No primeiro capítulo fiz uma discussão geral sobre o Modelo Padrão das partículas elementares. Coloquei basicamente o material que publiquei na coluna da Ciência Hoje Online, Para apreciar a festa do LHC , onde tive a oportunidade de mencionar algumas das partículas “elementares”. As aspas aqui representam o fato de que durante algum tempo se pensou que prótons, mésons e nêutrons fossem elementares. Como você viu no primeiro capítulo isso hoje não é mais assim.
Talvez seja interessante algum comentário introdutório sobre os processos de detecção de partículas elementares. Nossos sentidos não conseguem detectar a maioria das radiações produzidas na natureza. Podemos sentir a radiação eletromagnética na faixa acima do infravermelho, onde ela se manifesta sob a forma de calor, depois essa radiação torna-se visível até a faixa um pouco abaixo do ultravioleta. Portanto, radiação com energia do infravermelho para baixo e do ultravioleta para cima escapam aos nossos sentidos. Também temos limitações dimensionais. Na faixa do micrômetro (a milionésima parte do metro) para baixo é impossível vermos a olho nú.
A limitação dimensional é superada com o uso de diferentes tipos de microscópicos (ópticos, eletrônicos, iônicos, etc). As limitações, digamos, energéticas, são superadas por intermédio de interações com a matéria. É o produto dessa interação que nos indica a presença da radiação, e possibilita sua quantificação. Por exemplo, as ondas de rádio são percebidas depois que elas interagem com uma antena. O resultado da interação é processado e se transforma em áudio nos nossos aparelhos. Os raios-X foram inicialmente percebidos por causa da sua capacidade de sensibilizar um filme fotográfico. Depois foram desenvolvidos outros detectores, mais eficientes.
No capítulo sobre aceleradores e detectores de partículas discutiremos isso com mais detalhes.
Elétron
O elétron foi a primeira partícula elementar experimentalmente identificada. Sua descoberta foi conseqüência direta da linha de pesquisa que nos anos 1890 resultou na descoberta dos raios-X e da radioatividade. Sobre a descoberta dos raios-X, sugiro a leitura do artigo Raios X: Descoberta casual ou criterioso experimento?, que publiquei em 1995 na Ciência Hoje (vol. 19, n. 114, pp. 26-35). Sobre a descoberta da radioatividade existe um ótimo material produzido pelo prof. Roberto Martins, do IF-Unicamp.
| Se desejar complementar a leitura do artigo do prof. Martins, sugiro as duas colunas que escrevi sobre Rutherford: O Indiana Jones do núcleo atômico e Uma história mal contada. Você também pode ver os slides da palestra que apresentei na SBPC 2008: Dos raios alfa à energia nuclear: caminhos percorridos por Rrutherford. Sobre a descoberta do elétron, sugiro o bom material disponível no portal da UFPEL. |  |
| Os eventos mencionados acima culminaram no modelo atômico proposto por Rutherford, em 1911. É aquele modelo no qual o átomo consiste de um núcleo, muito pequeno, onde concentra-se praticamente toda a massa atômica, em volta do qual giram os elétrons. Os experimentos com partículas alfa realizados por Geiger e Marsden, colaboradores de Rutherford, sugeriam este modelo, mas eles não sabiam, ou não tinham tempo para tratar a sua eletrodinâmica. Coube a Niels Bohr a tarefa de desvendar os mistérios deste modelo atômico. |  |
Próton
Nos experimentos mencionados acima, partículas alfa com altas energias, provenientes de materiais radioativos, eram lançadas sobre folhas finas de diferentes materiais sólidos. O resultado mais conhecido foi obtido com ouro.
| Em 1917, Rutherford inicia um caderno de laboratório, intitulado Range of High-Speed Atoms in Air and Other Gases. A idéia era investigar o alcance de partículas alfa em diferentes tipos de gases. |  |
O próton foi descoberto, em 1919, quando Rutherford analisou os resultados obtidos com o nitrogênio. Ele observou que algo saia com poder de penetração superior ao da partícula alfa incidente. Esses resultados foram relatados no 4o. artigo da relação abaixo.
A primeira alternativa, de que o átomo de nitrogênio fosse “empurrado” pela partícula alfa e ganhasse energia não fazia sentido, pois o nitrogênio é muito mais pesado do a partícula alfa.
Este experimento possibilitou a Rutherford fazer duas importantes descobertas. Ele concluiu que o choque da partícula alfa com átomos de nitrogênio produzia átomos de hidrogênio, e que os átomos de nitrogênio desintegravam-se durante a colisão. No início ele pensou que o átomo de hidrogênio fazia parte do núcleo do nitrogênio, mas logo percebeu que se tratava de fato o núcleo do átomo de hidrogênio, que alguns depois recebeu o nome de próton.
Portanto, Rutherford descobriu de uma vez só, a desintegração artificial do núcleo e o próton. Também previu a existência do nêutron, mas não publicou essa conjectura, embora tenha apresentado na conferência Bakeriana que ele proferiu em 1920.
Nêutron
O experimento que abriu o caminho para a descoberta do nêutron foi realizado por Walther Bothe em 1930. Ele bombardeou átomos de berílio com partículas alfa e detectou uma radiação que ele interpretou como radiação gama altamente energética.
Isso despertou o interesse do casal Frédéric Joliot e Irène Curie, que pensou utilizar a radiação para produzir transmutação. Repetiram o experimento de Bothe e fizeram com que a radiação incidisse sobre um bloco de parafina, o que significa dizer essencialmente sobre um material contendo carbono e hidrogênio.
O casal Joliot-Curie detectou prótons com energia de aproximadamente 5 MeV (milhões de elétron-volts). Pela conservação de energia e quantidade de movimento, a radiação gama deveria ter uma energia da ordem de 50 MeV, algo impossível. Quando Chadwick comentou com Rutherford sobre o resultado do casal francês, o velho professor disse: não acredito que eles tenham observado uma radiação gama no experimento de Bothe. Aquilo deve ser a partícula neutra que previ em 1920. Chadwick repetiu o experimento e descobriu o nêutro.
Como diria o Anonymous Gourmet: voltaremos!
Prof. Carlos Alberto 
DETECÇÃO DE MATÉRIA “ESTRANHA” EM RAIOS CÓSMICOS
Estas matérias “estranhas” que estão sendo descobertas nos eventos de Raios Cósmicos são na verdade partes de matéria resultante de explosões de Estrelas.
Considerando o Modelo Proposto, todas estas “famílias” descobertas nas últimas décadas são Prótons e Nêutrons partidos que hora se apresentam neutros (quando apresenta o mesmo número de Posítrons e Elétrons), hora se apresentam positivos (quando apresenta 01 posítron a mais), hora se apresentam negativos (quando apresenta 01 elétron a mais – como é o caso do muón que apresenta a massa 207 vezes a massa do elétron – seria então 104 elétrons e 103 posítrons).
Como estes Raios cósmicos (provavelmente de explosão de super novas – constituídas de Nêutrons – que devido à imensa força Gravitacional é possível que consiga manter em união mais posítron e elétrons), o que justifica também, elementos com massas superiores aos átomos do nosso sistema solar, justificando também a massa do Tau, que é muito maior que um Próton ou um Nêutron conhecidos. Mas são constituídos das mesmas partículas elementares que existem em nosso Universo (elétrons, posítrons, neutrinos e antineutrinos).
Devido, estas matérias, serem resultante de explosões estrelares, elas não possuem estabilidade, e por este motivo, se desintegram rapidamente pelo choque entre posítrons e elétrons, produzindo grande quantidade de radiação gama (y) neutrinos e antineutrinos carregados de energia e por vezes elétrons e posítrons.
Não há que se falar em estranheza, pois é, a mesma matéria que conhecemos, ou seja, a mesma “matéria e antimatéria” em sua constituição.
Luiz Carlos de Almeida – luiz1611@hotmail.com
Os trabalhos do thomson contaram com a contribuição do geissler, que conseguiu inventar uma técnica de soldagem do vidro ao metal, que permitiu construir os tubos de vidros já com os eletrodos inseridos e obteve bombas de vácuo de mercúrio com pressões de até 100 Pa,valor mais baixo da época.Estas técnicas foram aperfeiçoadas pelo william crookes, onde as novas pressões eram da ordem de 1Pa.
E interessante atentarmos para o fato de que descargas elétricas em tubos de vidro evacuadas chamavam a atenção dos cientistas desde o século XVII, dentre eles podemos destacar Hauksbee, William Watson, Michel Farady, Goldstein e o professor de filosofia da universidade de bonn Julius Plucker que foi um dos pioneiros a trabalhar com as ampolas de geissler, todos eles observaram que quando a pressão no interior do tubo era reduzida e o tubo ligado a alguma fonte de cargas elétricas, um jogo de luzes aparecia no interior do tubo.
A medida que crescia os estudos com raios catódicos( denominação dada por goldstein, que atribuiu o fenômeno a um tipo desconhecido de raios denominados de raios catódicos ) crescia também um acalorado debate científico sobre a natureza e constituição deste raios, alguns defendiam este raios como sendo formados por partículas, dentre eles o crookes que balizava sua posição nos resultados de seus experimentos em que ele observou que os raios projetavam sombras bem definidas em objetos compactos interposto em seu caminho, percebeu também que os raios transferiam momento linear a uma roda com pás também interpostas em seu caminho.
Em oposição a crookes e a todos os outros pertencentes a essa corrente, havia o goldstein que dizia que tais raios eram ondas eletromagnéticas, esta idéia era balizada na estimativa do livre caminho médio (se tais raios fossem constituídos de por partículas, estas deveriam ter livre caminho médio maior que as moléculas do gás residual contido no interior do tubo).
Enfim esta era uma questão bastante debatida no século XIX, só sendo resolvida com o advento dos trabalhos de J.JThomson, que começou a trabalhar com os tubos de crookes por volta de 1894, no intuito de realizar uma tarefa não concluída pelo Hertz (que era um dos que defendiam os raios catódicos como ondas eletromagnéticas), a de calcular a velocidade dos raios, que o Hertz não consegui obter concluindo assim que tais raios eram ondas.O método empregado pelo Hertz consistia em tentar defletir os raios catódicos por meio de campo elétrico, se tais desvios fossem observados, constituiria em uma grande prova de que tais raios possuíam cargas elétricas.Mais tarde o Thomson utilizando tubos mais evacuados, conseguiu observar tais desvios e revelar o motivo do fracasso de Hertz, que foi atribuído ao gás residual presente em seu tubo e dos baixos valores de campo elétrico usados por Hertz.
Thomson então percebeu que poderia utilizar tais desvios para obter características quantitativas de tais partículas, ou seja, obteve a razão carga/massa dos raios catódicos, e percebeu que tal valor não dependia da constituição do cátodo nem do tipo de gás residual no interior do tubo, sendo que a razão era característica das partículas dos raios e que estas estariam presentes em todos os elementos químicos da natureza.
E importante destacar que o Thomson elaborou uma técnica para a identificação do elétron em qualquer situação que esta partícula aparecesse.
A descoberta do elétron foi um grande marco na história da física, pois contribuiu para a elucidação da estrutura do átomo, sabe-se que somente com o advento do elétron ao cenário físico, as investigações sobre a estrutura atômicas puderam ser levadas adiante, outro evento que também contribuiu bastante foi a descoberta da radioatividade por Rutherford, pois usando partículas alfa ele consegui descobrir o núcleo atômico.
Estes eventos foram de certa forma minando as premissas dos adeptos da filosofia empirista, que não acreditavam na existência do átomo, os seguidores desse círculo de pensamento consideravam anti-científico trabalhar com partículas que não pudessem ser diretamente observadas.
Apesar de ter recebido o reconhecimento de primazia da descoberta do elétron, J.J Thomson não era o único a trabalhar com tubos de crookes e raios catódicos, outros pesquisadores também se dedicavam em desvendar a natureza dos raios catódicos, e interessante destacarmos que o físico Walter Kaufmann determinou também razão carga/massa, obtendo inclusive resultados mais precisos que o Thomson, ou seja, historicamente o Kaufmann deveria ter recebido a primazia de tal feito, mas ele ara um adepto da filosofia empirista, não citando em nenhum momento ter descoberto uma nova partícula.
É importante falarmos um pouco do laboratório Cavendish, pois ele foi palco das grandes descobertas no século XIX, tal laboratório foi criado na universidade de Cambridge, em 1871, como uma ação do governo inglês no intuito de equiparar a Inglaterra aos paises mais desenvolvidos em física experimental. Teve como seus primeiros dirigentes dois grandes físicos teóricos: James C. Maxwell e Lord Rayleigh. Este laboratório teve um papel de destaque nas principais descobertas dos constituintes elementares do átomo.
A descoberta do elétron foi um grande marco na história da física, pois contribuiu para a elucidação da estrutura do átomo, sabe-se que somente com o advento do elétron ao cenário físico, as investigações sobre a estrutura atômicas puderam ser levadas adiante, outro evento que também contribuiu bastante foi a descoberta da radioatividade por Rutherford, pois usando partículas alfa ele consegui descobrir o núcleo atômico.
Estes eventos foram de certa forma minando as premissas dos adeptos da filosofia empirista, que não acreditavam na existência do átomo, os seguidores desse círculo de pensamento consideravam anti-científico trabalhar com partículas que não pudessem ser diretamente observadas.
Apesar de ter recebido o reconhecimento de primazia da descoberta do elétron, J.J Thomson não era o único a trabalhar com tubos de crookes e raios catódicos, outros pesquisadores também se dedicavam em desvendar a natureza dos raios catódicos, e interessante destacarmos que o físico Walter Kaufmann determinou também razão carga/massa, obtendo inclusive resultados mais precisos que o Thomson, ou seja, historicamente o Kaufmann deveria ter recebido a primazia de tal feito, mas ele ara um adepto da filosofia empirista, não citando em nenhum momento ter descoberto uma nova partícula.
É importante falarmos um pouco do laboratório Cavendish, pois ele foi palco das grandes descobertas no século XIX, tal laboratório foi criado na universidade de Cambridge, em 1871, como uma ação do governo inglês no intuito de equiparar a Inglaterra aos paises mais desenvolvidos em física experimental. Teve como seus primeiros dirigentes dois grandes físicos teóricos: James C. Maxwell e Lord Rayleigh. Este laboratório teve um papel de destaque nas principais descobertas dos constituintes elementares do átomo.