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2 Leonardo Pratavieira Déo

3 De que somos feitos?

4 O que é Universo? Tudo que existe, tal como, as pessoas, os lugares que estamos acostumados a ir, nosso planeta, o Sistema Solar, a Via Láctea, e todas as outras galáxias existentes por ai fazem parte do Universo.

5 O Universo é feito de que?
Toda a matéria que existe no universo é composta por moléculas, ou seja, átomos de diferentes elementos químicos interligados. Moléculas

6 As moléculas são compostas por átomos
O átomo é a menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico. Ele apresenta um núcleo com carga positiva (composto por prótons e netrons) que apresenta quase toda sua massa (mais que 99,9%) e elétrons com cargas negativas que orbitam o núcleo positivo.

7 Os prótons, nêutrons e elétron são feitos de que?
Desde quando sabe-se da existência dos átomos?

8 Demócrito de Abdera (460 a.C. - 370 a.C.) - Sugeriu a teoria atômica
Tudo que existe é composto por elementos indivisíveis chamados átomos Do grego "a" significa, negação e "tomo", divisível. Átomo= indivisível). Demócrito de Abdera sugeriu que tudo o que existe é composto por elementos indivisíveis chamados átomos Os átomos seriam qualitativamente iguais, diferindo, apenas, na forma, no tamanho e na massa.

9 John Dalton ( ) O professor da universidade inglesa New College de Manchester, John Dalton foi o criador da primeira teoria atômica moderna na passagem do século XVIII para o século XIX. Em 1803 Dalton publicou o trabalho Absorption of Gases by Water and Other Liquids, (Absorção de gases pela água e outros líquidos), neste delineou os princípios de seu modelo atômico. Segundo Dalton: Átomos de elementos diferentes possuem propriedades diferentes entre si. Átomos de um mesmo elemento possuem propriedades iguais e de peso invariável. Átomos são partículas maciças, indivisíveis e esféricas formadoras da matéria. Nas reações químicas, os átomos permanecem inalterados. Na formação dos compostos, os átomos entram em proporções numéricas fixas 1:1, 1:2, 1:3, 2:3, 2:5 etc. O peso total de um composto é igual à soma dos pesos dos átomos dos elementos que o constituem. Em 1808, Dalton propôs a teoria do modelo atômico, onde o átomo é uma minúscula esfera maciça, impenetrável, indestrutível, indivisível e sem carga. Todos os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos. Seu modelo atômico foi chamado de modelo atômico da bola de bilhar. Em 1810 foi publicada a obra New System of Chemical Philosophy (Novo sistema de filosofia química), nesse trabalho havia testes que provavam suas observações, como a lei das pressões parciais, chamada de Lei de Dalton, entre outras relativas à constituição da matéria. Os átomos são indivisíveis e indestrutíveis; Existe um número pequeno de elementos químicos diferentes na natureza; Reunindo átomos iguais ou diferentes nas variadas proporções, podemos formar todas as matérias do universo conhecidos; Para Dalton o átomo era um sistema contínuo. Apesar de um modelo simples, Dalton deu um grande passo na elaboração de um modelo atômico, pois foi o que instigou na busca por algumas respostas e proposição de futuros modelos. Modelo de Dalton: A matéria é constituída de diminutas partículas amontoadas como laranjas. Em 1807, criou um modelo parecido com o antigo conceito dos gregos.

10 John Thomson (1856 - 1940) foi quem descobriu o elétron
A partir de uma experiência utilizando tubos de Crookes, Joseph John Thomson demonstrou que os raios catódicos podiam ser interpretados como um feixe de partículas carregadas negativamente e que possuíam massa. Concluiu que essas partículas negativas deviam fazer parte de quaisquer átomos, recebendo assim o nome de elétron. O Modelo atômico de Thomson (1897) propunha então que o átomo não fosse maciço (como havia afirmado John Dalton), mas sim um fluido com carga positiva (homogêneo e quase esférico) no qual estavam dispersos (de maneira homogênea) os elétrons. Podemos fazer a analogia desse modelo atômico com um "Panetone" ou com um pudim recheado de uvas passas, em que a massa do panetone seria positiva e as passas seriam as partículas negativas.

11 Ernest Rutherford ( ) A teoria orbital de Rutherford encontrou uma dificuldade teórica resolvida por Niels Bohr. No momento em que temos uma carga elétrica negativa composta pelos elétrons girando ao redor de um núcleo de carga positiva, este movimento gera uma perda de energia devido a emissão de radiação constante. Num dado momento, os elétrons vão se aproximar do núcleo num movimento em espiral e cair sobre si. Em 1911, Niels Bohr publicou uma tese que demonstrava o comportamento eletrônico dos metais. Na mesma época, foi trabalhar com Ernest Rutherford em Manchester, Inglaterra. Lá obteve os dados precisos do modelo atômico, que iriam lhe ajudar posteriormente. Em 1913, observando as dificuldades do modelo de Rutherford, Bohr intensificou suas pesquisas visando uma solução teórica. Em 1916, Niels Bohr retornou para Copenhague para atuar como professor de física. Continuando suas pesquisas sobre o modelo atômico de Rutherford. Em 1920, nomeado diretor do Instituto de Física Teórica, Bohr acabou desenvolvendo um modelo atômico que unificava a teoria atômica de Rutherford e a teoria da mecânica quântica de Max Planck. Sua teoria consistia que ao girar em torno de um núcleo central, os elétrons deveriam girar em órbitas específicas com níveis energéticos bem definidos. Que poderia haver a emissão ou absorção de pacotes discretos de energia chamados de quanta ao mudar de órbita. Realizando estudos nos elementos químicos com mais de dois elétrons, concluiu que se tratava de uma organização bem definida em camadas. Descobriu ainda que as propriedades químicas dos elementos eram determinadas pela camada mais externa. Bohr enunciou o princípio da complementaridade, segundo o qual um fenômeno físico deve ser observado a partir de dois pontos de vista diferentes e não excludentes. Observou que existiam paradoxos onde poderia haver o comportamento de onda e de partícula dos elétrons, dependendo do ponto de vista. Essa teoria acabou por se transformar na hipótese proposta por Louis de Broglie (Louis Victor Pierre Raymondi, sétimo duque de Broglie) onde todo corpúsculo atômico pode comportar-se de duas formas, como onda e como partícula.

12 Niels Henrick David Bohr (1885 - 1962)
A teoria orbital de Rutherford encontrou uma dificuldade teórica resolvida por Niels Bohr. No momento em que temos uma carga elétrica negativa composta pelos elétrons girando ao redor de um núcleo de carga positiva, este movimento gera uma perda de energia devido a emissão de radiação constante. Num dado momento, os elétrons vão se aproximar do núcleo num movimento em espiral e cair sobre si. Em 1911, Niels Bohr publicou uma tese que demonstrava o comportamento eletrônico dos metais. Na mesma época, foi trabalhar com Ernest Rutherford em Manchester, Inglaterra. Lá obteve os dados precisos do modelo atômico, que iriam lhe ajudar posteriormente. Em 1913, observando as dificuldades do modelo de Rutherford, Bohr intensificou suas pesquisas visando uma solução teórica. Em 1916, Niels Bohr retornou para Copenhague para atuar como professor de física. Continuando suas pesquisas sobre o modelo atômico de Rutherford. Em 1920, nomeado diretor do Instituto de Física Teórica, Bohr acabou desenvolvendo um modelo atômico que unificava a teoria atômica de Rutherford e a teoria da mecânica quântica de Max Planck. Sua teoria consistia que ao girar em torno de um núcleo central, os elétrons deveriam girar em órbitas específicas com níveis energéticos bem definidos. Que poderia haver a emissão ou absorção de pacotes discretos de energia chamados de quanta ao mudar de órbita. Realizando estudos nos elementos químicos com mais de dois elétrons, concluiu que se tratava de uma organização bem definida em camadas. Descobriu ainda que as propriedades químicas dos elementos eram determinadas pela camada mais externa. Bohr enunciou o princípio da complementaridade, segundo o qual um fenômeno físico deve ser observado a partir de dois pontos de vista diferentes e não excludentes. Observou que existiam paradoxos onde poderia haver o comportamento de onda e de partícula dos elétrons, dependendo do ponto de vista. Essa teoria acabou por se transformar na hipótese proposta por Louis de Broglie (Louis Victor Pierre Raymondi, sétimo duque de Broglie) onde todo corpúsculo atômico pode comportar-se de duas formas, como onda e como partícula.

13 O atual modelo atômico Se sabe que os elétrons possuem carga negativa, massa muito pequena e que se movem em órbitas ao redor do núcleo atômico. O núcleo atômico é situado no centro do átomo e constituído por prótons que são partículas de carga positiva, cuja massa é aproximadamente vezes superior a massa do elétron, e por nêutrons, partículas sem carga e com massa ligeiramente superior à dos prótons. O átomo é eletricamente neutro, por possuir números iguais de elétrons e prótons. O número de prótons no átomo se chama número atômico, este valor é utilizado para estabelecer o lugar de um determinado elemento na tabela periódica. A tabela periódica é uma ordenação sistemática dos elementos químicos conhecidos. Cada elemento se caracteriza por possuir um número de elétrons que se distribuem nos diferentes níveis de energia do átomo correspondente. Os níveis energéticos ou camadas, são denominados pelos símbolos K, L, M, N, O, P e Q. Cada camada possui uma quantidade fixa de elétrons. A camada mais próxima do núcleo K, comporta somente dois elétrons; a camada L, imediatamente posterior, oito, e assim sucessivamente. Os elétrons da última camada (mais afastados do núcleo) são responsáveis pelo comportamento químico do elemento, por isso são denominados elétrons de valência. O número de massa é equivalente à soma do número de prótons e nêutrons presentes no núcleo. O átomo pode perder elétrons, carregando-se positivamente, é chamado de íon positivo (cátion). Ao receber elétrons, o átomo se torna negativo, sendo chamado íon negativo (ânion). O deslocamento dos elétrons provoca uma corrente elétrica, que dá origem a todos os fenômenos relacionados à eletricidade e ao magnetismo. No núcleo do átomo existem duas forças de interação a chamada interação nuclear forte, responsável pela coesão do núcleo, e a interação nuclear fraca, ou força forte e força fraca respectivamente. As forças de interação nuclear são responsáveis pelo comportamento do átomo quase em sua totalidade. As propriedades físico-químicas de um determinado elemento são predominantemente dadas pela sua configuração eletrônica, principalmente pela estrutura da última camada, ou camada de valência. As propriedades que são atribuídas aos elementos na tabela, se repetem ciclicamente, por isso se denominou como tabela periódica dos elementos. Os isótopos são átomos de um mesmo elemento com mesmo número de prótons (podem ter quantidade diferente de nêutrons). Os isótonos são átomos que possuem o mesmo número de nêutrons Os Isóbaros são átomos que possuem o mesmo número de massa Através da radioatividade alguns átomos atuam como emissores de radiação nuclear, esta constitui a base do uso da energia atômica.

14 Tabela Periódica dos Elementos
Tabela periódica dos elementos químicos é a disposição sistemática dos elementos, na forma de uma tabela, em função de suas propriedades. É muito útil para se preverem as características e tendências dos átomos. Permite, por exemplo, prever o comportamento de átomos e das moléculas deles formadas, ou entender porque certos átomos são extremamente reativos enquanto outros são praticamente inertes etc. Permite prever propriedades como eletronegatividade, raio iônico, energia de ionização etc.. Dá, enfim, fazer inferências químicas plausíveis.

15 Os átomos são as partículas elementares?
Se quebrarmos as partículas que compõem o núcleo (prótons e nêutrons), iremos obter os quarks. Vejamos o que são os quarks mais adiante.

16 Até a década de 1960 se achava que os Hádrons eram partículas fundamentais.
Os Hádrons ou Nucleons, em Física de Partículas, compõem o núcleo atômico, ou seja, os Hádrons mais conhecidos são os prótons e os nêutrons. Até a década de 1960 se achava que os Hádrons eram partículas fundamentais. Hoje se sabe que não passam de composições de quarks e que a interação existente entre nucleons é resultado da ação da força forte, de um modo análogo à que mantém os átomos unidos pela força eletromagnética. Compreender os nucleons é um dos maiores objetivos da cromodinâmica quântica.

17 1964: os quarks eram entidades hipotéticas propostas por Gell-mann e Zweig
Em 1964, quando os quarks eram ainda entidades hipotéticas propostas por Gell-mann e Zweig a conjetura era ousada e pouca gente a levou a sério.

18 A teoria original previa a existência de três tipos de quarks: o quark up (u), o quark down (d) e o quark estranho (s). Os quarks up e down seriam suficientes para construir a matéria comum A teoria original dos quarks previa a existência de três tipos, ou sabores, de quarks: o quark up (u), o quark down (d) e o quark estranho (s). Os quarks u e d seriam suficientes para construir a matéria comum - o próton seria constituído de dois quarks u e um quark d e o nêutron seria feito de um quark u e dois quarks d.

19 A evidência experimental dos quarks foi considerada convincente apenas na década de 1970.
A evidência experimental dos quarks foi considerada convincente apenas na década de 1970, a chamada década de ouro da física de partículas, através de reações de altas energias em aceleradores/colisores de partículas como o acelerador Linear de Stanford, o Tevatron do Fermilab, em Batavia, Illinois e o Grande Colisor Elétron-Pósitron do CERN (Centro Europeu de Física de Partículas). Nos aceleradores/colisores, as partículas são primeiro aceleradas, atingindo energias muito elevadas e velocidades próximas a da luz, e depois levadas a colidir frontalmente com outras partículas que se deslocam em direção oposta. Dessa colisão, ou explosão, podem resultar partículas exóticas que podem ser analisadas e cujas propriedades, em certos casos, podem ser comparadas com as propriedades previstas teoricamente de modo a detectá-las. (Claro que, na prática, as coisas não são tão simples assim, mas a idéia é essa.)

20 Centro de Aceleração Linear de Stanford – em funcionamento desde 1962
Califórnia - Estados Unidos da América - Universidade de Stanford. 3 quilômetros de extensão 1990 — Evidência experimental de quarks dentro de prótons e nêutrons Centro de Aceleração Linear de Stanford (em inglês Stanford Linear Accelerator Center — SLAC) é um laboratório dos Estados Unidos da América que abriga um acelerador linear de partículas com 3 quilômetros de extensão e faz parte da Universidade de Stanford. O SLAC já produziu três Prêmios Nobel de Física: 1975 — Descoberta do quark c (por meio de J/ψ) em 1974; 1990 — Evidência experimental de quarks dentro de prótons e nêutrons; 1995 — Descoberta do tau.

21 Fermilab - em funcionamento desde 1966
Fermilab (de Fermi National Accelerator Laboratory) é um laborátório espécializado em física de partículas de alta energia dos Estados Unidos da América localizado em Batavia, próximo a Chicago, Illinois. Foi fundado em 1967 com o nome National Accelerator Laboratory e em 1974 foi renomeado em homenagem a Enrico Fermi. O acelerador de partículas Tevatron (que descobriu o quark top) é o mais importante experimento do Fermilab. Batavia, próximo a Chicago - Estados Unidos da América - Universidade de Chicago. 6,28 quilômetros de circunferência 1995 — Descoberta dos quarks top

22 Colisão de Partículas

23 O Átomo e Seus Componentes
Esta figura está bastante distorcida. Se fossemos desenhar o átomo em escala e fizéssemos os prótons e nêutrons com um centímetro de diâmetro, então os elétrons e quarks deveriam ter um diâmetro menor do que o de um fio de cabelo e o diâmetro do átomo inteiro deveria ser maior que o comprimento de trinta campos de futebol! 99, % do volume de um átomo é apenas espaço vazio! 

24 Tudo que existe é feito de: 6 quarks. 6 léptons.
Modelo Padrão Os físicos desenvolveram uma teoria chamada O Modelo Padrão, que explica o que é o mundo e o que o mantém unido. É uma teoria simples e compreensível que explica todas as centenas de partículas e interações complexas com apenas: 6 quarks.  6 léptons. O lépton mais conhecido é o elétron. O universo que conhecemos existe porque as partículas fundamentais interagem. Essas interações incluem forças atrativas e repulsivas, decaimento e aniquilação. Existem quatro interações fundamentais entre as partículas, e todas as forças no mundo podem ser atribuídas a essas quatro interações! É isso aí: qualquer força que você possa pensar -- atrito, magnetismo, gravidade, decaimento nuclear, e assim por diante-- é causada por uma dessas quatro interações fundamentais. Tudo que existe é feito de: 6 quarks.  6 léptons.

25 No Modelo Padrão... Por exemplo, o tempo de vida do múon é 2,197x10-6 s A segunda e terceira gerações decaem rapidamente, são raramente observadas e não compõem nenhuma matéria estável ao nosso redor. Como se sabe da existência delas?

26 O Big - Bang Desde o tempo de Planck, segundos, até cerca de ou seg, a energia do Universo está dominada pela radiação. Formação dos quarks: como existem mais quarks do que antiquarks no Universo, a destruição de matéria-antimatéria deixa mais quarks do que antiquarks (10-11 seg) Transição eletro-fraca: quebra espontânea de simetria formando os bósons massivos que transmitem a força fraca: W+, W-,Z. Abaixo destas energias a força fraca só age a distâncias menores que cm, mil vezes menor que o tamnho de um núcleo (10-10 seg) Confinamento dos quarks em mésons e prótons e nêutrons: transição quarks-hádron - QCD Cromodinâmica Quântica(10-5 seg) Formação prótons e nêutrons. Como os nêutrons decaem espontaneamente em prótons, mas os prótons não decaem, o Universo ficou com 7 prótons para cada nêutrons (1 seg) Nucleosíntese: formação de hidrogênio e hélio. A força forte que atrai os prótons e nêutrons só é efetiva para distâncias da ordem de cm. (100 seg) Matéria passa a dominar: com o esfriamento do Universo,a densidade de energia em forma de matéria passa a ser maior do que a densidade em forma de radiação ( anos) Formação de átomos. O Universo é agora frio o suficiente para que os elétrons fiquem ligados aos núcleos, formando hidrogênio, hélio e lítio (t= anos, T=3000 K) Formação de estrelas e galáxias (1 bilhão de anos) C e outros átomos começam a ser formados nas estrelas e ejetados ao meio interestelar através de supernovas (1,1 bilhão de anos)

27 Perguntas que o Modelo Padrão não responde
Os quarks e léptons são realmente fundamentais, ou são constituídos de partículas mais fundamentais? Por que a matéria tem massa?

28 Grande Colisor de Hádrons - LHC
Um dos principais objetivos do LHC é tentar explicar a origem da massa das partículas elementares e encontrar outras dimensões do espaço, entre outras coisas. Uma dessas experiências envolve a partícula bóson de Higgs. Caso a teoria dos campos de Higgs estiver correta, ela será descoberta pelo LHC. Procura-se também a existência da super simetria. Experiências que investigam a massa e a fraqueza da gravidade serão um equipamento toroidal do LHC e CMS ("Solenóide de múon compacto"). Elas irão envolver aproximadamente 2 mil físicos de 35 países e dois laboratórios autónomos — o JINR (Joint Institute for Nuclear Research) e o CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). As experiências por meio do LHC devem permitir descobrir várias partículas dotadas de todas as cargas de energia e exercendo as mesmas interações que as partículas do Modelo Padrão conhecidas. Fronteira da França com a Suíça - CERN - Organização Europeia para Investigação Nuclear 27 quilômetros de circunferência Entrou em funcionamento em 10 de Setembro de 2008 6 bilhões de dólares – 30 anos

29 Objetivos: Tentar explicar a origem da massa das partículas elementares - partícula bóson de Higgs. O Bóson de Higgs é uma partícula elementar escalar maciça hipotética predita para validar o modelo padrão atual de partícula. É a única partícula do modelo padrão que ainda não foi observada, mas representa a chave para explicar a origem da massa das outras partículas elementares. Um buraco negro astronômico forma-se quando matéria suficiente é comprimida em um espaço suficientemente pequeno para chegar na densidade crítica. De acordo com a teoria, a mesma densidade crítica poderia ser alcançada se duas partículas se chocassem violentamente, criando um buraco negro minúsculo. O espaço ao redor do buraco negro poderia embrulhar sobre si mesmo e brotar, formando um novo universo bebê invisível para nós. Um evento como esse pode significar a existência de dimensões extras além das três com que estamos familiarizados e dar pistas das propriedades delas. Encontrar outras dimensões do espaço.

30 Buraco Negro Um buraco negro é um objeto com campo gravitacional tão intenso que a velocidade de escape excede a velocidade da luz. Nem mesmo a luz (aproximadamente km/s) pode escapar do seu interior, por isso o termo negro (se não há luz sendo emitida ou refletida o objeto é invisível). O espaço ao redor do buraco negro poderia embrulhar sobre si mesmo. Um evento como esse pode significar a existência de dimensões extras além das três com que estamos familiarizados.

31 Riscos do LHC Catástrofe de dimensões cósmicas, como um buraco negro que destruiria a Terra. Se um buraco negro fosse produzido dentro do LHC, ele teria um tamanho milhões de vezes menor que um grão de areia, e não viveria mais de segundos. Alguns cientistas acreditam que este equipamento pode provocar uma catástrofe de dimensões cósmicas, como um buraco negro que acabaria por destruir a Terra. Outros defendem a seguinte idéia: se um buraco negro fosse produzido dentro do LHC, ele teria um tamanho milhões de vezes menor que um grão de areia, e não viveria mais de segundos (ou 0, segundo) , pois por ser um buraco negro, emitiria radiação e se extinguiria.

32 Buraco Negro

33 De que somos feitos?

34 Referências Sites: - acesso em 15/09/08 - acesso em 15/09/08 - acesso em 15/09/08 - acesso em 15/09/08 - acesso em 15/09/08 - acesso em 15/09/08 – acesso em 22/09/08 – acesso em 23/09/08

35 http://en.wikipedia.org/wiki/Generation_(particle_physics) – acesso em 23/09/08

36 FIM

37 Contato: