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Constituição da matéria: 2. As partículas fundamentais

  • Data de publicação
Roberto A. Salmeron - USP

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

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

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

1. Elétron ou Negatron

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

O elétron é uma partícula que possui carga elétrica negativa, cujo valor absoluto se representa por e. Vale: -e = -4,8024 . 10-10ues CGSq. É a menor carga elétrica que existe isolada na natureza.

Sua massa é muito pequena. Em unidades de massa atômica, vale: 0,00054862 u.m.a. (veja o tópico "Unidades de Massa Atômica"). Em gramas, 9,11 . 1028gramas. É aproximadamente 1/1837 da massa do átomo de hidrogênio.

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

2. Próton


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

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

Sua massa é 1,007582 em unidades de massa atômica, e 1,67248 . 10-24gramas. É cerca de 1837 vezes mais pesado que o elétron.

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

3. Nêutron


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

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

É a partícula mais pesada que conhecemos. Sua massa é 1,008930 em unidades de massa atômica, e 1,67472 . 10-24gramas. É um pouco mais pesada que o átomo de hidrogênio (some a massa do próton com a do elétron, e verifique que essa soma é menor que a massa do neutron).

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

4. Positron ou elétron positivo


Carl D. Anderson
Foi descoberto em 1932 por Carl D. Anderson.

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

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

5. Neutrino

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

1º) deve ser neutra;
2º) deve ter massa menor que a do elétron.

Por isso ela foi chamada neutrino (que em italiano significa neutronzinho).

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

6. Fóton


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

7. Os Mesons

a) Mesons leves ou mesons mu (m)

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

1º) que êsses mésons têm massa aproximadamente igual a 212 vezes a massa do elétron;
2º) que têm carga elétrica de valor absoluto igual à do elétron;
3º) que existem dois mésons com essa massa: um com carga positiva +e; outro com carga negativa -e.

Êsses mésons são os que hoje chamamos mésons leves: o méson leve positivo e o méson leve negativo.

b) Mesons pesados ou mesons pi (p)

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

1º) massa aproximadamente igual a 300 vezes a massa do elétron (daí o nome de mésons pesados, porque são mais pesados que os descobertos por Anderson e Neddermeyer).
2º) um têm carga elétrica +e, outro têm -e.

Até 1948 êsses quatro mésons só eram observados em raios cósmicos, isto é, chegados à superfície da Terra através da atmosfera. Nesse ano, o físico brasileiro Cesar Lattes juntamente com o americano Eugene Gardner conseguiu pela primeira vez produzir mésons no laboratório; isto é, conseguiu produção artificial de mésons.

c) Mesons neutro

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

O NÚMERO DE AVOGRADO

Chama-se Número de Avogadro, ou Constante de Avogadro ao número de moléculas existentes na molécula-grama de qualquer corpo. É também o número de átomos existentes no átomo-grama de qualquer elemento.

Êsse número pode ser determinado experimentalmente do seguinte modo: quando deduzimos as leis da eletrólise, que:

Sendo

F o faraday,
e a carga elétrica do elétron,
N o número de Avogadro,

existe entre essas constantes a relação:

Essa equação nos dá um método para determinação de N, pois F e e são determinados independentemente um do outro. Os últimos valores encontrados são:

F = 96.552 coulombs
e = 1,60199 . 10-19 coulombs

Resulta:

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