a natureza da radiação , entendendo que há uma outra força da natureza – a
interação fraca.
Retomar a emissão , colocando os problemas teóricos e experimentais da emissão.
2º Momento
Tempo:  15 min
Proposta de uma nova partícula.
3º Momento
1º Momento
Momentos
Proposta de uma nova interação: A interação Fraca
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Sugestão: O professor deve enfatizar bem o modelo que descrevia o núcleo, mostrando os argumentos a favor e
perguntar se alguém pode oferecer argumentos que derrubem esse modelo. Em seguida apresente os argumentos
contrários. Deixe que os alunos discutam um pouco sobre esses argumentos, para que possam ver as inconsistências
dele.
Dinâmica da aula
Retomar a emissão  de alguns núcleos, mostrando que há problemas com a teoria e a experiência. A partir daí
torna-se necessário um estudo mais detalhado sobre essa emissão, mostrando a descoberta do neutrino e a proposta
de uma nova interação da natureza – a força fraca.
94
NUPIC/LAPEF
Aula 30
Tema: A descoberta do neutrino e força fraca
Objetivo: sistematizar o modelo do decaimento  através do neutrino e a força fraca.
Conteúdo Físico: Conservação de momento linear e de energia, interação fraca.


Texto de apoio “A descoberta do neutrino: uma nova interação”
Aula expositiva.
Motivação: Entender o processo da força fraca e a emissão .
Sistematização, leitura e resolução do exercício do texto: “A descoberta do neutrino: uma nova interação”.
2º Momento
Tempo:  15 min
Correção e discussão do exercício.
3º Momento
1º Momento
Momentos
Proposta de mais exercícios.
Tempo:  15 min
Tempo:  20 min
Dinâmica da aula
Inicie a aula entregando o texto para leitura dos alunos e peça a eles para responderem as questões. Faça a correção
das questões fazendo uma discussão e em seguida uma sistematização geral das idéias do texto. Tente fazer isso de
uma forma bem detalhada, pois se trata de um conceito novo e bem fora da realidade do aluno e do próprio ensino.
95
NUPIC/LAPEF
Aula 31
Tema: A força forte como solução para o problema da instabilidade do núcleo.
Conteúdo Físico: A força forte – interação através da troca de píons.


Texto de apoio: “Entendendo a estabilidade do núcleo: a força forte”.
Aulas expositivas.
Motivação: O surgimento de um modelo para explicar a instabilidade do núcleo surgida com a proposta
do nêutron. A compreensão do funcionamento deste modelo. A contribuição de um cientista brasileiro
para pesquisa internacional.
1º Momento
Correção e discussão dos exercícios extras
2º Momento
Momentos
Sistematização geral sobre o neutrino e a interação Fraca.
Tempo:  25 min
Tempo:  25 min
Sugestão: É importante que o professor busque sistematizar bem o processo da troca de píons entre as partículas do
núcleo.
Dependendo de como vai conduzir a aula e do tempo que pode gastar falando do princípio da incerteza e das
unidades o professor pode propor que as questões sejam feitas em casa e entregues na aula seguinte ou ainda
utilizar um pedaço da aula seguinte para que os alunos terminem as questões.
Dinâmica da aula
Corrigir os exercícios complementares, dando ênfase nos diagramas e na emissão dos bósons da força fraca.
Em seguida, sistematize, de maneira clara, os conceitos com auxilio da resolução dos exercícios.
96
NUPIC/LAPEF
Exercícios Complementares
Represente em forma de diagramas os decaimentos abaixo:
a) n  p  e    e
b)        
c)       0
d)    0   
e) p         
f)        0
g)    0  p
97
NUPIC/LAPEF
A descoberta do neutrino: uma nova interação
Na década de 20, desenvolveu-se uma questão polêmica relacionada a radiação
conhecer que era uma emissão de um elétron pelo núcleo, permanecia a questão: se um elétron é emitido
por um núcleo A que se transforma em um núcleo B e tem energia menor do que suas massas de repouso,
para onde vai a energia que está faltando?
A  B + eEsperava-se que a energia do elétron fosse igual à diferença de energia dos núcleos A e B. Sendo
assim, teria um valor bem determinado, mas isso não acontecia. A energia do elétron variava de zero até
essa diferença. O que trazia um grande problema para a física.
Outro problema estava relacionado com a conservação do momento angular (spin) no decaimento
do nêutron: n  p + e-. Como as três partículas têm spin ½, havia uma violação da conservação do
momento angular que não se conseguia explicar.
Em 1923, Bohr passou a propor que o princípio da conservação de energia só seria válido para
fenômenos macroscópicos. Mas em 1930, Wolfgang Pauli (1900-1950) resolveu a controvérsia
postulando a existência de uma partícula neutra, de massa muito pequena, (cálculos recentes, mostram um
limite máximo para a massa dessa partícula é 16 ev/c2) e que é emitida junto com o elétron pelo núcleo
radioativo e, por ser neutro e muito pequeno não era detectada. Tratava-se então de um decaimento em
três partículas (n  p + e- + ) e, não duas (n  p + e-) como se imaginava ser. Essa nova partícula
recebeu o nome de Enrico Fermi (1901-1954), em 1934 de neutrino () que significa pequeno neutro em
italiano, quando formulou também a teoria de uma nova interação, que seria responsável pelo decaimento
A  B + e- + 
enêutron
repouso
próton

jogo. Notavavida longo, podendo significar que a interação responsável por esse decaimento tivesse uma intensidade
muito pequena, sendo necessário esperar um tempo muito longo para que o efeito provocasse a
desintegração. Por esse motivo, passou a ser designado por Fermi de força fraca.
Como a intensidade dessa força é muito pequena, a interação do neutrino com a matéria, se tornava
muito pequena. Além do mais, ele não era sensível a força eletromagnética, por ser neutro. Por isso
tornava-se muito difícil sua detecção.
Essa partícula só foi detectada em 1953 pelos físicos norte-americanos Frederick Reines (1918- ) e
Clyde Lowain Cowan (1919- ), quando estudaram a colisão de um fluxo de neutrinos, provenientes de um
reator nuclear, com prótons de um cintilador líquido. Cintiladores líquidos são usados para detectar
nêutron, obtendo o espectro de energia do próton de recuo. Essa detecção só foi possível, utilizando a
conservação de momento linear.
98
NUPIC/LAPEF
A força fraca
Com a descoberta do neutrino, presente na emissão e, devido ao “longo” tempo de meia vida
desse decaimento, houve a necessidade de propor um novo tipo de interação que explicasse essas
evidências, que foi chamada de força fraca.
A força fraca atua nas partículas, transformando-as em outras, emitindo necessariamente um
neutrino, ou seja, em qualquer decaimento de partícula que tiver o neutrino envolvido, ele se dará via
força fraca.
Desta forma, no decaimento do tipo 198Au  198Hg + e- + . O elétron não existe dentro do núcleo
(como já vimos), ele é criado durante o processo de decaimento, pela conservação da massa em energia.
Assim, o núcleo permanece com o mesmo número de partículas (198), porém com uma carga positiva a
mais.
Mas como isso ocorre?
Quando o núcleo de ouro (198Au) decai no mercúrio (198Hg), o decaimento ocorre apenas em uma
partícula dele, isto é, um nêutron decai em um próton. Nesse caso, um quark down do nêutron se
transforma em um quark up, emitindo uma partícula W-, que decai em seguida em um elétron e um
neutrino. Esse é o mecanismo da força fraca.
n  p + e- + 
udd
uud
A partícula W- (81 Gev/c2), assim como a W+ (81 Gev/c2) e Z0 (91
udd
uud
Gev/c2), são partículas mediadoras da força fraca e foram descobertas em
1983. Devido a suas massas serem grandes, tornam o raio de atuação
Wmuito pequeno, da ordem de 10-17 m (0,01 fm), demonstrando que essa
e
força age sorrateiramente no interior das partículas, transfomando-as em

outras.
Assim como a carga cor é a fonte da força forte, aqui temos a carga fraca
(denominação que aparece algumas vezes) como fonte da força fraca.
Questão:
Através do processo da força fraca, esquema acima, tente explicar a reação:
0  p + e- + e
(uds) (uud)
99
NUPIC/LAPEF
BLOCO V – PARTÍCULAS E ANTIPARTÍCULAS
Com o aparecimento de um número muito grande partículas e eventos com elas, foi necessário criar novas
leis de conservação para tentar descrever esses eventos. Bem como foi possível criar uma teoria que previa a
existência de antipartículas para todos os tipos de partículas.
 Compreender a existência de outras leis de conservação.
 Conhecer a existência de antipartículas e antimatéria.
 Entender o processo de aniquilação e criação de partículas a partir de energia.
 Conservação de energia, de momento (linear e angular) e de carga
 Partículas e antipartículas.
 Aniquilação e criação de partículas.
100
NUPIC/LAPEF
ATIVIDADES
MOMENTOS
Atividade 9 – A regra do jogo.
1. A regra do
jogo.
Discussão e sistematização da atividade
Leitura e respostas das questões do texto.
2. Analisando o
sistema
Retomar a discussão sobre as novas leis e
como elas são propostas.
Atividade 10 – Analisando o sistema.
COMENTÁRIOS
TEMPO
Texto “Partículas estranhas:
as novas leis de
conservação.”
1 aula
Ênfase a análise dos eventos
para elaboração de novas
leis de conservação.
1 aula
Discussão e sistematização da atividade.
Proposta de questões para iniciar a discussão.
Sistematização da discussão fazendo uma
ligação com as partículas.
3. Estudo das
antipartículas e
da antimatéria.
Discussão sobre o processo de criação e
aniquilação de partículas.
Leitura e resolução das questões propostas no
texto.
Analogia para explicar o
princípio da radiografia
Dar orientação para
realização da pesquisa
2 aulas
Texto “As antipartículas: a
descoberta do pósitron.”
Sistematização geral
101
NUPIC/LAPEF
AULA 32
Tema: Novas leis de conservação
Objetivo: compreender a necessidade de novas leis de conservação para descrever os eventos observados.
Conteúdo Físico: conservação de energia, de momento e de carga.


Texto: “Partículas estranhas: as novas leis de conservação”
Motivação: conhecer novas de leis de conservação que regem o mundo das partículas subatômicas
1º Momento
Propor a atividade 8. Apesar de ser individual, peça para que eles sentem em grupo de maneira que um aluno
ajude o outro.
2º Momento
Discussão e sistematização da atividade.
3º Momento
Momentos:
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Tempo:  15 min
Sugestão: Discuta, antes de entregar a atividade, as leis de conservação conhecida, frisando bem a conservação de
carga. Que será o primeiro aspecto a ser visto em um decaimento ou em um evento em Física de Partículas.
Dinâmica da Aula: inicie a aula discutindo as leis de conservação conhecidas. Em seguida, entregue o roteiro da
atividade 8 e peça que os alunos leiam e tentem encontrar as respostas para as questões. Aplique a atividade em
grupo, assim os alunos poderão discutir melhor a atividade.
Depois faça uma discussão conjuntamente com a correção da atividade. Ao final entregue o texto e peça para eles
lerem.
102
NUPIC/LAPEF
Atividade 9 - As regras do jogo7
Os cientistas de todos os campos criam regras para explicar suas observações. Depois utilizam essas regras
para interpretar novas observações. Essa atividade permite a vocês descobrirem novas regras que julguem ter um
papel crucial no estudo da Física de Partículas: as leis de conservação.
O tipo mais comum de observação na Física de partículas se denomina evento. Evento é similar a uma reação
química, no sentido que nela se forma um grupo de partículas a partir de outras.
As seguintes tabelas de partículas os ajudarão a identificar o tipo de carga das partículas que participam dos
eventos representados abaixo. Como se indica, cada partícula pode ter carga elétrica +1, -1 ou 0 (em unidades de
carga do elétron).
Note que as antipartículas estão indicadas, em alguns casos, mediante a uma barra colocada em cima do
nome da partícula (exemplo., p-barra = antipróton, e-barra = antineutrino do elétron); em outros casos, estão
indicadas simplesmente por um sinal das cargas (e- = elétron, e+ = pósitron = antielétron); pi+ e pi- são partícula e
antipartícula respectivamente, e em forma similar, K+ e K-. Uma antipartícula possui a mesma massa que sua
correspondente partícula, mas suas cargas têm valor oposto.
BÁRIONS
MÉSONS
LÉPTONS
FÓTON
Símbolo Carga Símbolo Carga Símbolo Carga Símbolo Carga
p
+1
+1
e-1
0
+

p
-1
-1
e+
+1
n
0
0
0
0
e
+
0
k
+1
0
e

k-1
k0
0
Na tabela seguinte, são mostrados os conjuntos de eventos de partículas. No conjunto da coluna esquerda
temos somente os eventos que se sabe que irão ser produzidos. No entanto, no conjunto da coluna da direita, temos
somente eventos que se acreditam que não se pode produzir (de fato, estes eventos nunca foram observados).
Examinando os dois grupos, junto com a tabela anterior de partículas, devemos determinar quais quantidades
são conservadas. Estas são “as regras do jogo” jogado pela natureza.
Todas as quantidades cuja conservação podem ser deduzidas a partir dos seguintes eventos, podem ser
calculadas. Estas quantidades devem ser conservadas para todos os eventos “observados”, mas ao menos uma delas
não é conservada em cada evento “não observado”.
Suponha que as partículas que entram nos eventos têm energia suficiente para gerar as partículas que saem.
7
103
NUPIC/LAPEF
EVENTOS NÃO OBSERVADOS
EVENTOS OBSERVADOS
1. n  p + e- + e
16. n + p  p + p
2.  + n  p + 
17. p  0 + +
3. - + p  n + - + +
18. p  + + -
4. - + p  p + 0 + -
19. + + p  k+ + k0
5.   p + -
20.   + + - + 0
6.   n + 0
21.   k+ + k-
7. n + p  p + p + -
22. 0 + n  + + -
8. p + p  p + n + +
23. 0 + n  p + p
9. e- + e+  p + p
24.   n + 0 + e
10. e- + e+   + 
25. -  e- + 
11. p + p  + + -
26. e- +   e+ + 
12.   n + + + -
27. n   + e- + e
13. 0 +   + + -
28. e+ +   p + 
14. p  n + e+ + e
29.  +   p + n
15. n +   p
30.   e- + e + p
+
0
+
Questões:
1) Que quer dizer uma quantidade que se conserva?
2) Que quantidade ou números dos distintos tipos de objetos se conservam?
3) O que é um “evento” em Física de Partículas?
4) Quais dos eventos mostrados são decaimento?
5) Em cada um dos eventos não observados, indique qual é a quantidade que não se conserva? (pode ter mais de
uma resposta).
104
NUPIC/LAPEF
Evento:
16-
21-
26-
17-
22-
27-
18-
23-
28-
19-
24-
29-
20-
25-
30-
105
NUPIC/LAPEF
AULA 33
Tema: Novas leis de conservação
Objetivo: Entender como são elaboradas as leis de conservação a partir de evidências experimentais.
Conteúdo Físico: Leis de conservação



Texto "Partículas Estranhas: novas leis de conservação" .
Roteiro da atividade 9.
Aula expositiva.
Motivação: curiosidade em compreender como surgem as lei de conservação.
1º Momento
Retomada as discussões sobre as novas leis de conservação e como elas foram propostas.
Coloque a pergunta: Como são elaboradas as leis de conservação? Deixe que os alunos levantarem suas
hipóteses.
2º Momento
Propor e aplicar a atividade 9.
3º Momento
Momentos:
Discussão e sistematização da atividade (fechamento)
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Tempo:  20 min
Sugestões: Deixe bem claro a execução da atividade, desta forma os alunos irão fazer mais rápido. Trabalhe
novamente em grupos.
Dinâmica da Aula: Inicie a aula retomando a discussão da aula anterior sobre as leis de conservação, colocando a
pergunta: Como podemos chegar a uma lei de conservação?. Essa pergunta poderá gerar uma discussão sobre a
maneira que as leis são elaboradas. A partir desse ponto o professor propõe a atividade 9.
Feche a atividade formalizando-a, de maneira que os alunos entendam que são necessárias a análise de vários
eventos para chegar a uma lei de conservação.
Atividade 10 - analisando o sistema8
Quando os cientistas estudam qualquer sistema devem fazer duas perguntas básicas:
8
106
NUPIC/LAPEF
1) Quais são os objetos básicos, os “tijolos” que compõem este sistema?
2) Quais são as interações entre esses objetos?
A respostas a estas perguntas depende da escala na que você estuda o sistema. Os físicos de partículas a
fazem na menor escala possível, buscando descobrir os “tijolos” (constituintes básicos) da matéria e as interações
fundamentais entre elas.
As leis que descrevem estas interações, as forças básicas, explicam porque alguns objetos são observados e
outros não. Para compreender os dados experimentais, são igualmente importantes as forças básicas e os
constituintes. Os fatos que não se produzem, nos dão pistas tão importantes como aqueles que são produzidos.
Este enigma mostra o desafio que enfrentam os físicos de partículas. Imagine que o quebra-cabeça contenha
informações sobre as partículas que foram obtidos nos aceleradores. As figuras negras representam objetos que são
observados, no entanto, os brancos não são observados.
No quebra-cabeça, os objetos são todas formas bidimensionais e as interações são os modos como eles
podem combinar (contato entre as formas básicas).
As formas não observadas lhe forneceram importantes pistas para as respostas.
107
NUPIC/LAPEF
Questões:
1) Quais sãos as formas elementares (formas básicas) que formam as figuras observadas?
2) Existe um padrão (lei) de conexão entre essas formas? (Com quem elas têm contato e quantos contatos são
possíveis)
3) Por que não se pode observa as figuras brancas?
4) Você consegue fazer uma ligação desta atividade com a atividade 6 “as regras do jogo”? Qual?
Note que você precisara responder ambas perguntas para poder explicar o porquê não é possível à existência
dos objetos não observados.
108
NUPIC/LAPEF
AULA 34
Tema: antipartículas e antimatéria
Objetivo: discutir a descoberta das antipartículas e a possibilidade da antimatéria.
Conteúdo Físico: conservação de energia; relação massa-energia.


Texto: “As antipartículas: a descoberta do posítron” .
Aula expositiva
Motivação: compreender o processo de criação e aniquilação entre partículas e antipartículas.
Inicia a discussão propondo as questões para os alunos: “Como seria um antivocê?” Quais seriam as
características do antivocê que permaneceriam as mesmas da sua? O que aconteceria de você encontrasse
seu antivocê?
2º Momento
Tempo:  15 min
Sistematizar a discussão fazendo uma relação para as partículas
3º Momento
1º Momento
Momentos:
Discussão sobre criação e aniquilação de partículas.
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Sugestões: Ao propor as questões, no primeiro momento, o professor deve deixar que os alunos levantem hipóteses
sobre as questões, fazendo com que haja uma discussão entre os alunos. Fazendo em seguida uma sistematização
da discussão.
Dinâmica da Aula: iniciar a discussão colocando as questões para os alunos. Deixe que eles discutam e levantem
as hipóteses. Em seguida faça uma sistematização, encaminhando a discussão para as partículas, mostrando a
existência de partículas quase idênticas (partículas e antipartículas). Dê ênfase para as partículas sem carga, como o
caso do nêutron, mostrando que para ele também há uma antipartícula. Em seguida faça a discussão sobre a criação
e aniquilação das partículas, destacando a conservação de energia e a relação de massa-energia (E=mc2).
109
NUPIC/LAPEF
AULA 35
Tema: antipartículas e antimatéria
Objetivo: discutir a descoberta das antipartículas e a possibilidade da antimatéria.
Conteúdo Físico: conservação de energia; relação massa-energia.


Texto: “As antipartículas: a descoberta do pósitron”.
Aula expositiva
Motivação: compreender o processo de criação e aniquilação entre partículas e antipartículas.
1º Momento
Leitura e resolução das questões propostas no texto.
2º Momento
3º Momento
Momentos:
Sistematização geral
Tempo:  25 min
Tempo:  15 min
Tempo:  10 min
Sugestões: Na sistematização geral, dê destaque para a criação e aniquilação das partículas, mostrando a relação
entre massa e energia e a conservação da energia.
Dinâmica da Aula: Inicie a aula distribuindo o texto para os alunos para que façam à leitura e resposta das
questões em grupo. Em seguida, faça uma discussão para corrigir as questões. Depois faça uma sistematização
geral destacando os principais pontos deste bloco (todas as partículas possuem uma antipartícula, relação entre
massa e energia, criação e aniquilação de partículas e antipartículas, conservação de momento e outras que o
professor pense que seja necessária).
110
NUPIC/LAPEF
Partículas estranhas: as novas leis de conservação
Com o desenvolvimento cada vez maior dos aceleradores, centenas de partículas foram sendo
criadas. Verificava-se que muitas delas tinham tempo de vida muito curto, conseqüentemente, decaindo
em outras partículas, formando cada vez mais partículas.
Para entender melhor porque algumas partículas tinham o seu decaimento bem determinado, ou
seja, decaiam em algumas partículas e não em outras, os físicos tiveram que “criar” novas leis de
conservação além das que já eram conhecidas:
- Princípio da conservação de massa (obedecendo a relação massa-energia);
- Princípio da conservação do momento (angular e linear);
- Princípio da conservação da carga elétrica.
Esses três princípios já eram bem claros, pois em nenhum momento deixaram de ser válidos, não
sendo violado por nenhuma interação ou decaimento.
Os novos princípios eram baseados em características de certo grupo de partículas, que tinham
nomes específicos.
Número bariônico
O primeiro novo princípio, diz respeito aos bárions (partículas formadas por 3 quarks), sendo
denominada de número bariônico (B). Foi atribuído a todos os bárions o valor +1 e aos antibarions, o
valor –1. Todas as outras partículas têm valor nulo.
Bárion
nº bariônico (B)
Para que o número bariônico seja conservado, o seu
valor tem que ser igual antes e depois do decaimento
Próton (p)
+1
(reação).
Neutron (n)
+1
Exemplo: - + p  k+ + 0
+1
Lambda zero ( )
- (B =0)+ p (B =1)  k+ (B =0) + - (B =1)
+
+1
Sigma mais ( )
Sigma zero (0)
1
1
Nessa reação o número bariônico é conservado, logo
a reação pode ocorrer.
+1
-
+1
Sigma menos ( )
Antibárion
nº bariônico (B)
antipróton (p)
-1
antineutron (n)
-1
Tomada juntamente com a conservação de energia, a
conservação do número bariônico exige que o bárion mais leve, o próton, seja estável. Atualmente, isso
está sendo discutido se é verdade.
Número leptônico
A segunda lei de conservação está ligada a partículas
parecidas com o elétron que são o múon -  (107 Mev/c2) e o
tau -  (1777 Mev/c2). Eles têm as mesmas características do
elétron, porém massas bem maiores. Cada partícula dessas,
tem um neutrino associado: e - e;  -  ;  - . Essas seis
partículas são chamadas, genericamente, de léptons.
Aplicado a essas partículas temos o número leptônico,
que deve ser conservado em todas as reações. Aqui, são
atribuídos o valor +1 para o número leptônico (Le) ao elétron e
seu neutrino e, -1 para suas antipartículas. As demais partículas
são nulas, incluindo todos os outros léptons.
Lépton
Le
L
L
elétron (e )
+1
0
0
neutrino do elétron (e)
+1
0
0
múon (-)
0
+1
0
neutrino do múon ()
0
+1
0
tau ( )
0
0
+1
neutrino do tau ()
0
0
+1
-
-
Essa atribuição de valor é análoga para o número leptonico do múon (L) e do tau (L).
Exemplo: n  p + e- + e
111
NUPIC/LAPEF
n (B =1)  p (B =1) + e- (B =0) + e (B =0)
1
1
n (Le =0)  p (Le =0) + e (Le =1) + e (Le =-1)
0
 Logo, pode ocorrer.
0
-  e- + e
- (L =1)  e- (L =0) + e (L =0)
1
0
- (Le =0)  e- (Le =1) + e (Le =1)
0
 Logo, não pode ocorrer
2
Estranheza
Em algumas reações, podei-se observar o comportamento
um tanto estranho de alguns hádrons pesados, como na seguinte
reação:
Partículas
Próton (p)
0
Neutron (n)
 + p  k +  (i)
-
+
0
0
porém: 0  - + p+ (ii)
Estranheza (S)
0
0
Lambda zero ( )
-1
+
-1
0
-1
Sigma mais ( )
Sigma zero ( )
-
-1
Sigma menos ( )
Ambas as reações envolvem hádrons, por isso devem reagir
-23
0
0
Píon mais (+)
via força forte, com um tempo de 10 s. Porém, a partícula k
0
0
Píon menos ( )
(káon zero) e  (lambda zero) decaem em um tempo
-8
0
relativamente lento (10 s), característico da interação fraca.
0
Píon zero ( )
Observou-se também que essas partículas pareciam aos pares.
Káon mais (k+)
+1
O comportamento antagônico dessas partículas levou Gell0
Káon zero (k )
+1
Mann e Kazuhiko Nishijima a proporem, independentemente, uma
Káon menos (k )
-1
nova propriedade que só seria conservada nas reações provenientes
das interações forte e eletromagnética. Nas reações via interação
fraca ela poderia ser violada, como mostra a segunda reação.
Essa propriedade recebeu o original nome de estranheza (S). Foi atribuída estranheza +1 para as
partículas k+ e k0 e estranheza –1 para partículas 0, +, - e 0 e nulo para os nucleons e o píon.
A estranheza de outras partículas poderia ser calculada através de análise das reações e dos
decaimentos que participavam.
112
NUPIC/LAPEF
As antipartículas: a descoberta do pósitron
Imagine você andando na rua, de repente, olha para o outro
lado e vê, na outra calçada, uma pessoa que só não é idêntica a você,
Olá!
!àlO
por um detalhe (uma pinta, um piercing, o cabelo partido ou uma
outra característica que está invertida). Acho que você, como todos,
ficaria espantado e muito assustado, perguntando como é possível
isso acontecer? Mas para nossa tranqüilidade, sabemos que isso é
praticamente impossível de ocorrer. Porém, no caso das partículas
elementares, não!
A idéia de partículas quase idênticas (opostas somente em uma propriedade) começou a ser
formulada em 1928, o inglês Paul Dirac, elaborou uma expressão relativística para a função de onda do
elétron. Nessa expressão, a energia do elétron é dada por:

E 2  m0 c 2
   pc
2
2

 E   m0 c 2
   pc
2
2
Dirac notou que a equação admitia duas soluções, uma com energia positiva e a outra,
“misteriosamente” com energia negativa, que não seria descartada. Porém, ao não descartar essa parte da
solução, ele se confrontou com uma questão.
Mas, se há estados de energia negativo, dada à tendência dos sistemas físicos evoluírem para o
estado de energia mínima, o elétron deveria ir para estados mais negativos, irradiando infinitamente
energia e isso não acontece.
Para solucionar esse problema, Dirac propôs o conceito de “mar de elétron” (este “mar infinito de
elétrons” seria uniforme e por isso não produziria efeitos observáveis), postulando que todos os estados
negativos de energia já estariam ocupados por elétrons e, devido ao princípio da exclusão de Pauli, os
elétrons dos estados positivos não poderiam transitar para os estados negativos já ocupados.
Desta forma, somente seriam observados efeitos, quando um
elétron, que ocupa um dos estados negativos, for excitado transitando
para um estado positivo, deixando um buraco (ou bolha) no mar, que
então, poderia ser observado. Esse buraco se comportaria como uma
partícula de carga positiva e energia positiva.
O processo de excitação do elétron do estado negativo, pode ser
descrito da seguinte maneira: um fóton (
energia negativa e promove a um estado de energia positiva, deixando
um buraco no mar, com falta de carga negativa. Tornando o buraco
uma partícula positiva.
O candidato mais óbvio para ocupar esse lugar seria o próton.
No entanto, a equação, previa que essa partícula deveria ter a mesma
massa do elétron.
A inexistência de uma partícula com essas características
colocava em dúvida toda a teoria proposta por Dirac, que era agravada
pela idéia artificial de mar infinito de elétrons, que não era bem aceita
pela comunidade.
A validade dessa interpretação só veio em 1932, quando o
americano Carl David Anderson (1905-1991), descobriu partículas
com a mesma massa do elétron, porém de carga positiva, que foi Representação do Mar de Dirac. As figuras
representam um fóton energético que atinge
denominada pósitron (e+).
um elétron com energia negativa, adquirindo
Anderson analisava rastros deixados por partículas em câmaras
energia suficiente para deixar o mar,
de nevoeiro no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), deixando um buraco, que é interpretado um
um antielétron.
quando percebeu o rastro deixado por um par de partículas com
massas aparentemente iguais, mas com cargas opostas, identificando como a possível partícula procurada.
Sendo confirmada em uma série de experiências posteriores confirmaram a descoberta do pósitron.
113
NUPIC/LAPEF
Contudo, a idéia de mar de elétrons não era muito confortável, sendo abandonada no final da
década de 40, com o desenvolvimento da eletrodinâmica quântica (QED) por Richard Feynman (19181988) e Stukelberg que propuseram uma interpretação mais simples dos estados de energia negativa. As
soluções correspondiam a antipartículas, ou seja, para cada partícula existe uma antipartícula com a
mesma massa e carga de sinal contrário.
Assim, a nova teoria, previa também antiprótons e antinêutrons,
por exemplo. Essas partículas foram detectadas respectivamente em 1955
e 1956, com a construção de aceleradores de partículas mais potentes.
Desta forma, estava consolidada a idéia de antipartículas e, a
produção de antimatéria era só uma questão de tempo. Hoje em dia, a
produção de anti-hidrogênio (pósitron + antipróton) é rotineiramente feita
para pesquisa em grandes aceleradores.
Produção e aniquilação: partícula x antipartícula
Com a descoberta o pósitron e a nova interpretação dos estados
negativos como antipartículas, abriu-se uma outra porta para produção de
novas partículas.
Devido a relação entre massa-energia (E = mc2), a produção de um
par de partícula-antipartícula só seria possível quando a energia do fóton
(γ) for maior ou igual a soma das massas de repouso de ambas partículas,
que se quer produzir.
Um fóton de energia Eγ maior do que 1,022 MeV (2 x 0,511 MeV/c2) pode interagir com um
material criando um par elétron-pósitron. A energia excedente se transforma em energia cinética do par
elétron-pósitron, que atravessa o material perdendo energia sucessivamente por excitação ou ionizações
de átomos.
Quando o pósitron perde toda a sua energia cinética e pára, ele se aniquila com algum elétron, e há
a emissão de dois raios gama de 0,511 MeV cada um. Para haver conservação de quantidade de
movimento, os raios gama são emitidos em direções opostas.
e  e    
Questões:
1) Determine a energia mínima do fóton para que as seguintes reações ocorram:
a)      
b)   p  p
c)       
2) Os antiprótons quase sempre são aniquilados na reação p  p     . Suponha que um próton
e um antipróton se aniquilem em repouso. Por que devem ser produzidos dois fótons em vez de apenas
um?
114
NUPIC/LAPEF
BLOCO VI – CAMPOS QUANTIZADOS
Na perspectiva da Física de Partículas, em se tratando do mundo microscópico, os campos não são mais um
ente físico contínuo. Assim, os campos passam a ser descritos através de seus quantum de interação, chamados de
bósons.
 Entender a quantização dos campos forte e fraco;
 Compreender a necessidade de uma descrição análoga para o campo eletromagnético;
 Conhecer os mensageiros das interações de cada campo.
 Interação forte e fraca
 Campo eletromagnético
 Quantização.
Brasília, 1982.
 NATALE, Adriano A.; GUZZO, Marcelo M. Neutrino: partículas onipresentes e misteriosas. Ciência
Hoje. V.25, n.147, p.34, mar.99
 JOLIE, Jan. Supersimetria: experiências tentam confirmar teoria que relaciona partículas
subatômicas. Scientific American do Brasil, nº 3, Agosto 2002.
115
NUPIC/LAPEF
ATIVIDADE
MOMENTOS
COMENTÁRIOS
Retomar a discussão sobre os tipos de
interações que foram estudadas durante o
curso
Sistematização das interações.
Estudo sobre a
quantização
dos campos.
Propor
o
agente
eletromagnética.
da
interação
TEMPO
“Teoria quântica de
campos: uma nova
concepção do campo
eletromagnético”.
2 aulas
Correção e discussão sobre os exercícios.
Atividade 10 – A troca de fótons entre
partículas
Ênfase dada à troca de
fótons entre partículas que
possuem carga elétrica.
Discussão e sistematização final
116
NUPIC/LAPEF
Aula 36
Tema: Quantização dos campos.
Objetivo: Dar ênfase aos campos forte e fraco quantizados, estendendo esse modelo para o campo
eletromagnético.
Conteúdo Físico: Quantização; interações forte, fraca e eletromagnética.



Aula expositiva
Texto de apoio: “Teoria quântica de campos: uma nova concepção do campo eletromagnético”.
Motivação: Entender a necessidade de quantização do campo eletromagnética no mundo
microscópico.
1º Momento
Sistematização das interações.
Propor o agente da interação eletromagnética.
3º Momento
Retomar a discussão sobre os tipos de interações que foram estudadas durante o curso
2º Momento
Momentos
Tempo:  10 min
Tempo:  20 min
Leitura e respostas das questões do texto:“Teoria quântica de campos: uma nova concepção do campo
eletromagnético”.
Tempo:  20 min
Sugestão: Ao fazer a sistematização das interações, o professor deve procurar fazer uma tabela, destacando as
principais características de cada interação.
Dinâmica da aula
Inicie a aula relembrando as interações estudadas até aqui. Peça aos alunos que façam essa retomada. Em seguida,
com o auxílio dos alunos, faça uma sistematização na lousa sobre as principais características de cada interação.
Separe os alunos em grupos de no máximo cinco e peça para eles lerem, discutirem e responderem as questões do
texto.
117
NUPIC/LAPEF
Aula 37
Tema: Quantização dos campos.
Objetivo: Dar ênfase aos campos forte e fraco quantizados, estendendo esse modelo para o campo
eletromagnético.
Conteúdo Físico: Quantização; interações forte, fraca e eletromagnética.




Aula expositiva
Texto de apoio: “Teoria quântica de campos: uma nova concepção do campo eletromagnético”.
Motivação: Entender como ocorre a troca de fótons entre partículas que têm cargas elétricas.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Correção e discussão sobre os exercícios.
Tempo:  15 min
Atividade 10 – A troca de fótons entre partículas com carga elétrica
Tempo:  15 min
Discussão e sistematização final
Tempo:  20 min
Sugestão: Tome cuidado com a analogia. Procure discutir bem os limites delas, para que os alunos possam
compreender bem o papel do fóton na interação eletromagnética.
Dinâmica da aula
Inicie a aula discutindo e corrigindo as questões do texto lido na aula anterior. Em seguida, proponha a atividade
para poder fixar melhor o modelo da interação eletromagnética e o papel do fóton nessa interação. Assim poderá
fazer uma discussão, estendendo essa analogia para as outras interações. Feche a aula fazendo um quadro sintético
das interações e de seus agentes. Lembre-se de comentar que o gráviton é apenas uma previsão teórica, que os
físicos acreditam que a sua detecção é questão de tempo.
118
NUPIC/LAPEF
Atividade 11 – O campo eletromagnético quantizado: o papel do fóton
Objetivo:
Essa atividade tentará descrever, através de uma analogia, o papel do fóton na interação eletromagnética, no âmbito da
teoria quântica de campos, ou seja, com o campo quantizado.
Quando estudamos o campo eletromagnético em Física de Partículas, vimos que ele é formado por uma
nuvem de diversos fótons que são emitidos e absorvidos por partículas carregadas eletricamente, como os prótons e
os elétrons.
Assim para que um próton ou mesmo um elétron possa sentir a presença de outro elétron, ele absorve fótons
emitidos pelo o segundo e emite fótons que são absorvidos por este último. Ou seja, é através da troca de fótons
que uma partícula (positiva ou negativa) “sente” a presença de uma outra também carregada.
Nesta atividade será feita uma analogia que buscará representar essa troca de fótons entre partículas
carregadas eletricamente.
Material
4 Pulverizadores de água
Procedimento:
Em uma parte livre da sala de aula, dois alunos permanecerão parados, um de costa para o outro, com
pulverizadores de água nas mãos e com os olhos vendados.
Outros dois alunos ficarão girando em volta daqueles que estão parados, há aproximadamente um metro.
Estes também devem ter pulverizadores na mão.
Peça que os quatro comecem a pulverizar água, de forma que as gotículas atinjam tanto os que estão parados
quanto os que estão girando.
Em seguida, os alunos que estão girando devem se afastar mais um metro dos alunos que estão parados no
centro, permanecendo cerca de dois metros dos parados. Depois de terem se afastado, inicia-se novamente a
pulverização da água, de modo que os alunos sintam novamente as gotículas.
Depois de terem realizado a atividade responda as seguintes questões:
1) Os alunos que estão parados no centro representam que tipo de partícula?
2) Os alunos que estão girando representam qual partícula?
3) As gotículas de água estão representando quem na atividade?
4) Qual a posição que os alunos percebem maior número de gotículas, mais perto ou mais longe? Por quê?
119
NUPIC/LAPEF
Teoria quântica de campos: uma nova concepção do campo eletromagnético
As interações que ocorrem na natureza podem ser descritas através das quatro forças fundamentais:
gravitacional, eletromagnética, fraca e forte.
A força gravitacional atua em corpos que possuem massa, porém ela só tem a sua ação revelada
em corpos de massa muito grande, devido a sua baixa intensidade. Por isso, quando estudamos as
partículas elementares, essa interação é praticamente descartada.
A força eletromagnética está presente nas interações que envolvem corpos com cargas elétricas.
Ela é a responsável por elétrons girarem em torno do núcleo (positivo), por átomos se ligarem formando
moléculas e assim, formar substâncias (como a água que bebemos) e corpos que vemos. Ela é responsável
também por não atravessarmos paredes e corpos em geral, já que a maior parte dos átomos são vazios.
Isso acontece porque os elétrons do nosso corpo são repelidos pelos elétrons da parede ou da cadeira em
que você está sentado.
A interação fraca atua no interior das partículas (raio de ação da ordem de 10 –18 m), fazendo que as
partículas sejam modificadas, trocando o sabor dos quarks. Ela está associada a carga “fraca” ou carga de
“sabor”.
A força forte atua em partículas que tem carga cor, ou seja, entre os quarks. Ela pode ser dividida
em duas, a força forte fundamental, que mantém os quarks presos, formando as outras partículas
(hádrons); a força forte residual, que mantém os nucleons (prótons e nêutrons) presos, formando o núcleo.
Podemos notar que toda força está associada a uma propriedade da partícula (carga). Força
gravitacional – carga gravitacional (massa); força eletromagnética – carga elétrica; força fraca – carga
fraca; força forte – carga cor.
A força pode ser interpretada como uma ação do campo associado a essas cargas, ou seja, cada
carga das partículas tem um campo associado e, a ação dele se apresenta como uma força (interação).
Assim, a carga gravitacional (massa) tem associado a ela o campo gravitacional, a carga elétrica o
campo eletromagnético, a carga fraca o campo fraco e a carga cor o campo forte. Para um corpo que tem
carga elétrica e massa, ele terá os dois campos (gravitacional e eletromagnético). Mas como a carga
elétrica está associada às partículas como próton e elétron, ele terá “internamente” um campo forte de
curto alcance. Desta forma, o campo desse corpo será a sobreposição dos campos existentes nele.
Mas como descrever esses campos?
Vimos que a força forte é mediada por partículas que denominamos de glúons e a troca constante
dessas partículas forma o campo forte (uma espécie de nuvem de glúons), isto é, o campo forte é formado
por grânulos (glúons) trocados entre as partículas com carga cor. Por isso, podemos dizer que o campo
forte é quantizado e o glúon é o quantum (o grânulo) do campo.
A mesma coisa, podemos ver no campo fraco. A troca de bósons (W+, W- e Z0) entre as partículas,
forma uma região de interação fraca entre as partículas, constituindo o campo fraco (nuvem de bósons),
sendo o bóson o quantum desse campo.
Nessa concepção como seria descrito o campo eletromagnético e gravitacional? Quem é o quantum
desses campos?
A teoria quântica dos campos prevê também um campo quantizado para o eletromagnético e o
gravitacional com seus respectivos quantum, ou seja, uma descrição da interação através da troca de
partículas (interessante!).
No caso do campo eletromagnético, a interação entra as partículas que têm carga elétrica é feita
9
. Assim, o campo de uma carga é formado por uma “nuvem” de fótons, que são
emitidos e reabsorvidos por ela.
A primeira evidência da “existência” dos fótons ocorreu em 1905, quando Einstein explicou, a
partir de evidências experimentais, o efeito fotoelétrico, atribuindo à luz propriedades corpusculares,
através da hipótese de que sua energia é armazenada em pequenos pacotes: os fótons. Além disso,
podemos dizer que é através da troca de fótons que uma carga elétrica sente a presença da outra, sendo,
portanto o fóton o grande mediador da interação eletromagnética, ou seja, o fóton é como um carteiro que
leva a carta denunciando a presença de uma partícula carregada para a outra.
9
Virtual porque não pode ser detectado, pois são emitidos e absorvidos num intervalo de tempo muito curto, deste modo, as
partículas que o emite ou o absorve, não perdem energia e não sofrem recuo, fazendo com que não viole o princípio da
conservação de energia e momento.
120
NUPIC/LAPEF
Teríamos assim, o campo eletromagnético quântico no qual um elétron está cercado por uma
nuvem de fótons, que o emite e o reabsorve; o segundo elétron está imerso nessa nuvem e pode absorver
uma das partículas que o primeiro emite. Quando isso acontece, cada um dos elétrons é informado da
existência do outro. Essa troca de fótons entre eles é a interação.
O fóton é uma partícula sem massa, e é por isso que o campo eletromagnético tem alcance infinito,
seu spin é inteiro (1) como todo mediador de interação e não possui carga.
A quantização do campo também é prevista para o campo gravitacional. Neste caso a troca da
partícula seria dado por quase todas as partículas, já que a grande maioria tem massa. O quantum do
campo gravitacional é denominado gráviton (partícula de massa nula e spin inteiro – 2), mas essa
partícula ainda não foi detectada, deixando uma lacuna a ser comprovada nessa teoria. Acredita-se que
isso é somente uma questão de tempo e de melhoria dos detectores que se tornarão mais sensíveis.
Questão:
1) Qual a importância dos fótons dentro dessa “nova” (campo quantizado) forma de descrever a
interação eletromagnética?
2) Qual é o papel do quantum (agente da interação) em cada tipo de interação, na nova maneira de
descrever o campo?
121
NUPIC/LAPEF
BLOCO VII – AS FAMÍLIAS DAS PARTÍCULAS
Depois de ter visto e discutido novos conceitos e novas partículas, chagamos ao fechamento do curso,
mostrando que as partículas se agrupam em “famílias”, sendo possível destacar características comuns para essa
classificação. Chegando enfim, ao Modelo Padrão atual.
 Entender as propriedades das partículas;
 Compreender como é feito o agrupamento das partículas;
 Conhecer e entender o Modelo Padrão.
 Massa e a relação com a energia;
 Spin;
 Carga elétrica
 Grupo de Física de Partículas charm. A física do charm. Revista do CBPF, site: www.cbpf.br
 Grupo de bárions charmosos. Os bárions charmosos. Revista do CBPF, site: www.cbpf.br
122
NUPIC/LAPEF
ATIVIDADE
MOMENTOS
COMENTÁRIOS
TEMPO
Atividade 11 – categorias das bolinhas.
Sistematização da atividade e extrapolação
para as partículas
1. Estudo sobre
a quantização
dos campos.
“Propriedades das
partículas”.
Leitura e respostas das questões do texto:
“Propriedades das Partículas.”
2 aulas
Discussão e correção das questões do texto.
.
Sistematização final
Atividade 12 – Montagem do mapa
conceitual.
2. Estudo
sobre as
representaçõe
s das
interações
Discussão sobre a atividade
“As famílias das
partículas”.
Leitura e sistematização do texto: “As
Famílias das Partículas”
2 aulas
Discussão sobre o texto.
Discussão Final do curso com a proposta do
Modelo Padrão.
Quadro sistematizando o
Modelo Padrão.
123
NUPIC/LAPEF
Aula 38
Tema: Propriedades das Partículas
Objetivo: Enfatizar a maneira como a Física faz para classificar as partículas em grupos, mostrando um
padrão nesse grupo.
Conteúdo Físico: Relação massa-energia; spin e carga elétrica.


Texto de apoio: “As propriedades das partículas”.
Motivação: Entender as propriedades principais das partículas, necessária para classificá-las.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Proposta da atividade 11 – categorias das bolinhas.
Tempo:  10 min
Sistematização e discussão da atividade
Extrapolação para as partículas.
Tempo:  15 min
Leitura e respostas das questões do texto:“As propriedades das partículas”.
Tempo:  25 min
Sugestão: Ao iniciar a atividade, deixe bem claro que não há resposta certa ou errada, mas que eles devem usar
uma lógica para agrupar as bolinhas.
Dinâmica da aula
Inicie a aula colocando a seguinte questão: Será que existem propriedades nas partículas que podem ser usadas para
agrupá-las! Em seguida faça atividade 11, separando os alunos em grupos, de no máximo 5 alunos, pedindo para
eles separarem as bolinhas segundo as características dela.
Em seguida, faça uma tabela na lousa, colocando as características de agrupamento das bolinhas em cada grupo.
Faça uma ligação com as partículas, retomando a pergunta inicial. Assim poderá começar a responder a questão
proposta no início da aula.
Depois entregue o texto para que possam ler e responder as questões (isso pode ser feito também em grupo).
124
NUPIC/LAPEF
Atividade 12 – Categorias das bolinhas
Objetivo:
Elaborar critérios que possam servir para categorizar bolinhas (partículas).
As partículas são separadas em alguns grupos, através de algumas características. Nesta atividade,
buscaremos trabalhar uma maneira de fazer essa categorização através de uma analogia com bolinhas.
Material
Diversas bolinhas
Procedimento:
Com as bolinhas em mãos, tente identificar algum tipo de características nas bolinhas que possam servir para
separá-las em grupos.
Característica 1:
Característica 2:
Característica 3:
Característica 4:
125
NUPIC/LAPEF
Aula 39
Tema: Propriedades das Partículas
Objetivo: Enfatizar a maneira como a Física faz para classificar as partículas em grupos, mostrando um
padrão nesse grupo.
Conteúdo Físico: Relação massa-energia; spin e carga elétrica.



Discussão entre professor e aluno.
Aula expositiva.
Texto de apoio: “As propriedades das partículas”.
Motivação: Entender as propriedades principais das partículas, necessária para classificá-las.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Retomar a atividade da bolinha, mostrando algumas características apontadas por eles.
Tempo:  10 min
Discussão e correção das questões propostas no texto: “Propriedades das partículas”
Tempo:  20 min
Sistematização final
Tempo:  20 min
Sugestão: A sistematização final pode ser feita através da apresentação de uma tabela, em Power Point, com as
propriedades das partículas estudadas até aqui.
Dinâmica da aula
Inicie a aula retomando a sistematização da atividade 11, colocando as principais características apontadas por eles
na aula anterior. Em seguida, inicie a discussão e a correção das questões propostas no texto. Finalize fazendo a
sistematização final que pode ser feita através de uma tabela.
126
NUPIC/LAPEF
Aula 40
Tema: Famílias das Partículas
Objetivo: Identificar os grupos de partículas, bem como as propriedades que servem de categorização.
Conteúdo Físico: Interações forte, fraca e eletromagnética; Spin; carga elétrica e carga cor.



Texto de apoio: “As famílias das partículas”.
Aulas expositivas.
Motivação: Conhecer as famílias das partículas.
3º Momento
2º Momento
1º Momento
Momentos
Atividade 12 – Montagem do mapa conceitual.
Tempo:  15 min
Discussão sobre a atividade.
Tempo:  15 min
Leitura e sistematização do texto: “As Famílias das Partículas”
Tempo:  20 min
Dinâmica da aula
Inicie a aula relembrando que foram vistos vários nomes e partículas novas, como quarks, léptons, bósons e
hádrons. Em seguida, peça aos alunos formarem grupos para que possam realizar a última atividade do curso, a
atividade 12. Entregue o roteiro para eles juntamente com uma tesoura para recortarem os quadrados do roteiro e
possam montar o seu mapa das partículas. Depois deles terem montando seus mapas faça uma discussão sobre a
atividade, mostrando com os conceitos estão ligados. Para isso, o professor pode olhar o esquema no final. Finalize
a aula fazendo a leitura do texto.
127
NUPIC/LAPEF
Atividade 13 – Montagem do mapa conceitual
Objetivo:
Tentar ligar os conceitos estudados durante todo o curso, mostrando que eles podem se
entendidos como uma grande estrutura.
Essa é a atividade que encerra nosso passeio pelo mundo da Física de Partículas. Nela, tentaremos sistematizar algumas
idéias que podem ter ficado soltas ao longo do caminho.
Por isso tentaremos montar esse mapa conceitual, que irá auxiliar na compreensão dos conceitos estudados.
Material:
Vários quadrados de papel com os conceitos mais importantes da Física de Partículas, como: força forte, fraca, eletromagnética
e gravitacional, glúons, quarks, léptons entre outros.
Procedimento:
Recorte os quadrados abaixo.
De posse desses quadrados, tente conectá-los de uma forma coerente com o que foi estudado.
Lembre-se da classificação das partículas.
BÓSONS
FÓTON QUARKS e+
HÁDRONS down
p
W, Z0
GLÚONS BÁRIONS up  n
FÉRMIONS MÉSONS   
GRÁVITON LÉPTONS e- + 
+
e
0
K
top

128
NUPIC/LAPEF
Aula 41
Tema: Famílias das Partículas
Objetivo: Identificar os grupos de partículas, bem como as propriedades que servem de categorização.
Conteúdo Físico: Interações forte, fraca e eletromagnética; Spin; carga elétrica e carga cor.


Texto de apoio: “As famílias das partículas”.
Aulas expositivas.
Motivação: Conhecer as famílias das partículas.
1º Momento
Discussão final sobre a classificação das partículas
2º Momento
Discussão Final do curso com a proposta do Modelo Padrão.
3º Momento
Momentos
Devolva aos alunos o questionário inicial para que eles possam avaliar o seu desenvolvimento durante o
curso.
Tempo:  15 min
Tempo:  20 min
Tempo:  15 min
Sugestão: Para fazer a discussão final da classificação das partículas utilize o quadro no final deste bloco. Há
também um quadro mostrando o modelo padrão atual, utilize-o para fazer a discussão sobre o modelo padrão.
Dinâmica da aula
Inicie a aula retomando a discussão sobre a classificação das partículas. Em seguida discuta o modelo padrão
vigente para finalizar a discussão sobre as partículas. Ao final devolva o questionário inicial para eles próprios
corrigirem, discutindo algumas questões que ainda ficaram para trás.
129
NUPIC/LAPEF
Propriedades das partículas
As partículas apresentam características que as fazem serem diferentes umas das outras. Essas
características são as propriedades delas que servem para diferenciá-las e assim formar as famílias.
Vamos apresentar agora, algumas dessas propriedades.
A primeira diferença notada entre as partículas foi à carga elétrica. A carga elétrica possui
características muito interessantes, como possuir sinais contrários (+ e -), poder ser somada (uma carga
positiva neutraliza a ação de uma carga negativa, ou seja, + com -, dá zero), é sempre conservada (não se
pode criar carga negativa sem criar uma positiva, ou seja, a quantidade de cargas de um sistema fechado é
sempre a mesma)
Partículas que possuem carga elétrica estão sujeitas a interação eletromagnética, formando assim
uma família de partículas que sofrem essa interação. Esse é o caso dos prótons e dos elétrons. Mas, como
vimos, essas não são as únicas partículas que possuem carga, existem outras partículas como o Múon (), o Tau (), o Sigma mais (+), o Delta mais (+) e o Delta dois mais (++). Todas são partículas que
têm carga elétrica.
Desta forma, vemos que a carga elétrica é uma propriedade muito importante neste estudo. É ela
que vai indicar se a partícula sofre interação eletromagnética ou não. Partículas com carga nula, como o
caso do nêutron, não são influenciadas por essa interação, dando indícios que existem outro tipo de
interação para denunciar a presença dessas partículas. Concluímos também, que a carga elétrica, é dada
em função da carga elétrica do elétron, que é a menor carga detectada isolada atualmente e por isso recebe
o status de elementar10. Assim, o elétron e o próton11 têm cargas iguais a 1, porém de sinais contrários. O
próton é positivo e o elétron negativo. Por esse motivo, falamos que a carga elétrica é quantizada.
Aparece aqui outra questão, como fazemos para distinguir o elétron e as outras partículas que têm
carga igual à -1?
Para responder essa questão temos que olhar para outra propriedade das partículas, a massa. Cada
partícula possui uma massa característica dela e é através dela que se consegue diferenciar as partículas
com a mesma carga. Para medir a massa dessas partículas, que é algo muito pequena, utilizamos uma
unidade de medida que é peculiar ao estudo das partículas, o MeV/c2(mega elétron-volt). O elétron-volt
(eV), significa a quantidade de energia adquirida por um elétron ao ser submetido a uma diferença de
potencial de 1 volt (V) e o mega (M) é o prefixo grego que equivale a potência 10 6, ou seja, um milhão.
Essa unidade de medida deriva da “famosa” equação de Einstein (E=mc2) para energia de repouso.
Assim, vemos que a medida da massa das partículas é feita indiretamente através de suas energias.
É devido a massa, que grande parte das partículas possuem, que elas sofrem um outro tipo de
interação, a interação gravitacional.
O spin fecha esse primeiro contato com as propriedades das partículas. O spin é uma grandeza
quântica, com regras próprias de soma, mas que por enquanto podemos entender o spin como sendo o
momento angular intrínseco da partícula que é como se a partículas estivessem girando. Para você
entender melhor o que é spin, basta imaginar um pião rodando, ele executa um movimento de rotação
sobre o seu eixo, esse seria o “spin do pião”. Para se ter idéia da importância do spin, é graças a ele, que
pode ser feita uma grande classificação das partículas, separando os agentes dos mediadores das
interações, ou seja, quem transmite a mensagem e quais são os seus interlocutores. O spin é sempre
medido em relação a constante de Planck12 divido por 2 (  ), possuindo valores positivos e negativos
para algumas partículas.
Das partículas que conhecemos até agora, podemos fazer uma tabela, sistematizando as
propriedades estudadas.
10
Algo básico, primário e simples.
Vimos que apesar do próton ter carga de mesmo módulo que o elétron, ela não é considerada elementar, por ser constituído
de quarks.
12
Constante que domina o mundo microscópico, ou melhor, o mundo atômico. Seu valor é h = 6,62 x 10-34 J.s (unidade de
momento angular)
11
130
NUPIC/LAPEF
Tabela com as propriedades de algumas partículas
Partícula
Elétron (e-)
Múon (-)
Tau (-)
Próton (p+)
Sigma mais (+)
Delta mais (+)
Delta dois mais
(++)
Nêutron (n)
Fóton ()
Píon mais (+)
Píon menos (-)
Carga elétrica
(e)
-1
-1
-1
+1
+1
+1
Spin (  )
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
3/2
Massa de repouso
(MeV/c2)
0,51
106
1784
938
1189
1235
+2
3/2
1233
0
0
+1
-1
1/2
1
1
1
938
0
140
140
Questões:
1) Você conseguiria propor outros critérios (propriedades) para auxiliar na classificação das partículas?
2) Haveria uma maneira de diferenciar partículas com mesmo spin e mesma massa? Qual?
131
NUPIC/LAPEF
As famílias das partículas
Vimos que as interações entre as partículas são mediadas por outras partículas. A força
dos supostos grávitons; a força forte é mediada pela troca de glúons (g) e a força fraca é mediada pelos
bósons W+, W- e Z0.
Essas partículas que mediam as forças têm uma propriedade em comum, que diferenciam das
demais partículas. Essa propriedade é o spin.
O spin dessas partículas é inteiro, fazendo que elas se agrupem, constituindo uma família, que é
denominada bósons. Assim, bóson é o nome genérico de todas as partículas que são mediadoras de forças
e que têm spin inteiro.
A tabela resume o que foi falado sobre as interações e seus mediadores até agora.
Interação
Gravitacional
Eletromagnética
Fundamental
Bóson
Fonte da
mediador interação
Carga
elétrica
(e)
Spin Alcance Tempo de Intensidad
( )
(m)
interação (s) e relativa
Gráviton (?)
Massa
0
2
Infinito
-
10-40
Fóton
Carga
elétrica
0
1
Infinito
10-18
10-2
Glúons
Carga cor
0
1
10-15
10-23
1
-15
-23
1
Forte
Residual
Fraca
Mésons
Carga cor
0
1
10
10
W -, W +
Carga fraca
-1, +1
1, 1
10-18
10-16
10-12
Z0
Carga fraca
0
1
10-18
10-10
10-12
Os bósons por possuírem spin inteiro não obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, por isso eles
podem ser encontrados no mesmo nível de energia, ou seja, podemos ter vários bósons no mesmo nível de
energia. Essa propriedade, explica a produção do laser (Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation), que nada mais é do que a emissão de fótons com mesma energia.
As demais partículas, têm o spin fracionário, formando um outro grupo ou família de partículas,
denominadas Férmions.
Como os férmions possuem spin fracionário (1/2, 3/2,...) eles obedecem ao princípio da exclusão de
Pauli, ou seja, não podemos ter férmions com mesmo nível de energia, enquanto partes de um todo, como
por exemplo, os quarks no interior das partículas e os elétrons nas camadas da eletrosfera.
Os férmions elementares são os quarks com sabor up, down, strange, charm, bottom e top e os
léptons com sabor elétron, neutrino do elétron, múon, neutrino do múon, tau e neutrino do tau. Essas
partículas estão separadas em gerações, como mostra a tabela:
Geração
1a
2a
3a
Quark
Lépton
up (u)
Elétron (e-)
down (d) neutrino do elétron (e)
strange (s)
Múon charm (c) neutrino do múon ()
bottom (b)
tau top (t)
132
Geração
1a
NUPIC/LAPEF
Antiquark
Antilépton
antiup ( u )
pósitron (e+)
antineutrino do elétron
( e )
antidown ( d )
Antimúon (+ )
antineutrino do múon
(  )
antistrange ( s )
2a
a
3
anticharm ( c )
antibottom ( b )
antitop ( t )
Antitau (+)
antineutrino do tau (  )
A primeira geração de férmions (u, d, e-, e) forma toda a matéria existente a nossa volta, junto com
os bósons mediadores.
Tabela das propriedades dos Léptons e antiléptons
Lépton
Elétron (e-)
neutrino do elétron (e)
múon (-)
neutrino do múon ()
tau (-)
Antilépton
pósitron (e+)
antineutrino do elétron
(e)
antimúon (+)
antineutrino do múon
()
Antitau (+)
antineutrino do tau ()
½
½
½
½
½
½
Massa
(MeV/c2)
0,511
 0,016
107
 0,25
1777
 35
spin (  )
½
Massa
(MeV/c2)
0,511
carga elétrica (e)
+1
Le
-1
L
0
L
0
½
 0,016
0
-1
0
0
½
106
+1
0
-1
0
½
 0,25
0
0
-1
0
½
½
1784
 35
+1
0
0
0
0
0
-1
-1
spin (  )
carga elétrica (e)
Le
L
L
-1
0
-1
0
-1
0
+1
+1
0
0
0
0
0
0
+1
+1
0
0
0
0
0
0
+1
+1
Le: número leptônico do elétron
L: número leptônico do múon
L: número leptônico do tau
Os quarks formam uma gama muito grande de partículas, que já vimos que são os hádrons
(partículas formadas de quarks) e, essas partículas se dividem em dois grupos. Um formado pelos
bárions, que são partículas que possuem 3 quarks e tem spin fracionário e, por isso também são férmions;
o outro grupo, são os mésons, que são partículas formadas por um quark e um antiquark, possuindo spin
inteiro (0 ou 1), sendo classificados como bósons.
Desta forma, os quarks formam hádrons que podem ser bárions (spin fracionário), que são
férmions e, podem ser mésons (spin inteiro), que são bósons.
133
NUPIC/LAPEF
Tabela das propriedades dos Quarks e Antiquarks
Quark
up (u)
down (d)
strange (s)
Charm (c)
Bottom (b)
top (t)
spin (  )
½
½
½
½
½
½
Antiquark
spin (  )
antiup (u)
½
antidown (d)
½
antistrange
½
(s)
anticharm (c)
½
antibottom
½
(b)
antitop (t)
½
Massa
(MeV/c2)
3
7
540
1250
4700
174000
carga elétrica
(e)
+2/3
-1/3
-1/3
+2/3
-1/3
+2/3
nº bariônico
(B)
+1/3
+1/3
+1/3
+1/3
+1/3
+1/3
Estranheza
(S)
0
0
-1
0
0
0
Massa
(MeV/c2)
3
7
carga elétrica
(e)
-2/3
+1/3
nº bariônico
(B)
-1/3
-1/3
Estranheza
(S)
0
0
540
+1/3
-1/3
+1
1250
-2/3
-1/3
0
4700
+1/3
-1/3
0
174000
-2/3
-1/3
0
Tabela das propriedades dos Bárions e Antibárions
Bárion
Próton (p)
Neutron (n)
Lambda zero (0)
Sigma mais (+)
Sigma zero (0)
Sigma menos (-)
Csi zero (0)
Csi menos (-)
Omega menos (-)
Delta dois mais (++)
Quark
Uud
Udd
Uds
Uus
Uds
Dds
Uss
Dss
Sss
Uuu
spin
( )
½
½
½
½
½
½
½
½
3/2
3/2
Massa carga elétrica nº bariônico Estranheza
(MeV/c2)
(e)
(B)
(S)
938
+1
+1
0
938
0
+1
0
1116
0
+1
-1
1189
+1
+1
-1
1193
0
+1
-1
1197
-1
+1
-1
1315
0
+1
-2
1321
-1
+1
-2
1673
-1
+1
-3
1233
+2
+1
0
134
Antibárion
antipróton (p)
antineutron (n)
antilambda zero (0)
antisigma menos (-)
antisigma zero (0)
antisigma mais (+)
Anticsi zero (0)
Anticsi mais (+)
antiomega mais (+)
Quark
Uud
Udd
Uds
Uus
Uds
Dds
Uss
Dss
Sss
NUPIC/LAPEF
spin
( )
½
½
½
½
½
½
½
½
3/2
(MeV/c2)
(e)
(B)
(S)
938
-1
-1
0
938
0
-1
0
1116
0
-1
+1
1189
-1
-1
+1
1193
0
-1
+1
1197
+1
-1
+1
1315
0
-1
+2
1321
+1
-1
+2
1673
+1
-1
+3
Tabela das propriedades dos Mésons
Méson
Píon mais (+)
Píon menos (-)
Píon zero (0)
Káon mais (k+)
Káon zero (k0)
Káon menos (k-)
Eta zero (0)
Quark
ud
ud
uu
us
ds
us
dd
spin
( )
0
0
0
0
0
0
0
(MeV/c2)
(e)
(B)
(S)
140
+1
0
0
140
-1
0
0
1356
0
0
0
494
+1
0
+1
498
0
0
+1
494
-1
0
-1
549
0
0
0
135

Partículas Elementares - Nupic - Núcleo de Pesquisas em Inovação

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