Módulo 6 - Física Moderna e Contemporânea PDF

Física Física moderna e contemporânea Organizadores Maurício Pietrocola Nobuko Ueta Elaboradores Guilherme Brockington Wellington Batista de Sousa Nobuko Ueta 6 módulo Nome do Aluno  GOVERNO DO ESTADO DE SÃO...

Física Física moderna e contemporânea Organizadores Maurício Pietrocola Nobuko Ueta Elaboradores Guilherme Brockington Wellington Batista de Sousa Nobuko Ueta 6 módulo Nome do Aluno  GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO Governador: Geraldo Alckmin Secretaria de Estado da Educação de São Paulo Secretário: Gabriel Benedito Issac Chalita Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas – CENP Coordenadora: Sonia Maria Silva UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Reitor: Adolpho José Melfi Pró-Reitora de Graduação Sonia Teresinha de Sousa Penin Pró-Reitor de Cultura e Extensão Universitária Adilson Avansi Abreu FUNDAÇÃO DE APOIO À FACULDADE DE EDUCAÇÃO – FAFE Presidente do Conselho Curador: Selma Garrido Pimenta Diretoria Administrativa: Anna Maria Pessoa de Carvalho Diretoria Financeira: Sílvia Luzia Frateschi Trivelato PROGRAMA PRÓ-UNIVERSITÁRIO Coordenadora Geral: Eleny Mitrulis Vice-coordenadora Geral: Sonia Maria Vanzella Castellar Coordenadora Pedagógica: Helena Coharik Chamlian Coordenadores de Área Biologia: Paulo Takeo Sano – Lyria Mori Física: Maurício Pietrocola – Nobuko Ueta Geografia: Sonia Maria Vanzella Castellar – Elvio Rodrigues Martins História: Kátia Maria Abud – Raquel Glezer Língua Inglesa: Anna Maria Carmagnani – Walkyria Monte Mór Língua Portuguesa: Maria Lúcia Victório de Oliveira Andrade – Neide Luzia de Rezende – Valdir Heitor Barzotto Matemática: Antônio Carlos Brolezzi – Elvia Mureb Sallum – Martha S. Monteiro Química: Maria Eunice Ribeiro Marcondes – Marcelo Giordan Produção Editorial Dreampix Comunicação Revisão, diagramação, capa e projeto gráfico: André Jun Nishizawa, Eduardo Higa Sokei, José Muniz Jr. Mariana Pimenta Coan, Mario Guimarães Mucida e Wagner Shimabukuro Cartas ao Aluno Carta da Pró-Reitoria de Graduação Caro aluno, Com muita alegria, a Universidade de São Paulo, por meio de seus estudantes e de seus professores, participa dessa parceria com a Secretaria de Estado da Educação, oferecendo a você o que temos de melhor: conhecimento. Conhecimento é a chave para o desenvolvimento das pessoas e das nações e freqüentar o ensino superior é a maneira mais efetiva de ampliar conhecimentos de forma sistemática e de se preparar para uma profissão. Ingressar numa universidade de reconhecida qualidade e gratuita é o desejo de tantos jovens como você. Por isso, a USP, assim como outras universidades públicas, possui um vestibular tão concorrido. Para enfrentar tal concorrência, muitos alunos do ensino médio, inclusive os que estudam em escolas particulares de reconhecida qualidade, fazem cursinhos preparatórios, em geral de alto custo e inacessíveis à maioria dos alunos da escola pública. O presente programa oferece a você a possibilidade de se preparar para enfrentar com melhores condições um vestibular, retomando aspectos fundamentais da programação do ensino médio. Espera-se, também, que essa revisão, orientada por objetivos educacionais, o auxilie a perceber com clareza o desenvolvimento pessoal que adquiriu ao longo da educação básica. Tomar posse da própria formação certamente lhe dará a segurança necessária para enfrentar qualquer situação de vida e de trabalho. Enfrente com garra esse programa. Os próximos meses, até os exames em novembro, exigirão de sua parte muita disciplina e estudo diário. Os monitores e os professores da USP, em parceria com os professores de sua escola, estão se dedicando muito para ajudá-lo nessa travessia. Em nome da comunidade USP, desejo-lhe, meu caro aluno, disposição e vigor para o presente desafio. Sonia Teresinha de Sousa Penin. Pró-Reitora de Graduação. Carta da Secretaria de Estado da Educação Caro aluno, Com a efetiva expansão e a crescente melhoria do ensino médio estadual, os desafios vivenciados por todos os jovens matriculados nas escolas da rede estadual de ensino, no momento de ingressar nas universidades públicas, vêm se inserindo, ao longo dos anos, num contexto aparentemente contraditório. Se de um lado nota-se um gradual aumento no percentual dos jovens aprovados nos exames vestibulares da Fuvest — o que, indubitavelmente, comprova a qualidade dos estudos públicos oferecidos —, de outro mostra quão desiguais têm sido as condições apresentadas pelos alunos ao concluírem a última etapa da educação básica. Diante dessa realidade, e com o objetivo de assegurar a esses alunos o patamar de formação básica necessário ao restabelecimento da igualdade de direitos demandados pela continuidade de estudos em nível superior, a Secretaria de Estado da Educação assumiu, em 2004, o compromisso de abrir, no programa denominado Pró-Universitário, 5.000 vagas para alunos matriculados na terceira série do curso regular do ensino médio. É uma proposta de trabalho que busca ampliar e diversificar as oportunidades de aprendizagem de novos conhecimentos e conteúdos de modo a instrumentalizar o aluno para uma efetiva inserção no mundo acadêmico. Tal proposta pedagógica buscará contemplar as diferentes disciplinas do currículo do ensino médio mediante material didático especialmente construído para esse fim. O Programa não só quer encorajar você, aluno da escola pública, a participar do exame seletivo de ingresso no ensino público superior, como espera se constituir em um efetivo canal interativo entre a escola de ensino médio e a universidade. Num processo de contribuições mútuas, rico e diversificado em subsídios, essa parceria poderá, no caso da estadual paulista, contribuir para o aperfeiçoamento de seu currículo, organização e formação de docentes. Prof. Sonia Maria Silva Coordenadora da Coordenadoria de Estudos e Normas Pedagógicas Apresentação da área A Física é tida pelos estudantes como uma área de conhecimento de difícil entendimento. Por exigir nível de raciocínio elevado e grande poder de abs- tração para entender seus conceitos, acaba-se acreditando que o conhecimen- to físico está distante do cotidiano das pessoas. No entanto, se olharmos para o mundo que nos cerca com um pouco de cuidado, é possível perceber que a Física está muito perto: a imagem no tubo de televisão só existe porque a tecnologia moderna é capaz de lidar com elétrons e ondas eletromagnéticas. Nossos veículos automotores são máquinas térmicas que funcionam em ci- clos, os quais conhecemos e a partir deles produzimos energia mecânica ne- cessária para nos locomovermos. O Sol é na verdade uma grande fonte de emissão de radiação eletromagnética de diferentes freqüências, algumas visí- veis e outras não, sendo que muitas delas podem fazer mal à nossa saúde. Assim, o que pretendemos neste curso de Física é despertar em vocês a sensibilidade para re-visitar o mundo com um “olhar” físico, de forma a ser capaz entendê-lo através de suas teorias. Serão seis módulos, cada qual tratando de um tema pertencente às seguin- tes áreas da Física: Luz e Som; Calor; Eletromagnetismo, Mecânica, Energia e Física Moderna. Esses módulos abordarão os conteúdos físicos, tratando as- pectos teóricos, experimentais, históricos e suas relações com a tecnologia e sociedade. A Física pode ser interessante e prazerosa quando se consegue utilizar seus conceitos para estabelecer uma nova relação com a realidade. Bom estudo para todos! A coordenação Apresentação do módulo A vida do adolescente hoje é diferente daquela que levava um adolescente há 30 ou 40 anos. Para ter certeza disso, basta perguntar como era telefonar para o Rio de janeiro na década de 1950. Horas aguardando uma linha, sem falar no trabalho de discar para uma telefonista, ditar o número desejado e falar como se a outra pessoa se estivesse num outro mundo devido aos ruídos e chiados. A ciência e a tecnologia transformaram essa realidade: com um pequeno telefone celular temos o mundo ao alcance de nossos dedos. Porém, você já imaginou como seria um telefone celular sem os dispositivos disponíveis pelo advento de técnicas sofisticadas, que utilizam semi- condutores e novos materiais de alta tecnologia? Você certamente já viu como era um rádio antigo: enorme, pois funcionava com válvulas eletrônicas. O uso de semicondu- tores trouxe inúmeras vantagens na vida cotidiana. Os telefones celulares, os micro- computadores, as câmeras digitais, a transmissão em tempo real de notícias via satéli- tes artificiais, são alguns dos muitos equipamentos do cotidiano de uma pessoa dos nossos dias. As mudanças podem ser percebidas em outras áreas de nossas vidas. Por exemplo, hoje em dia, dificilmente um diagnóstico é feito sem o auxílio de imagens feitas com o uso de raios X ou de ultra–som, seja no dentista ou no médico. Quando se trata de problemas cardíacos e vasculares muitas vezes diagnósticos e terapias são feitos com o uso de radio isótopos ou por uma associação destes com raios X. As descobertas tanto da medicina como da física atômica e nuclear estão sendo usadas para o bem- estar da humanidade. Talvez você não saiba que toda essa modernidade está ligada às pesquisas nas áreas de física. Muitos pesquisadores, tanto na área de pesquisa pura como na área tecnológica, têm se dedicado ao estudo do átomo e das partículas elementares. Muitos trabalhos desenvolvidos para a pesquisa acabam beneficiando a todos no cotidiano. Até mesmo facilidades existentes, como o uso de aparelhos cada vez menores, não seriam possíveis sem o desenvolvimento da pesquisa científica envolvendo o mundo atômico. Os microcomputadores de hoje são muito mais eficientes que os primeiros computadores que surgiram. Apesar do seu custo ainda alto, não se pode comparar ao custo dos primeiros computadores, caríssimos e que ocupavam salas enormes refrige- radas a 20ºC. O desenvolvimento científico vem sendo feito desde o tempo dos gregos. Embora os métodos tenham variado muito, a pergunta fundamental de como é o nosso univer- so permanece fascinando a humanidade. Neste módulo veremos resumidamente como a teoria atômica foi desenvolvida com a introdução de conceitos inteiramente novos, que deram origem à teoria quântica. Veremos algumas aplicações de física atômica e nuclear na medicina, ilustrando a vasta área do conhecimento envolvendo o mundo microscópico. Unidade 1 Estrutura da matéria Organizadores INTRODUÇÃO Maurício Pietrocola Vivemos em um mundo onde as “coisas” são macroscópicas, porém o Nobuko Ueta homem sempre se preocupou em desvendar um outro mundo, o chamado Elaboradores mundo microscópico. Para isso, teve que fazer investigações e experimenta- Guilherme Brockington ções, além de criar novas idéias e modelos. Wellington Batista de Entre as muitas idéias que surgiram, havia a de que se dividirmos uma Sousa porção qualquer de matéria, poderíamos chegar à sua unidade fundamental, Nobuko Ueta ou seja, até uma partícula que não poderia ser mais dividida. Essa idéia, muito antiga, é a da matéria descontínua. Há também a idéia da matéria contínua, no qual podemos dividir a matéria o quanto quisermos e pudermos, sem jamais encontrar sua unidade fundamental. Essas idéias foram especuladas há 2 500 anos atrás, na Grécia antiga, ge- rando muita polêmica, como ainda hoje acontece com as novas teorias. Foram os gregos que inventaram o termo átomo (a = negação; tomo = partes, assim não há partes, e portanto, não é divisível). Essas duas escolas filosóficas gre- gas incitaram o homem à pesquisar a matéria, mas havia um pequeno proble- ma de época: tudo era feito filosoficamente, sem provas experimentais, ape- nas na retórica. Como você já dever estar imaginando, as idéias destes filósofos não fo- ram universalmente aceitas. Aliás, até mais ou menos 1600, as idéias sobre a continuidade da matéria eram as mais aceitas. Após essa data, com o advento do estudo dos gases e, principalmente, com as idéias do inglês Robert Boyle (1627-1691), o estudo da natureza corpuscular da matéria evoluiu, sendo aban- donada a idéia de continuidade. A nova concepção estabeleceu-se definitiva- mente por volta de 1803, depois da divulgação da teoria atômica de Dalton. Da idéia inicial dos gregos até os nossos dias atuais, o átomo passou por muitas reconstruções e modelos, e a evolução desses modelos bem como as suas características estaremos vendo nos próximos capítulos. Procure apro- veitar e desfrutar das idéias que esses grandes cientistas tiveram em momen- tos ímpares de suas vidas e que ajudaram a revolucionar e mudar os pensa- mentos das suas respectivas épocas. O MODELO ATÔMICO DE DALTON (1803) Com base em estudos de outros cientistas anteriores a ele (isso é muito comum em qualquer área do conhecimento humano), o cientista inglês John Dalton (1766-1844) desenvolveu uma teo-   ria denominada Teoria Atômica de Dalton que propunha um modelo de átomo que pregava as seguintes idéias: - Toda matéria é constituída por átomos; - Os átomos são esferas maciças, indivisíveis e neutras; - Os átomos não podem ser criados nem destruídos; - Os elementos químicos são formados por átomos simples; - Os átomos de determinado elemento são idênticos entre si em tamanho, forma, massa e demais propriedades; - Um composto é formado pela combinação de átomos de dois ou mais elementos que se unem entre si em várias proporções simples. Cada áto- mo guarda sua identidade química. A partir da divulgação das idéias de Dalton, seguiu-se um período de in- tensa aplicação e comprovação da sua teoria. Apesar de começarem a ser evidenciadas várias falhas, Dalton recusava sistematicamente tudo o que con- trariasse suas afirmações. Graças ao seu prestígio, suas idéias mantiveram-se inalteradas por algumas décadas. O MODELO ATÔMICO DE THOMSON (1897) Vale ressaltar como nota Joseph John Thomson (1856-1940) derrubou a histórica que as leis de idéia de que o átomo era indivisível. Com os dados Michael Faraday (1834) disponíveis na época, propôs um modelo mais coe- sobre a eletrólise leva- rente que o de Dalton. ram G. J. Stoney a sugerir que a eletricidade deve- Primeiramente ele considerou que toda matéria era constituída de átomos. ria ser formada por cor- Estes átomos continham partículas de carga negativa, denominadas elétrons. púsculos, aos quais ele Eletricamente neutros, os átomos apresentavam uma distribuição uniforme, con- chamou de “elétrons”. tínua e esférica de carga positiva, no qual os elétrons distribuiam-se uniforme- Muitos anos mais tarde, mente, conforme a figura. Essa distribuição garante o equilíbrio elétrico, evitan- explicando a natureza do o colapso da estrutura. O diâmetro do átomo seria da ordem de 10-10 m. dos raios catódicos, O átomo de Thomson também ficou conhecido como o Modelo do Pudim Thomson (1897) concre- tizou a existência dos de Passas, no qual as passas representam os elétrons e a massa do pudim, a elétrons. carga elétrica positiva. O MODELO ATÔMICO DE RUTHERFORD (1911) Em 1911 o físico neozelandês Ernest Rutherford (1871-1937), ganhador do prêmio Nobel em 1908, fez sua “experiência de espalhamento de partícu- las alfa” para suas novas descobertas sobre a estrutura do átomo, surgindo daí a base para o modelo de átomo que estudamos até os dias de hoje. Em sua experiência, Rutherford bombardeou uma fina folha de ouro com partículas alfa (pequenas partículas radioativas por- tadoras de carga elétrica positiva emitidas por alguns átomos ra- dioativos, como o polônio). Observou que a maioria atravessou a lâmina, outras mudaram ligeiramente de direção e algumas rico- chetearam. Este acontecimento foi evidenciado por uma tela com material fluorescente apropriado, usado na identificação de par- tículas alfa. Mas o que Rutherford esperava com isso? Ele espe- rava que, segundo o modelo de Thomson, as partículas alfa atra- vessassem a folha de ouro quase sem sofrer desvios.     -     Entretanto, os desvios foram muito mais intensos do que se poderia supor (algumas partículas até ricochetearam). Foi a partir dessa experiência que Rutherford levou suas idéias para o meio científico. A idéia de Thomson para o átomo foi mantida em parte, mas com modificações estruturais importantes. Rutherford propôs que os átomos seriam constituídos por um núcleo muito denso, carregado positivamente, onde se concentraria praticamente toda a massa. Ao redor desse nú- cleo positivo ficariam os elétrons, distribuídos espaçadamente numa região denominada de eletrosfera. Comparou seu mo- delo ao do sistema solar, onde o Sol seria o núcleo, e os pla- netas, os elétrons. Surge então o célebre modelo planetário do átomo. De sua experiência Rutherford também pode concluir, fazendo medidas quantitativas, que o átomo teria um núcleo com diâmetro da ordem de 10-13 cm e que o diâmetro do átomo seria da ordem de 10-8 cm. Isso significa que o núcleo é aproximadamente cem mil vezes menor que o átomo. A medida 10- 8 cm passou a ser chamada por uma unidade de medida conhecida por angstrom (1Å = 10-8 cm). Portanto, as principais características do átomo de Rutherford são as se- guintes: - O átomo não é maciço, mas formado por uma região central, denominada núcleo, muito pequeno em relação ao diâmetro atômico; - Esse núcleo concentra toda a massa do átomo e é dotado de carga elétrica positiva, onde estão os prótons; - Na região ao redor do núcleo, denominada de eletrosfera, estão girando em órbitas circulares os elétrons (partículas muito mais leves que os prótons, cerca de 1836 vezes), neutralizando a carga nuclear. As partículas alfa (α) são constituídas por núcleos de Hélio (dois prótons e dois nêu- trons) com carga +2 (+2α) e massa 4u (4α). Os prótons foram descobertos em 1904 pelo pró- Partícula Massa relativa (u) Carga Relativa (u.c.e) prio Rutherford. Os nêutrons só seriam descobertos Nêutron 1 0 mais tarde pelo inglês James Chadwick em 1932. A Próton 1 +1 partir da descoberta dos nêutrons, o modelo atômi- Elétron -1 co teve de incorporar os prótons, elétrons e nêu- trons. Os prótons e os nêutrons estariam no núcleo atômico e os elétrons giravam em torno deste. u = unidade de massa atômica = 1,66.10-24 gramas u.c.e = unidade de carga elétrica = 1,6.10-19 Coulomb    Pare para pensar nos avanços nos modelos atômicos desde os gregos até este de Rutherford. Quantos estudos independentes tiveram de ser feitos para que chegássemos a essas conclusões: estudo das massas, leis de conservação da ener- gia, radioatividade, muita matemática e cálculos avançados. Os cálculos foram muitas vezes o alicerce que os cientistas tinham para que essas informações fos- sem divulgadas para o meio científico. Aliás, foi esta matemática associada aos estudos sobre a natureza da luz e da radiação dos corpos incandescentes que deu suporte para o desenvolvimento da teoria quântica da matéria. Você já deve ter entendido que o átomo não foi descoberto por uma pessoa em especial. Você viu que Dalton propôs um modelo que tinha falhas, as quais foram cobertas por outras teorias, e outras, e outras, etc... Todas tentando expli- car a velha indagação dos antigos gregos: a matéria é contínua ou descontínua? O átomo foi sendo descoberto aos poucos através de inúmeras teorias pro- vadas cientificamente desde 1803, com Dalton. Mas mesmo no modelo atô- mico proposto por Rutherford, em 1911, havia ainda certas perguntas que Em 1733, Charles François esse modelo não explicava, por exemplo: como explicar que partículas com Du Fay (1698-1739), um cargas de mesmo sinal se concentravam no núcleo do átomo? Não deveriam químico francês, mos- os prótons repelirem-se, obedecendo à lei de Du Fay? Outro detalhe é que, trou que duas porções segundo os trabalhos de James Clerck Maxwell (1831-1879) sobre eletro- do mesmo material (por exemplo âmbar) eletriza- magnetismo, partículas carregadas e em movimento acelerado irradiam ener- das por atrito com um gia (ondas eletromagnéticas) e, portanto, “gastam” energia. Sendo assim, os tecido, repeliam-se, mas elétrons não poderiam ter órbita circular estável e estariam sofrendo perda o vidro eletrizado atraia constante de energia durante seu giro em torno do núcleo , caindo rapidamen- o âmbar eletrizado. A par- te no núcleo! Contudo, isso não ocorre. Como explicar esse fenômeno? tir dessa experiência Du Apesar dessas indagações não respondidas pela estrutura de Rutherford, Fay propôs que deveriam existir duas espécies de isso não significa que tenhamos que abandoná-la por completo. O átomo de eletricidade, que mais tar- Rutherford provou a existência do núcleo, mas falhou na explicação da esta- de seriam chamados de bilidade do átomo. Esse problema só seria resolvido com a criação de um fluidos elétricos. Esses novo modelo proposto por Niels Bohr (1885-1965), como uma correção do fluidos estariam em modelo de Rutherford e que será vista a seguir. quantidades iguais, o que tornaria os corpos RELEMBRANDO neutros. A partir dessa Número atômico (Z) corresponde a quantidade de prótons presentes no núcleo do idéia e do amadureci- átomo; número de massa (A) é a soma do número de prótons (Z) e o de nêutrons (n). Por mento de outras chegou- convenção indica-se o número de massa da seguinte maneira (utilizando como exem- se ao Princípio da Atra- ção e Repulsão, o qual plo o oxigênio): 16O. O número atômico é indicado dessa maneria: 8O. pode ser enunciado da seguinte forma: cargas (Exercício Proposto) Leia novamente e com muita atenção o texto sobre os de mesmo sinal se repe- modelos atômicos de Dalton, Thomson e Rutherford e escreva em poucas lem e cargas de sinais palavras as idéias centrais sobre cada modelo. Procure notar a partir de qual opostos se atraem. modelo introduz-se as cargas elétricas no interior do átomo e a forma como elas estão distribuídas. O MODELO ATÔMICO DE BOHR (1913) Em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962), ganhador do prê- mio Nobel em 1922, propôs um modelo atômico explicando a estabilidade do átomo. Para isso, Bohr baseou-se na Teoria Quântica, do alemão Max Planck (1858-1947), obtendo, desse modo, um excelente resultado. Após um deta- lhado estudo do espectro descontínuo do átomo de hidrogênio, que possui apenas um elétron movendo-se em torno do núcleo, Bohr propõe um modelo atômico por meio dos seguintes postulados:     -     - O elétron descreve órbitas circulares ao redor do núcleo, cujos raios rn dessas órbitas são dados pela expressão: rn = n2.. - As órbitas foram chamadas por Bohr de estados estacionários. Portanto, diz-se que o elétron está em um estado estacionário ou em um nível de energia, no qual cada órbita é caracterizada por um número quântico (n), que pode assumir valores inteiros entre 1, 2, 3... - Um elétron que permanece em um dado estado estacionário não emite energia, apresentando assim energia constante; - A passagem de um elétron de uma órbita para outra supõe absorção ou emissão de determinada quantidade de energia, conforme o elétron se move de uma posição menos energética para outra mais energética e vice-versa; - a energia é absorvida ou liberada na forma de radiação eletromagnética e é calculada pela expressão ∆E = h.f? ou E i – E f = h.f, onde E i e E f correspondem, respectivamente, à energia do elétron nos estados de ener- gia n i e n f e f corresponde à freqüência da onda eletromagnética (luz) emitida ou absorvida. Quando o próprio Bohr e outros cientistas ten- taram aplicar esse mode- lo a outros átomos com mais de um elétron, veri- NÃO SE ESQUEÇA ficaram que este falhava A freqüência f da onda eletromagnética absorvida ou liberada é medida em Hertz (Hz) totalmente. A conclusão e h corresponde a constante de Planck, que equivale a 6,63.10-34 J.s. é que deveria haver ou- tros fatores a influenciar CUIDADO em átomos com mais de Unidades de medida um elétron. De qualquer forma, esse modelo teve A unidade de energia, ao fazer o cálculo pela expressão ∆E = h.f, é expressa em Joule (J), no grande importância, pois Sistema Internacional de Medidas. Não se esqueça que também podemos usar como unida- introduziu a idéia de de de energia o elétron-volt (eV), onde: 1 eV = 1,6.10-19 J ou 1 J = 6,25.1018 eV; e podemos “quantização de energia” no estudo do átomo. obter a constante de Planck em eV. s: h = 6,63. 10-34. 6,25. 1018 eV. s = 4,1. 10-15 eV. s. O modelo atômico de Bohr para o átomo de hidrogênio Analisando o modelo de Bohr para o átomo de hidrogênio, concluímos que o estado de menor nível de energia corresponde a n = 1, chamado de estado fundamental.   Pela expressão do raio rn, descobre-se que o raio para a órbita no nível n = 1, chamado de raio de Bohr, é de r1 ≅ 0,52.10-10 m ou 0,52 Å, e que os raios para as demais órbitas podem ser generalizadas pela expressão: rn = n2. r1. A energia no estado fundamental chamada de E1 tem o valor –13,60 eV, calculada pela expressão: Nas expressões do raio rn e da energia En considera-se n = 1, 2, 3... para cada órbita permitida. Além disso, ε0 é a permissivi- dade elétrica do vácuo (8,85.10 -12), h é a constante de Planck (6,63.10-34 J.s), π é o conhecido número pi (3,14), m é a massa do elétron (9,1.10-31 kg) bem como e é o valor de sua carga elétri- ca em módulo (carga elementar = 1,6.10-19 C). Z é o número atô- mico (número de prótons no núcleo do átomo) do elemento con- siderado, no caso para o hidrogênio Z = 1. No modelo de Bohr, se um elétron receber a energia adequa- da, ele passará para um estado de maior energia, chamado de estado excitado, mas ficará nesse estado por um curtíssimo inter- valo de tempo; rapidamente ele emitirá um fóton (onda eletro- magnética) e voltará para o estado fundamental. Na figura ao lado, temos o diagrama de níveis de energia para o átomo de hidrogênio. (Exercício Resolvido) Considere que o elétron no átomo de hidrogênio “sal- te” do nível de energia n = 3 para o estado fundamental (nível n = 1). Basean- do-se no diagrama de níveis para o átomo de hidrogênio, responda: a) Ao realizar esse “salto”, o elétron absorveu ou emitiu energia? Qual o valor, em elétron=volt, dessa energia, envolvida? b) Qual o valor da energia, em Joule, e da freqüência do fóton ao realizar essa transição de níveis? Resolução: a) Realizando a transição do nível de maior energia (n = 3) para o de menor energia (n = 1), pelo modelo de Bohr deve ocorrer a liberação de energia na forma de luz (radiação eletromagnética, isto é, emissão de um fóton). A ener- gia irradiada (∆E) é calculada pela diferença entre as energias de cada nível da transição. Pelo diagrama de níveis de energia para o hidrogênio, temos: E3 = – 1,50 eV e E1= – 13,60 eV ∆E = E3 – E1 ∆E = – 1,50 – (– 13,60) ∆E = + 12,10 eV b) Como a energia do fóton emitido é igual a diferença de energia entre os níveis ∆E, temos que a energia do fóton é de E = 12,10 eV, e pela expressão E = h. f podemos calcular a freqüência do fóton emitido: f= ⇒ f= ⇒ f = 2,92. 1015 Hz     -     NÃO FIQUE COM DÚVIDAS Para converter os 12,10 eV em J (Joule) , o valor 12,10 foi multiplicado por 1,6.10-19 J, que por definição 1 eV (elétron-volt) é a energia que um elétron recebe ao ser acelera- do por meio de uma diferença de potencial U = 1 V. (Exercício Proposto) Suponha que no átomo de hidrogênio, um elétron do nível de energia n = 2, volte para o estado fundamental. Baseando-se no dia- grama de níveis para o átomo de hidrogênio, responda: a) Ao realizar essa transição, o elétron absorveu ou emitiu energia? Qual o valor, em elétron-volt, dessa energia envolvida? b) Qual o valor da energia, em Joule, e da freqüência do fóton ao realizar essa transição de níveis? ESPECTROS ATÔMICOS Se fizermos a luz de uma lâmpada comum (de filamento incandescente) passar através de um prisma, ela será decomposta em várias cores, que são popularmente conhecidas como arco-íris. Cientificamente, o que se obtém é chamado de espectro da luz visível. Contudo se repetirmos essa experiência utilizando a luz proveniente de uma lâmpada de gás, não obteremos o espectro completo. Apenas algumas linhas estarão presentes, correspondendo somente a algumas freqüências das ondas de luz visível. Essas linhas formam o espectro de linhas ou espectro atômico. Alguns exemplos de espectros atômicos aparecem na figura abaixo. Como você pode perceber, as linhas obtidas dependem do elemento utilizado e são descontínuas. É extremamente intrigante a razão pelo qual isso acontece. Utili- zando o modelo atômico de Bohr pode-se explicar o mistério dos espectros atômicos. Conforme seus postulados, os elétrons, ao serem excitados por uma fonte externa de energia, saltam para um nível de maior energia e, ao retornarem aos níveis de menor energia, liberam energia na forma de luz (fótons). Como a cor da luz emitida depende da energia entre os níveis envolvidos na transi- ção e como essa diferença varia de elemento para elemento, a luz apresentará cor característica para cada elemento químico.   Dentre os espectros atômicos, vale ressaltar que o espectro de emissão existe quando o elétron perde energia emitindo um fóton e o espectro de ab- sorção existe quando o elétron ganha energia absorvendo um fóton. Espectro Atômico de alguns elementos [legenda] NÚMERO DE MASSA (A) E NÚMERO ATÔMICO(Z) DOS ELEMENTOS: Sódio (Na: A=23 e Z=11); Cálcio (Ca: A=40 e Z=20); Mercúrio (Hg: A=201 e Z=80); Lítio (Li: A=7 e Z=3); Hélio (He: A=4 e Z=2); Estrônio (Sr: A=88 e Z=38). Hidrogênio (H: A=1 e Z=1); Espectro de emissão Supondo que acima temos uma amostra de hidrogênio que de alguma forma foi excitada, podemos observar que um elétron saltou do nível 2 para o nível 3. Em seguida, ele retorna para seu estado inicial n = 2, emitindo um fóton. No estado n = 3 a energia é E3 = – 1,51 eV e no estado n = 2, a energia é E2 = – 3,4 eV. Dessa forma, podemos calcular a freqüência do fóton emitido: ∆E = h. f ⇒ f= = f= ⇒ f = 4,6. 1014 Hz     -     Utilizando uma chapa fotográfica podemos registrar essa linha e outras que sejam emitidas. Como houve emissão de energia pelo átomo, esse espec- tro recebe o nome de espectro de emissão. Espectro de absorção Supondo que agora a amostra de hidrogênio é atravessada por um feixe de luz, os elétrons do gás podem absorver a energia da luz incidente, ou melhor, os fótons. Entretanto não é qualquer fóton que interessa para os elétrons, mas apenas aqueles cuja energia for suficiente para proporcionar um salto quântico entre os níveis de energia permitidos. Assim, alguns fótons de certa energia (freqüência) serão absorvidos, enquanto outros passarão e não serão absorvi- dos pelo gás. Imaginando que um elétron que esteja ocupando o nível n = 2, com ener- gia E2 = – 3,4 eV, absorva um determinado fóton do feixe incidente, saltando para uma órbita mais afastada, por exemplo n = 4, com energia E4 = – 0,85 eV, a freqüência do fóton absorvido será: ∆E = h. f ⇒ f= = f= ⇒ f = 6,2. 1014 Hz Mais uma vez, utilizando uma chapa fotográfica podemos registrar esse espectro. Só que agora teremos um espectro diferente do espectro de emissão, pois aparecerão linhas escuras, relativas à luz de certas freqüências conveni- entes e que foram absorvidas do feixe incidente. Como houve absorção de energia, esse espectro recebe o nome de espectro de absorção. Assim, os espectros de emissão e absorção ocupam a mesma posição, pois estão associados a uma mesma freqüência, sendo que a diferença funda- mental é que as linhas de emissão correspondem a fótons emitidos num salto quântico ao passo que as linhas escuras de absorção correspondem a fótons absorvidos durante um salto quântico. (Exercício Proposto) Com base no modelo atômico de Bohr, seus postulados e espectros atômicos, procure justificar por que no espectro de emissão do hidrogênio existem cinco raias visíveis (ver figura do espectro atômico de alguns elementos), se ele é um elemento que possui apenas um elétron em seu estado fundamental.   RESUMO - Os gregos deram a “idéia” de que tudo o que existe era formado por áto- mos (a = negação; tomos = partes, isto é, algo não divisível). - Para Dalton, o átomo é uma esfera maciça e neutra, onde cada átomo possui um tamanho próprio, que permite caracterizá-lo (modelo atômico da bola de bilhar). - Para Thomson, o átomo é uma esfera positiva com cargas negativas in- crustadas, semelhante a um pudim de passas (modelo atômico do pudim de passas). - Para Rutherford, o átomo possui partículas positivas e neutras em sua re- gião central (núcleo) e ao seu redor, em sua periferia (eletrosfera), estari- am girando partículas negativas (modelo planetário). - Para Bohr, o átomo possui níveis de energia bem determinados, no qual o elétron podem realizar saltos “quânticos” entre esses níveis. A energia absorvida ou liberada na forma de radiação eletromagnética, quando o elétron realiza uma transição de níveis, é dada pela expressão: ∆E = h.f. - Para o átomo de hidrogênio, a energia em um determinado nível energético (n) é dada pela expressão: E = – , onde a energia é medida em eV (elétron-volt). - Cada elemento possui um espectro atômico característico. Os espectros podem ser de emissão ou absorção.  Unidade 2 Mecânica quântica Organizadores Maurício Pietrocola INTRODUÇÃO Nobuko Ueta A história da Mecânica Quântica surgiu em 1900 com o físico alemão Elaboradores Max Planck (1858-1957) como tentativa de explicar os resultados experimen- Guilherme Brockington tais obtidos na emissão de energia por um corpo incandescente. Este proble- Wellington Batista de ma conhecido como a Radiação do Corpo Negro atormentava os físicos do Sousa final do século XIX, que tentavam resolvê-lo utilizando as leis do Eletromag- netismo, porém sem obter nenhum sucesso. Nobuko Ueta A equação que resolveria esse problema só foi obtida em 1900, por Planck, que, para obtê-la, teve de fazer uma hipótese ousada. Vale ressaltar que, se- gundo Planck, essa hipótese foi feita por “puro desespero”, pois nem ele mes- mo acreditava nela. Ele considerou que a radiação emitida por um corpo não ocorria de maneira contínua, mas sim na forma de pequenos “pacotes” de energia, que poderia ser expresso pela equação: E = h. f, onde E é a energia do quantum, f é a freqüência da radiação emitida e h é uma constante chamada constante de Planck. Assim, qualquer que fosse a quantidade de energia emitida por um corpo, ela deveria ser sempre um múltiplo de E. Verificou-se, logo depois, que, incidindo luz ultravioleta ou luz visível so- bre determinados metais, estes perdem elétrons. Coube ao alemão naturalizado americano Albert Einstein (1879-1955), em 1905, a explicação e a medida quan- titativa do fenômeno, utilizando a teoria dos quanta, que veio também a ser aplicada aos fenômenos luminosos, concluindo que o quantum é uma determi- nada quantidade de energia associada ao fóton da luz. A cada radiação e a cada onda eletromagnética está associada uma freqüência e, segundo Planck, a cada freqüência está associado um pacote de energia: o quantum. Daí começaram a surgir perguntas: por que o espectro de elementos no estado gasoso é sempre descontínuo? Por que o espectro do hidrogênio, ele- mento de um só elétron, é o mais simples? Por que a complexidade do espec- tro aumenta à medida que aumenta o número de elétrons de um elemento? As respostas para tais perguntas e muitas outras foram dadas pelas idéias criadas por Planck, Einstein, De Broglie e outros cientistas que se debruçaram sobre essas questões. O estudo dessas idéias, a quantização da matéria e a explicação de muitos problemas que atormentaram os físicos até o final do século XIX serão dados na continuação desta intrigante parte da Física, deno- minada de Mecânica Quântica.  VOCABULÁRIO quanta = pacotes de energia (plural) quantum = pacote de energia (singular) h = constante de Planck = 6,63.10-34 J.s fóton = é o outro nome dado ao quantum f = a freqüência é medida em Hertz (Hz) E = a energia é em Joule (J) (Exercício Resolvido) A freqüência da onda da radiação eletromagnética ver- de (luz verde) é de 6.1014 Hz. Qual o valor de um quantum (energia) dessa radiação? (Considere a constante de Planck como 6,63.10-34 J.s) Resolução: São dados no problema f = 6.1014 Hz (luz verde) e h = 6,63.10-34 J.s (constante de Planck) Pela expressão da energia transportada por um pacote de energia (um quantum), temos: E = h. f = 6,63. 10-34. 6.10 14 ⇒ E = 3,978.10-19 J (Exercício Proposto) Uma fonte de radiação consegue emitir ondas eletro- magnéticas de freqüência igual a 2,0.1015 Hz. Calcule, em joules, a energia transportada por um quantum dessa radiação. Considere a constante de Planck como igual a 6,63.10-34 J.s. SAIBA MAIS Absorção de fótons Você sabe por que as folhas são verdes? Quando ocorre a fotossíntese nas folhas, parte da luz branca do Sol é usada na reação química que usa o gás carbônico do ar e a água para produzir oxigênio, na forma de gás O2, e alimento para a planta. Parte da luz (desde vermelha até amarela e desde azul até violeta) é usada pela planta. Fótons dessas cores são absorvidas, sobrando então a luz verde! Dependendo da planta, a luz pode ser usada de forma um pouco diferente. Somos premiados, então, com diferentes nuances de verde, dependendo das intensidades das luzes que sobram! O EFEITO FOTOELÉTRICO Um importante passo no desenvolvimento das concepções sobre a nature- za da luz foi dado no estudo de um fenômeno muito interessante, que recebeu o nome de efeito fotoelétrico. O efeito fotoelétrico consiste na emissão de elétrons pela matéria sob a ação da luz visível ou ultravioleta. À primeira vista o efeito fotoelétrico tem uma explicação simples. A onda eletromagnética (luz) ao incidir sobre o material, transfere aos seus elétrons certa energia. Uma parte dessa energia é usada para realizar o trabalho de “arrancar” o elétron do material, o restante é transformado em energia de movimento para o elétron (energia cinética). Esse fenômeno pode acontecer com vários materiais, mas é mais facilmente observado em metais. O real esclarecimento do efeito fotoelétrico foi realizado em 1905 por Albert Einstein, que desenvolveu a idéia de Planck. Nas leis experimentais do efeito fotoelétrico, Einstein viu uma prova evidente de que a luz tem uma estrutura descontínua e é absorvida em porções independentes. Assim, Einstein disse que a radiação é formada por quanta (fótons). Cada elétron do material sobre o qual incide a luz absorve apenas um fóton. Se a energia desse fóton     -     for menor do que a necessária para “arrancar” o elétron, este não será emitido, por mais tempo que a radiação incida sobre o corpo. Considerando E a energia do fóton, E cin(max) a energia cinética máxima adquirida pelo elétron, W o trabalho realizado para “arrancar” o elétron do material e h, a constante de Planck, obtemos daí a denominada equação fotoelétrica de Einstein: E = W + Ecin(max) ⇒ h.f = W + Esta equação permite esclarecer todos os fatos fundamentais relacionados com o efeito fotoelétrico. A intensidade da luz, segundo Einstein, é proporci- onal ao número de porções de energia contido no feixe luminoso e, por con- seguinte, determina o número de elétrons arrancados da superfície metálica. A velocidade dos elétrons, conforme a equação acima, é dada apenas pela freqüência da luz (f) e pelo trabalho (W). O trabalho necessário para arrancar o elétron, depende da natureza do metal e da qualidade da sua superfície, e é chamado de função trabalho. Observa-se ainda que a velocidade dos elétrons não depende da intensidade da luz. Para uma dada substância, o efeito fotoelétrico pode observar-se apenas no caso de a freqüência f da luz ser superior ao valor mínimo, chamado de freqüência de corte (fc). Convém reparar que para se poder arrancar um elé- tron do metal, mesmo sem lhe comunicar energia cinética, é necessário reali- zar a função trabalho W. Portanto, a energia de um quanta deve ser superior a esse trabalho (h.f > W). A freqüência de corte (fc) tem o nome de limite verme- lho do efeito fotoelétrico e calcula-se pela seguinte relação: fc =. Como W depende de cada substância, a freqüência de corte (fc) do efeito fotoelétrico, também varia de substância para substância. Podemos citar como exemplo o limite vermelho do zinco, que corresponde ao comprimento de onda λ = 3,7.10-7 m (radiação ultravioleta). Fótons são partículas que não possuem massa, mas não existem fótons em repouso. Eles têm apenas energia (E) e quantidade de movimento (Q) e só existem com a velocidade da luz (c = 300.000 Km/s ou 3.108 m/s). A massa de um elétron vale 9,109.10-31 Kg, de um próton 1,672.10-27 Kg e de um nêutron 1,674.10-27Kg. Outra unidade muito utilizada para energia, principalmente quando se fala de energia do elétron é o elétron-volt (eV), onde: 1 eV = 1,6.10-19 J ou 1 J = 6,25.1018 eV e podemos obter a constante de Planck em eV.s: h = 6,63.10-34. 6,25.1018 eV.s = 4,1.10-15 eV.s. PENSANDO Assim como a luz foi “quantizada”,convém lembrar que a chuva também cai na Terra sob a forma de gotas, ou seja, em quantidades pequenas e independentes. Assim, podemos dizer que a água da chuva também é “quantizada”! Você já parou para pensar que geralmente os sorvetes são vendidos em sorveterias de forma quantizada (1 bola, 2 bolas, 3 bolas, 4 bolas, etc.)? Valores como 2,34 bolas ou 4,98 bolas não são oferecidos pelo vendedor.   (Exercício Resolvido) Um fotoelétron do cobre é retirado com uma energia cinética máxima de 4,2 eV. Qual a freqüência do fóton que retirou esse elé- tron, sabendo-se que a função trabalho (W) do cobre é de 4,3 eV? (Considere 1 eV = 1,6.10-19 J) Resolução: Utilizando a equação fotoelétrica de Einstein, temos: Ecin(max) = 4,2 eV e W = 4,3 eV E = W + Ecin(max) ⇒ E = 4,3 eV + 4,2 eV ⇒ E = 8,5 eV E = h.f ⇒ 8,5. 1,6.10-19 J = 6,63.10-34 Js. f ⇒ f= ⇒ f = 2,1.1015 Hz (Exercício Proposto) Para que a prata exiba o efeito fotoelétrico é necessário que ela tenha uma freqüência de corte de 1,14.1015 Hz. Determine: a) função trabalho (W), em J e em eV, para “arrancar” um elétron de uma placa de prata. b) quando uma radiação de freqüência de f = 4.10 15 Hz atinge a placa de prata, qual a energia cinética máxima dos elétrons emitidos? (massa do elé- tron = 9,1.10-31 Kg) SAIBA MAIS Espalhamento de fótons Por que o céu é azul? A luz emitida pelo Sol é branca, isto é, existem fótons de várias energias. Os fótons com energia correspondente à luz azul têm maior probabilidade de serem espalhados que os de outras cores. O Sol emite luz para todos os lados, uma parte vem direto para o observador, que enxerga quase branco, e o resto vai para diferentes lados.Todos os fótons (azuis, vermelhos e verdes) são emitidos mas os correspondentes à luz azul podem ser espalhados com maior probabilidade e chegar no olho do observa- dor. Se a atmosfera estiver muito carregada (de partículas de poluição, por exemplo), pode haver absorção dos fótons da luz azul e não os vemos. A cor que vemos depende da energia do fóton que chega na nossa retina. A natureza “dual” da luz Para explicar o efeito fotoelétrico, Einstein estabeleceu que a luz, ou qual- quer outra forma de radiação eletromagnética, é composta de “partículas” de energia ou fótons. Essa concepção literalmente entra em contradição com a teoria ondulatória da luz que, como já sabemos, é perfeita na explicação de uma série de fenômenos físicos como a reflexão, a refração, a interferência e a difração, apesar de falhar na explicação do efeito fotoelétrico. Para conciliar tais fatos contraditórios, os físicos propuseram a natureza “dual” da luz, ou seja, “em determinados fenômenos ela se comporta como uma onda (natureza ondulatória) e, em outros, como se fosse uma partícula (natureza corpuscular)”. Desse modo, uma mesma radiação pode tanto difratar ao passar por um orifício, evidenciando seu caráter ondulatório, como pode, ao incidir em uma superfície, provocar a emissão de elétrons, exibindo seu caráter corpuscular. Mas, afinal, o que é a luz? Hoje aceitamos a dupla natureza da luz, fato cha-     -     mado de dualidade onda-partícula. Para entender essa situação, o físico dina- marquês Niels Bohr (1855-1962) propôs o Princípio de Complementaridade: “Em cada evento a luz comporta-se como partícula ou onda, mas nunca como ambas simultaneamente”. HIPÓTESE DE DE BROGLIE Em 1924, o físico francês Louis de Broglie (1892-1987), mostrou que uma partícula, por exemplo, o elétron, tem um comportamento análogo à luz, ou seja, tem um caráter partícula-onda (dual). Em certos momentos nos inte- ressa o seu comportamento ondulatório, e em outras ocasiões, o seu compor- tamento de partícula. Considerando que as ondas eletromagnéticas podem ser interpretadas de forma matemática através das equações, as quais já haviam sido desenvolvi- das pelo físicos ao tratar do movimento ondulatório em geral, podemos calcu- lar a quantidade de movimento de um elétron (ou qualquer outra entidade) quando ele tem um comportamento ondulatório, pela expressão: Q =. Para um fóton que se move na velocidade da luz (c = 300.000 km/s ou 3.108 m/s), a direção dessa quantidade de movimento coincide com a do raio luminoso. Quanto maior for a freqüência, maior será a energia e a quantidade de movimento do fóton e mais evidentes se tornam as propriedades corpuscu- lares da luz. Dado o fato de a constante de Planck ser muito pequena, é muito pequena também a energia dos fótons da luz visível. Os fótons corresponden- tes à luz verde, por exemplo, possuem a energia de 4.10-19J. Contudo, exis- tem experiências em que o olho humano é capaz de reagir e distinguir dife- renças de intensidade luminosa da ordem de alguns quanta. (Exercício Proposto -UFMG) A natureza da luz é uma questão que preocupa os físicos há muito tempo. No decorrer da história da Física, houve o predo- mínio ora da teoria corpuscular – a luz seria constituída de partículas – ora da teoria ondulatória – a luz seria uma onda. a) Descreva a concepção atual sobre a natureza da luz. b) Descreva, resumidamente, uma observação experimental que sirva de evi- dência para a concepção descrita no item anterior. (Exercício Resolvido) Imagine um elétron que tem massa de 9,1.10 -31 kg, viajando a uma velocidade de 3.106 m/s. Agora, imagine uma pessoa adulta de massa 70 kg e que anda a uma velocidade de 1 m/s. Determine o compri- mento de onda (λ) de De Broglie para o elétron e para a pessoa. Resolução: Da expressão da quantidade de movimento Q = , podemos escrever: Para o elétron: λ = = = = 2,4.10–10 m Para a pessoa: λ = = = = 9,4.10–36 m Observação: note que os valores são minúsculos, pois a constante de Planck (h) é muito pequena.   (Exercício Proposto) Um elétron, ao retornar de uma órbita mais afastada do núcleo para uma órbita mais próxima do núcleo, emite uma luz visível de freqüência igual a 4,0.1014 Hz. Qual o valor da energia dessa luz emitida? (Exercício Proposto) Qual o comprimento de onda de De Broglie para um próton movendo-se na velocidade da luz (3.108 m/s) e cuja massa vale 1,6.10-21 Kg? FÍSICA DAS PARTÍCULAS Com as novas tecnologias, novos equipamentos foram construídos e for- neceram condições para que a estrutura da matéria fosse cada vez mais estu- dada. Novas partículas foram descobertas e as partículas, até então ditas fun- damentais, foram sendo substituídas pelas recém-descobertas. Dessa forma, podemos dizer que tudo que conhecemos consiste em mi- núsculos átomos, formados por partículas ainda menores, e que a Física de Partículas é a parte da Física que estuda essas últimas, que constituem os mais básicos blocos formadores da matéria no universo. O estudo das partículas dá aos cientistas o conhecimento amplo do Uni- verso e da natureza da matéria. A maioria deles concorda que o universo se formou numa grande explosão, chamada de Big Bang (existem outras teorias!). Segundos após o Big Bang, acredita-se que as partículas atômicas e a radiação eletromagnética foram as primeiras coisas que passaram a existir no Universo e que deram origem a tudo que existe hoje. Partículas fundamentais Hoje, os físicos dividem as partículas atômicas fundamentais em duas cate- gorias: léptons e hádrons. Os léptons são partículas leves e que possuem o spin (número quântico magnético) fracionário. Um exemplo de lépton é o elétron. Os hádrons são partículas mais pesadas que os léptons e se subdividem em bárions e mésons, e podem possuir tanto spin inteiro ou fracionário. Prótons e nêutrons são exemplos de hádrons. Em 1964, Murray Gell-Man (1929-) e George Zweig (1937-), em traba- lhos independentes, propuseram uma teoria segundo a qual: - os léptons seriam partículas elementares, isto é, sem estrutura; - os hádrons (bárions e mésons) seriam formados por partículas ainda me- nores, batizadas de quarks, por Gell-Man. Existem também as chamadas partículas mediadoras das interações fun- damentais, chamadas de bósons. O glúon, por exemplo, é um bóson que une os quarks e estes formam os prótons e os nêutrons no núcleo atômico. Os quarks se combinam para for- mar as partículas pesadas, como o próton e o nêutron. As partículas for- madas pelos quarks são chamadas hádrons. Tal como outras partículas têm cargas diferentes, tipos diferentes de quarks tem propriedades distintas, cha- madas “sabores” e “cores”, que afetam a forma como eles se combinam.     -     RESUMO - A energia emitida por um corpo não é contínua, mas é emitida na forma de pacotes de energia (quanta). - Um quantum possui uma energia dada pela expressão: E = h. f, onde E é a energia do quantum, f é a freqüência da radiação emitida e h é uma constante chamada constante de Planck. - A constante de Planck é igual a 6,63.10-34 J.s, no Sistema Internacional de Medidas. - A natureza quântica da luz se manifesta através do efeito fotoelétrico, no qual um fóton é absorvido por um átomo de um metal, por exemplo, com a emissão de um elétron. - A equação de Einstein para o efeito fotoelétrico é a seguinte: E = W + Ecin(max), onde E é a energia do fóton, W é o trabalho necessário para arrancar o elétron do material (função trabalho) e Ecin(max) corresponde a energia ciné- tica máxima do elétron arrancado. - A freqüência de corte (fc) para que ocorra o efeito fotoelétrico é dada pela expressão: fc = , onde W é a função trabalho do material e h é a constante de Planck. - A luz possui uma natureza “dual”, ou seja, em determinados fenômenos ela se comporta como uma onda (natureza ondulatória) e, em outros, como se fosse uma partícula (natureza corpuscular). - A natureza ondulatória dos elétrons foi sugerida pela primeira vez por De Broglie, que propôs a seguinte expressão: Q = , onde Q é a quantidade de movimento do elétron, h é a constante de Planck e ë é comprimento de onda associado ao elétron em movimento. - Prótons, elétrons e nêutrons não são mais as partículas fundamentais (ele- mentares) da natureza. Atualmente as partículas fundamentais são os léptons e hádrons. Os quarks que são as partículas que constituem os prótons e nêutrons são exemplos de hádrons. As partículas mediadoras das inte- rações fundamentais são os bósons. O glúon é um exemplo de bóson.   Unidade 3 Radioatividade e medicina nuclear Organizadores Maurício Pietrocola Nobuko Ueta INTRODUÇÃO Imagine se fosse possível acompanhar todo o funcionamento interno de Elaboradores nosso organismo em tempo real. Poderíamos ver, por exemplo, como o san- Guilherme Brockington gue flui através de nossas veias, irrigando nossos órgãos. Assim, seríamos Wellington Batista de capazes de perceber qualquer problema ou mau funcionamento em nosso Sousa corpo. Há alguns anos isso seria possível somente em filmes de ficção cientí- Nobuko Ueta fica, no qual cientistas deveriam ser encolhidos a um tamanho suficientemen- te pequeno para que fossem injetados na corrente sanguínea de algum corajo- so voluntário. Não está tão longe o tempo em que as doenças só podiam ser diagnostica- das quando se manifestavam fisicamente no homem. Um simples osso que- brado não pode ser distinguido de um osso saudável apenas pelo olhar, exceto em caso de fratura. Isso ocorre porque nossa pele envolve todo nosso corpo, protegendo- o do atrito, da perda excessiva de água, além de ser um bom protetor dos raios ultravioleta do sol. Além disso, a pele também colabora para regular nossa temperatura através da transpiração, facilitando a troca de calor com o meio ambiente. Divirta-se um pouco Porém, para os médicos, nosso invólucro protetor apresenta um problema: Num momento de folga a pele é opaca, ou seja, não somos capazes de ver através dela. Logo, olhar o entre os estudos relaxe que está envolvido por ela é geralmente muito doloroso. assistindo a um bom fil- No passado, a única forma de se fazer essas incursões no interior do corpo me de ficção que trata humano era por meio de cirurgias exploratórias, assim só depois de aberta do que dissemos aqui. uma parte do corpo é que se podia constatar o que de errado estava aconte- Este filme chama-se Via- cendo lá dentro. Imagine isso levando em conta que a anestesia só foi desen- gem insólita e conta a his- tória de dois pilotos que volvida em 1846... são encolhidos e injeta- Hoje, com o uso de tecnologias surgidas com desenvolvimento da Física dos acidentalmente na atômica e molecular é possível fazer uso de uma série de técnicas chamadas corrente sanguínea de não-invasivas, ou seja, técnicas que não necessitam invadir, perfurar o paciente. um ser humano. Algumas dessas técnicas são muito conhecidas, como as imagens forma- Outra excelente pedida das por raios X ou através de ressonância magnética (MRI). Outras técnicas é uma obra clássica de ficção: o livro de Isaac poderosas não são muito comuns no Brasil, como o PET e SPECT. Asimov, A viagem fantás- tica. Não deixe de ler este Iremos aqui conhecer velhas e novas técnicas e saber como todas elas livro. funcionam, aprendendo sobre os processos físicos que regem a criação e o funcionamento dessas tecnologias. Conhecer esses processos, entendê-los bem    -     SAIBA MAIS A viagem fantástica: uma pílula que fotografa Não se engane: a cápsula na foto ao lado não é de um remédio, mas uma câmera capaz de registrar imagens do intestino. A Cápsula M2A vem equipada com microfaróis que ilumi- nam as paredes do sistema digestivo e pode tirar mais de 50 mil fotografias digitais colori- das durante oito horas, tempo que leva para terminar seu caminho pelo trato gastrintestinal. Pacientes engolem a pílula, que é do tamanho de um multivitamínico, e passam as oito horas usando um cinto que possui um gravador de imagens digital sem fio que recebe imagens que a câmera envia. Ao fim do dia, eles devolvem o gravador ao hospital e as imagens são baixadas para um computador para serem analisadas. Uma melhor visão do intestino delgado de pacientes pode permitir com que os médicos diagnostiquem melhor várias doenças, inclusive o câncer. A pílula descartável deixa o corpo por si só entre um e três dias. e reconhecer suas vantagens e desvantagens são condições necessárias para sermos capazes de medir as relações custo-benefício ao utilizar essas tecnolo- gias, livrando-nos da posição de simples consumidores. De alguns anos para cá a pesquisa científica se desenvolveu tanto que hoje é possível diagnosticar com boa precisão doenças que ainda nem se ma- nifestaram! O uso da radiação, por exemplo, é comum para o tratamento do câncer e outras doenças degenerativas. O controle da utilização de radioativi- dade para o tratamento de doenças e criação de imagens do interior do corpo é parte de uma especialidade médica denominada medicina nuclear. Ela leva em conta a fisiologia (funcionamento) e a anatomia do corpo para estabelecer diagnósticos e tratamentos mais adequados. Existem técnicas muito eficientes para detectar tumores, aneurismas, de- sordens em células sanguíneas e funcionamento inadequado de órgãos como a tireóide e disfunções pulmonares. A criação de imagens do corpo através das técnicas da medicina nuclear faz uso de uma combinação de computadores, detectores e substâncias radioativas. Muitas dessas técnicas utilizam diferentes propriedades dos elementos radioati- vos, que começaram a ser conhecidos pelos cientistas no final do século XIX. Você provavelmente já ouviu falar sobre radiação, seja na ficção (filmes, livros ou novelas) ou na vida real. É um tema que sempre está envolvido em uma aura de medo, pois sempre se associa a palavra radiação com algo devas- tador, como bombas nucleares, acidentes de Goiânia, ocorrido em 1987, e de Chernobyl, em 1986. Porém, a radiação é extremamente útil para o homem e sua face mais bela normalmente fica escondida, deixando a impressão de ser sempre algo malé- fico. Todos os temores que surgem são baseados na falta de conhecimento dos processos que ocorrem. Por isso é extremamente necessário que se com- preenda melhor como são os átomos, como os processos radioativos aconte- cem. Só depois disso, conhecendo as vantagens e desvantagens da radiação, seremos capazes de dizer se devemos temê-la tanto. Certamente você já ouviu em filmes ou noticiários da TV termos como: Radioatividade Energia nuclear Plutônio Urânio Raios x Raios alfa Raios beta Raios gama Fissão nuclear Carbono 14 Fusão nuclear    Todas essas palavras estão ligadas aos elementos químicos radioativos, se- jam naturais ou criados pelo homem. Mas por que um elemento é radioativo? Por que a radiação pode ser perigosa? Vamos voltar um pouco no tempo para entendermos o que se encontra por trás das palavras nuclear e radioatividade. RADIOATIVIDADE Na noite de 8 de novembro de 1895, o físico alemão Wilhelm Röntgen fez uma descoberta que mudaria para sempre os rumos da Física e, principalmen- te, da humanidade. Com seu laboratório totalmente escurecido, ele trabalhava com uma válvula que gerava altas descargas elétricas. Distante da válvula havia uma folha de papel tratada com uma substância química, a qual ele usava como tela. Para sua surpresa, de repente ele percebeu que a folha bri- lhava. Alguma coisa deveria estar saindo da válvula e chegando até a tela. Entretanto, a válvula estava totalmente coberta! Nenhuma luz, raio catódico, nada parecia sair dela. Surpreso, Röntgen resolveu então colocar vários obje- tos sólidos entre a tela e a válvula, porém, tudo o que colocava parecia ser transparente. De repente, sua mão escorregou para frente da válvula e ele então viu seus ossos na tela! Assim, foi descoberto, por acaso, um tipo dife- Radiografia tirada pelo rente de raio. Devido a essa natureza desconhecida ele chamou esses raios de próprio Röntgen raios X. Ao aprofundar seus estudos sobre esses raios, ele descobriu que eles podiam atravessar materiais sólidos, podiam ionizar o ar e não sofriam refle- xão no vidro, nem eram desviados por campos magnéticos. Talvez o que tor- nasse sua descoberta inacreditável era o fato de a pele ser transparente para esses raios. A publicação de seu trabalho provocou uma imensa agitação na comunidade científica e se espalhou rapidamente para toda a sociedade. No ano seguinte sua descoberta já agitava todo o mundo. Imagine no final do século XIX como as pessoas reagiriam aos raios que podiam fazer com que seus ossos pudessem ser vistos sem ter que cortar a pele! Podia-se ver os ossos de cada um dos dedos de suas mãos, juntamente com seus anéis! O deslumbramento foi tanto que os raios tornaram-se inicialmente uma espécie de espetáculo, sendo quase obrigatória a sua demonstração para reis e rainhas de toda a Europa. Todos queriam ver os famosos raios X. Não era preciso ser um cientista para que se enxergasse a grandiosidade dessa descoberta, de modo que sua utilização na medicina foi imediatamente consagrada. O trabalho de Röntgen foi fantástico, perfeito para o conhecimento da época. Tanto que ele recebeu o prêmio Nobel de Física em 1902. O interessante é que ele mesmo não havia compreendido bem a natureza desses raios. SAIBA MAIS Câmeras de vigilância que podem enxergar através de paredes Uma câmera fantástica parece fazer algo que só era possível para o Super-Homem: enxergar através das paredes. Os últimos instrumentos de scanning emitem ondas que podem atravessar uma série de materiais opacos – de roupas até o aço ou concreto. Uma empresa americana inventou um aparato chamado BodySearch, que capta os raios refle- tidos por objetos sólidos. Uma imagem transparente do corpo de uma pessoa é gerada em um monitor após ela ser exposta aos raios X. Como materiais diferentes absorvem os raios de maneira diferente, objetos metálicos, como facas e armas de fogo, armas de plástico ou de cerâmica podem ser claramente vistos através das roupas.     -     Após a publicação do trabalho de Röntgen, inúmeros físicos começaram a estudar os raios X, e já no final de 1896 havia mais de mil trabalhos sobre o tema. Alguns meses depois da descoberta dos raios X, o físico francês Antoine Henri Becquerel, fascinado pelos novos raios, tentou descobrir se algum ele- mento químico era capaz de emitir raios X de forma espontânea. Seus estudos revelaram que a maior parte dos elementos não produzia os raios X, mas mostrou que o sal de urânio era capaz de emiti-los. Dois anos após o trabalho de Becquerel, entram em cena os físicos Pierre e Marie Curie. A brilhante física polonesa constatou que a emissão dos raios era uma propriedade atômica do urânio, de modo que não havia diferença se a amostra examinada era um sal, um óxido ou um metal de urânio. Impulsionada por essa descoberta, ela então resolve examinar todos os elementos químicos conhecidos naquela época. Através de seus estudos ela descobre que outros elementos também emitiam radiação espontânea, como o Tório. Foi Marie Curie quem propôs a palavra radioatividade. Seu trabalho, realizado em conjunto com o marido Pierre, rendeu a desco- berta de dois outros elementos radioativos, chamado por eles de Rádio e Polônio. Eles também descobriram que uma substância radioativa desaparece esponta- neamente, reduzindo-se à metade. O intervalo de tempo que leva para que essa redução ocorra é chamado de meia-vida. Em 1903, o casal Curie e Henri Becquerel foi agraciado com o prêmio Nobel. Marie Curie ainda ganharia sozinha outro Nobel em 1911. Em 1897, após a descoberta da radioatividade, o físico neozelandês Ernest Rutherford começou a medir a ionização pelo Urânio. Ao término de seu tra- balho, Rutherford constata a emissão de dois tipos distintos de radiação emi- tidos pelo Urânio. Ele chama essas radiações, também desconhecidas, de Alfa α) e Beta (β (α β). Enquanto isso, na França, P.V. Villard descobriu um tipo de radiação ainda mais penetrante que os raios X, denominada radiação Gama (γγ). Esse resgate histórico pretende mostrar a importância que essa descoberta teve para o desenvolvimento do conhecimento sobre o interior do átomo. Tam- bém é preciso que se perceba como a Física é construída por pessoas comuns como você. Trata-se de uma grande e bela construção do ser humano, fruto exclusivo do trabalho de pessoas com uma profunda vontade de conhecer a natureza das coisas. Exercícios 1. Uma mostra de um isótopo radioativo possui uma meia-vida de 1 dia e você inicia seus estudos com 2 gramas desse isótopo. Quanto da amostra resta ao final do segundo dia? E do terceiro dia? 2. Os detectores de radiação medem a taxa de radiação em um ambiente. Qual material radioativo produz uma contagem mais alta de radiação em um detector: um grama de material com meia-vida curta ou um grama de material com meia-vida longa? Explique sua resposta. DECAIMENTOS RADIOATIVOS Vimos que muitos núcleos são radioativos, ou seja, transformam-se em outros núcleos emitindo partículas e radiação. Esse processo de transmutação é chamado de decaimento.    São os prótons no núcleo que determinam o comportamento do átomo. Assim, quando um núcleo emite uma partícula ele não é mais o mesmo ele- mento, transmutando-se em outro. Esse é um processo natural no qual um átomo radioativo decairá espontaneamente em outro elemento através de três processos: decaimento α (alfa), decaimento β (beta) e fissão espontânea. Neste processo, 4 tipos diferentes de radiação são produzidos: raios alfa, beta, gama e nêutron. Os termos decaimento α, decaimento β e decaimento γ (gama), que estu- daremos agora, foram usados bem antes que se soubesse realmente do que se tratavam. Isso quer dizer que os cientistas se debruçavam arduamente em seus trabalhos tentando conhecer a estrutura do átomo, mas não sabiam ao certo como era o núcleo, muito menos se existia um núcleo!! O decaimento α (alfa) Como vimos, Rutherford e sua equipe estudavam substâncias radioativas que emitiam certas partículas. Essas partículas receberam o nome de partícu- las alfa. Inicialmente, pensava-se que elas fossem um gás ionizado, porém as experiências que foram feitas não confirmavam essa hipótese. Becquerel e Rutherford verificaram que essas partículas eram carregadas positivamente e que sua carga elétrica era idêntica à do Hélio ionizado. Em 1908, provou-se que as partículas a são, de fato, íons de Hélio (constituído de dois prótons e dois nêutrons). Desse modo, o U-238, ao emitir uma partícula alfa (dois prótons e dois nêu- trons), transforma-se em Tório, já que agora só possui 90 prótons e 144 nêutrons. 238 92 U → 234 90 Th + 42He A seta indica que o Urânio se transformou em dois elementos: Tório e uma partícula alfa. Quando essa transmutação acontece, a energia é liberada de O Tório avança ou recua? três formas: parcialmente, como radiação gama; a maior parte como energia Você pode explicar? cinética da partícula alfa; e parcialmente, como energia cinética do tório. Exercício Quando um núcleo 226 88 Ra decai emitindo uma partícula alfa, qual será o número atômico do elemento resultante? E a massa atômica resultante? O decaimento b (beta) O decaimento beta ocorre quando um núcleo atômico tem um número insuficiente ou excessivo de nêutrons para se manter estável. O exemplo mais simples de decaimento beta é o de um nêutron livre, que decai em um próton e um elétron.     -     Experimentos mostravam que a energia cinética dos elétrons emitidos no decaimento b não era compatível com a energia prevista pela teoria, o que violava o sagrado princípio da conservação de energia. Para explicar essa aparente violação, W. Pauli, em 1930, propôs a existência de uma terceira partícula, denominada neutrino (n), que também estaria sendo emitida no decaimento beta. Somente em 1957 o neutrino foi pela primeira vez observa- do. Hoje sabe-se da existência de três tipos de neutrino: um associado ao elétron (ne), um associado ao múon (nm), e um associado ao táuon (nt), sen- do que este último ainda não foi observado experimentalmente. O decaimento do nêutron livre pode ser representado da seguinte maneira: n → p + β– + νe Logo, as partículas b são elétrons (e–) e pósitrons (e+), que são partículas idênticas ao elétron exceto pelo sinal de sua carga. Exercício Quando um núcleo de 218 84 Po emite uma partícula beta, ele se transforma no núcleo de outro elemento. Quais serão os números atômico e de massa desse novo elemento? Qual seriam eles se o núcleo de Polônio emitisse uma partícula alfa em vez de uma partícula beta? SAIBA MAIS O misterioso neutrino Essa partícula teve uma existência somente teórica! Para manter válido o sagrado princípio da conservação de energia, deveria aparecer uma partícula com energia suficiente para equilibrar as energias no decaimento beta. Como essa partícula não era detectada, ela era tida como uma solução desesperada para salvar as leis da conservação. Essa partícula deveria ser neutra e ter um tamanho muito menor que o nêutron. Assim, o físico italiano Enrico Fermi a chamou de neutrino, “neutronzinho”, em seu idioma natal. A teoria de Fermi era tão bem formulada que mesmo não sendo detectado, a partir de 1933, os físicos não duvidavam mais de sua existência. Como não tem carga, o neutrino não deixa rastro. Para se chocar com outra partícula ele deve atravessar uma parede de chumbo com cerca de 50 anos-luz de espessura!! Com toda essa dificuldade em se mostrar, ele só foi detectado, de maneira indireta, em 1956, comprovando 23 anos depois a teoria de Fermi. O decaimento γ (gama) No decaimento gama, um núcleo em um estado excitado decai para um estado de menor energia, emitindo um fóton. Ao contrário do que ocorre nos decaimentos a e b, o núcleo atômico continua a ser o mesmo depois de sofrer um decaimento γ. Os raios gama são ondas eletromagnéticas com as freqüências mais altas que conhecemos. SAIBA MAIS Raios gama operam o cérebro sem cortes Em um trabalho em parceria com uma universidade americana, pesquisadores brasileiros estão conduzindo no país as primeiras cirurgias de cérebro feitas com radiação gama, dispensando abrir a cabeça do paciente. O objetivo é oferecer    uma nova arma no combate a casos de transtorno obsessivo-compulsivo (TOC) que não respondam aos tratamentos convencionais, com medicamentos. A operação é bem mais simples do que as neurocirurgias tradicionais. Os pesquisadores usam tomografias para identi- ficar o ponto exato do cérebro que deve ser atingido pelos raios gama. Uma vez determinado o alvo no cérebro, o paciente fica em uma câmara de cobalto radioativo, parecida com uma câmara de ressonância magnética, onde sua cabeça fica envolvida por uma espécie de redoma com 201 pequenos furos. Na região do cérebro em que os raios gama vindos dos furos se cruzam acontece uma pequena lesão que mata os neurônios causadores do transtorno. Essa técnica não é livre de efeitos colaterais. O mais comum são dores de cabeça, mas outros efeitos podem aparecer. No caso de cirurgias com abertura do crânio, os danos são mais freqüentes, podendo ocorrer infecções ou até inchaço do cérebro. PODER DE PENETRAÇÃO A distância que uma partícula percorre até parar é denominada alcance. O alcance das partículas alfa é muito pequeno, ou seja, as partículas alfa possuem um pequeno poder de penetração. Elas podem ser detidas por uma camada de 7 cm de ar, uma folha de papel ou uma chapa de alumínio de 0,06 milímetros de espessura. Ao incidir sobre o corpo humano, são detidas pela camada de células mortas da pele, podendo, no máximo, causar queimaduras. As partículas beta têm poder médio de penetração, porém, muito maior que o das partículas alfa, de 50 e 100 vezes mais penetrantes. Atravessam alguns metros de ar e até 16 mm de madeira. Podem ser detidas por lâminas de alumínio com 1 cm de espessura ou por lâminas de chumbo com espessura maior que 2 mm. Ao passar por um meio material, a radiação beta perde ener- gia, ionizando os átomos que encontra no caminho. Ao incidirem sobre o corpo humano, podem penetrar até 2 cm e causar sérios danos. Os raios gama têm alto poder de penetração. São mais penetrantes que os raios X, pois possuem comprimentos de onda bem menores, variando entre 0,1e 0,001 angstrons. Podem atravessar milhares de metros de ar, até 25 cm de madeira ou 15 cm de espessura de aço. São detidos por placas de chumbo com mais de 5 cm de espessura ou por grossas paredes de concreto. Um fóton de radiação γ pode perder toda (ou quase toda) energia numa única interação e a distância que ele percorre até interagir não pode ser prevista. Podem atra- vessar completamente o corpo humano, causando danos irrepa- ráveis. ISÓTOPOS DOS ELEMENTOS A existência de diferentes elementos na natureza e o estudo das possíveis interações entre eles têm sido amplamente estudados, como vemos em aulas de química. A divisão da ciência em diferentes ramos como química, física, biologia etc. é artificial e arbitrária, o que pode nos levar a pensar que o átomo que estudamos em uma aula de química não é o mesmo átomo da aula de física. Essa fragmentação da ciência tem uma origem histórica e o mais im- portante é percebermos os muitos pontos onde há uma convergência de inte- resses e, principalmente, como essas partes do conhecimento se comunicam. Na tabela periódica, os diferentes átomos existentes na natureza estão dis- postos de modo que são facilmente agrupados por apresentarem numa reação química características semelhantes. Cada elemento fica bem identificado pelo     -     número de elétrons e de prótons, que é o número atômico do elemento. Sob o ponto de vista de cargas elétricas o átomo é neutro e parece ser estável. O número de prótons, como já dissemos, é igual ao de elétrons e define o número atômico do elemento, que é representado pela letra Z. O número de nêutrons pode variar e um elemento pode aparecer na natureza com diferente número de nêutrons, que são chamados de isótopos naturais do elemento. Isótopo quer dizer mesmo lugar (iso = mesmo; topo = lugar, em grego) pois ocupam a mesma posição do elemento que o origina na tabela periódica, visto que possuem o mesmo número de prótons. Existe uma tabela que mostra todos os elementos conhecidos classifica- dos pelo número de prótons no eixo vertical e pelo número de nêutrons no eixo horizontal, denominada tabela de isótopos, ou tabela de nuclídeos. Uma pequena parte dessa tabela está mostrada abaixo. O que não se entendia 100 anos atrás era que alguns elementos que não possuíam características radioativas originavam isótopos que eram radioativos. O hidrogênio é um bom exemplo. Ele possui vários isótopos e um deles é radioativo: o trítio, ou hidrogênio-3. O trítio possui um próton e dois nêu- trons, o que o torna um isótopo instável. Isso quer dizer que se uma caixa é lacrada cheia de trítio e é aberta um milhão de anos depois, não haverá lá dentro mais nenhum trítio, somente se encontrará o hélio-3 (dois prótons e um nêutron) que é estável. O trítio “virou” hélio-3, ou seja, um elemento se transmuta em outro! Ocorreu, assim, o decaimento radioativo. Alguns elementos são naturalmente radioativos e todos os seus isótopos também o serão. O urânio é o melhor exemplo desse tipo de elemento, e é o elemento radioativo mais pesado encontrado na natureza. Existem outros oito elementos que são radioativos naturalmente: polônio, astato, radônio, frâncio, radio, actínio, tório e o protactínio. Todos os outros elementos feitos pelo homem e que são mais pesados que o urânio são radioativos. Assim, emissão desses raios evidenciou que existiam processos atômicos muito mais complexos do que se imaginava e, principalmente, que esses raios eram resultado de mudanças que ocorriam no interior do átomo, ou seja, no núcleo atômico.   Hoje sabe-se que todos os elementos com números atômicos maiores que 82 (chumbo) são radioativos. A grande questão é por que isso ocorre? DATAÇÃO POR CARBONO-14 Você certamente já ouviu histórias sobre artefatos arqueológicos de mi- lhares de anos, como os Manuscritos do mar Morto, encontrados por acidente em grutas do Oriente Médio, e que trazem os primeiros estudos da Bíblia, datando do século III a.C.Você também deve ter ouvido falar sobre múmias ou fósseis de animais e plantas com milênios de idade, ou sobre pinturas rupestres, feitas por homens das cavernas durante a Pré-história. Você já se perguntou como um cientista pode saber a idade desses artefatos? Iremos agora aprender sobre uma técnica utilizada pelos cientistas para determinar a idade de objetos antigos. Ela é chamada de datação por carbono-14. Raios cósmicos entram na atmosfera terrestre em um número gigantesco. Por exemplo, você agora está sendo atingido por milhares desses raios, de modo que a cada hora cerca de um milhão deles atravessam você. Ao colidir com um átomo da atmosfera, são liberados vários prótons e nêutrons com uma boa quantidade de energia. A maior parte dos prótons “cap- tura” elétrons e transforma-se em átomos de hidrogênio. Já os nêutrons, que não possuem carga, continuam em movimento por não interagirem com a matéria. Muitos deles acabam por colidir, então, com átomos de nitrogênio presentes na atmosfera. Quando o nêutron colide, o nitrogênio-14 (sete prótons e sete nêutrons) trasmutam-se em carbono-14 (seis prótons e oito nêutrons) em um átomo de hidrogênio (um próton e nenhum nêutron). 1 0 n+ 14 7 N → 146 C + 11 H Assim, tem-se na natureza um isótopo radioativo, o carbono-14, com meia- vida em torno de 5.700 anos. Tanto o isótopo comum e estável carbono-12 como o radioativo carbono- 14 combinam com o oxigênio, formando o dióxido de carbono, o qual é ab- sorvido naturalmente pelas plantas durante a fotossíntese. Como os seres hu- manos e animais comem plantas, ingere-se assim esse isótopo radioativo. Neste momento, em seu corpo, há um percentual de carbono-14, e todas as plantas e animais vivos têm essa mesma porcentagem. Como as plantas absorvem o dióxido de carbono enquanto estão vivas, qualquer carbono-14 perdido por decaimento é imediatamente substituído por carbono-14 da atmosfera. Quando a planta morre, essa substituição pára de ser feita. Dessa forma, a porcentagem de carbono-14 passa a diminuir a uma taxa constante, que é dada pela sua meia-vida. Quanto mais tempo se deu a morte, menor é a quantidade de carbono-14 contida. Assim, os cientistas con- seguem calcular a idade de artefatos que contêm esse isótopo. Com esse mé- todo é possível olhar para o passado até 50 mil anos atrás! A datação por esse método tem uma incerteza de 15%, aceitável para muitas finalidades. Exercício 1. Um arqueólogo extrai um grama de carbono de um osso e descobre que ele tem um quarto da radioatividade de um grama de carbono extraído de um osso nos dias de hoje. Considere que a razão entre a quantidade de carbono-     -     14 e carbono-12 permanece constante com o passar do tempo e diga aproximadamente qual a idade do osso. SAIBA MAIS O sítio arqueológico do Piauí O parque nacional Serra da Capivara está localizado no sudeste do estado do Piauí, foi criado para proteger uma área na qual se encontra o mais importante patrimônio pré-histórico do Brasil. Trata-se de um parque arqueológico com uma riqueza de vestígios que se conservaram durante milênios. As pinturas encontradas na Serra da Capivara foram gravadas sobre pedras por homens da caverna.Trata-se de imagens humanas desenhadas por paleoíndios, os índios pré-históricos que habitavam o Brasil milhares de anos antes de os portugueses por aqui chegarem. Há uma enorme polêmica acerca da idade desses desenhos. Arqueólogos e cientistas brasilei- ros datam as gravuras em torno de 30 mil anos. Laboratórios americanos as dataram com cerca de 3 mil anos. A polêmica se dá, pois até então se achava que o homem existia no continente americano há meros 11 ou 12 mil anos, vindos da Ásia sobre o mar congelado do estreito de Bering, entre a Sibéria e o Alasca. O maior problema surge do fato que as datações são inerentemente difíceis, em razão da possibilidade de contaminação, ou pelo tipo de amostra coletado, de modo que as evidências sempre foram polêmicas entre os pesqui- sadores, tanto no Brasil como no exterior. FORÇAS NUCLEARES Tudo é feito de átomos, que se juntam em moléculas e passam a construir tudo o que nos cerca. Na natureza, qualquer átomo que encontrarmos estará entre os 92 tipos diferentes de átomos, também chamados de elementos. Qual- quer substância terrestre (metais, plástico, roupas, cabelos...) é uma combina- ção de vários desses 92 elementos encontrados na natureza. Como dissemos, a tabela periódica, tão conhecida quando se estuda química, organiza esses 92 elementos naturais mais alguns criados pelo homem. Dentro de cada átomo existem as chamadas partículas subatômicas, tais como prótons, elétrons e nêutrons, entre outras. A cada ano, quanto mais avan- çam os estudos em Física de Partículas, mais se conhece a estrutura atômica, surgindo sempre novas partículas. As partículas constituintes do núcleo atômico são chamadas de nucleons. Os nucleons carregados são os conhecidos prótons e os sem carga são os nêutrons. Os prótons e nêutrons ficam unidos formando o núcleo atômico. Como você já viu no Módulo 4, cargas de sinal oposto se atraem e de mesmo sinal se repelem, de forma que um próton e um elétron se atraem e dois elétrons ou dois prótons se repelem. Assim, surge uma pergunta: por que os prótons, que são carregados posi- tivamente, podem ficar próximos um dos outros no interior do núcleo? Ou melhor, por que os prótons no interior do núcleo não se repelem devido às intensas forças elétricas de repulsão que atuam em cargas de mesmo sinal? O que ocorre é que existe no interior do núcleo atômico a presença de uma força muito mais intensa que a força elétrica, a força nuclear. Tanto os prótons quanto os nêutrons se ligam através dessa extraordinária força atrati- va. Essa força é muito mais complexa que a força elétrica e os físicos ainda não a compreendem totalmente. A força nuclear que faz com que o núcleo