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RUMO AO INTERIOR DA MATÉRIA: A HISTÓRIA DAS PRIMEIRAS PARTÍCULAS ELEMENTARES Vicente Pleitez Instituto de Física Teórica/UNESP.

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1 RUMO AO INTERIOR DA MATÉRIA: A HISTÓRIA DAS PRIMEIRAS PARTÍCULAS ELEMENTARES Vicente Pleitez Instituto de Física Teórica/UNESP

2 O Elétron (1897) O Fóton (1905) O Próton (1919) O Nêutron (1932) O Neutrino (1933) O Múon (1937) O Píon (1947) A explosão das partículas (1952-)

3 1897: J. J. THOMSON: O elétron! Em 1896 H. Becquerel descobre a radioatividade natural 1899 Rutherford: raios, ( ) raios- são elétrons As partículas emitidas no efeito fotoelétrico são elétrons Quantos elétrons no átomo? 1913 Bohr: a radioatividade é um processo nuclear

4 O próton: Em 1911 E. Rutherford descobre o núcleo atômico Em 1920 Rutherford descobre o próton: He +N p + X Conjectura também a existência do nêutron, n Em 1921 J. Chadwick: interações fortes: He + p He + p o número de partículas... É muito maior que o esperado Para forças proporcionais a 1/r 2... O nêutron: VER A PARTE DO NEUTRINO

5 A IDÉIA DO FÓTON

6 Kirchhoff Bunsen Balmer Bohr Wien Einstein de Broglie Heisenberg Dirac Schrödinger Mecânica Matricial TQC Mecânica Ondulatória Bose radiação matéria Planck h

7 G. Kirchhoff Einstein: Seria edificante se se pudesse pesar a massa cinzenta que foi sacrificada pelos físicos no altar da função de Kirchhoff; e o fim destes cruéis sacrifícios ainda não está à vista 1859 Heidelberg É uma tarefa de primordial importância descobrir esta função. Surgem grandes dificuldades no caminho da sua determinação experimental. Todavia, há fundada esperança de que ela tenha uma forma simples, como todas as funções que não dependem das propriedades dos corpos individuais e com as quais já travamos conhecimento no passado

8 1900 EUREKA!! 1900 PLANCK E=nh, n=0,1,2,... A energía é emitida em pacotes! Depois de algumas semanas do mais extenuante trabalho da minha vida, a escuridão saiu e uma visão inesperada começou aparecer

9 Planck resolveu o chamado PROBLEMA DO CORPO NEGRO resumido na figura E=h h= (26)x MeV.s Quantum de energia

10 1918 Planck ganha o Nobel, "in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta" Planck: therefore, developed first the laws of emission and absorption of a linear resonator on the most general basis, in fact I proceeded on such a detour which could well have been avoided had I made use of the existing electron theory of H.A. Lorentz, already basically complete. But since I didH.A. Lorentz not quite trust the electron hypothesis, I preferred to observe that energy which flowed in and out through an enclosing spherical surface around the resonator at a suitable distance from it. The product hv, where v is the frequency of vibration of a radiation, is actually the smallest amount of heat which can be radiated at the vibration frequency v.... the constant number,... is a proportionality factor which describes a common, but until now unknown, property of matter. O apresentador: Dr. A.G. Ekstrand:

11 While Maxwell's theory is free from any assumptions of an atomistic nature, Lorentz starts from the hypothesis that in matter extremely small particles, called electrons, are the carriers of certain specific charges. These electrons move freely in so-called conductors and thus produce an electrical current, whereas in non-conductors their movement is apparent through electrical resistance O apresentador Prof. Hj. Théel, Presidente da Real Academia de Ciencias Sueca Lorentz (e Zeeman) Nobel de 1902: "in recognition of the extraordinary service they rendered by their researches into the influence of magnetism upon radiation phenomena"

12 Nos livros de texto apresenta-se como prova da hipótese do quantum de luz (mais tarde chamado de fóton ): O efeito fotoelétrico (1905) O efeito Compton (1923) (as vezes Planck 1900) X Em 1905 Eisntein generalizou a hipótese de Planck introduzindo o quantum de luz Planck quantizou apenas a emissão e absorção de radiação pelos atómos Einstein quantizou a própria radiação, ou seja, a própria luz Mesmo que as cervejas sejam vendidas apenas em garrafas não implica que a cerveja exista apenas em quantidades discretas

13 A luz é uma onda O efeito fotoelétrico metal ELÉTRONLUZ 1989 HERTZ: As suas características não se explicavam com os conceitos da física clássica

14 Einstein 1905: Sobre um ponto de vista heurístico da produção e transformação da luz... Parece-me que as observações da `radiação de corpo negro´, fotoluminescência, produção de raios catódicos por luz ultravioleta e outros fenômenos associados à emissão ou transformação da luz podem ser mais facilmente entendidas se admitirmos que a energia da luz é distribuída de forma descontínua no espaço... Na propagação de um raio de luz a energia não é continuamente distribuída sobre volumes cada vez maiores de espaço, mas consiste em um número finito de quanta de energia, localizados em pontos do espaço que se movem sem se dividir e que podem ser absorvidos ou gerados somente como unidades integrais

15 Algumas observações. O trabalho de Einstein NÃO É APENAS sobre o efeito fotoelétrico. Dedica a este apenas uma seção. O resultado principal é sobre a natureza da radiação (luz): o quatum de luz Ninguém ganhou o prêmio Nobel por essa descoberta. Einstein ganhou O prêmio em 1921 "for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect" (de Broglie em 1929: for his discovery of the wave nature of the electrons) Einstein mostrou que: e freqüências suficientemente altas, a entropia da radiação de corpo negro comporta-se como se a radiação consistisse em um gás de quanta de energia luminífera, cada qual com energia h Com isso explicou vários efeitos, entre eles o efeito fotoelétrico mas também a ionização de gases pela luz ultravioleta (base da fotoquímica), e a fotoluminescência

16 Em 1913, Planck, Nerst, Rubens e Warburg propuseram Einstein para a membro Academia Prusiana de Ciencias:... Podemos dizer que dificilmente há um dos grandes problemas, dos quais a física moderna é tão rica ao qual Einstein não tenha dado uma contribuição. Que ele tenha as vezes errado o alvo, como por exemplo, na sua hipótese dos quantum de luz, não pode ser usado contra ele, dado que é impossível Introduzir novas idéias, mesmo nas ciências mais exatas, sem correr algum tipo de risco. Mesmo Millikan em 1916 que confirmou a equação acima não acreditava na teoria de Einstein: A HIPÔTESE DO QUANTUM DE LUZ NÃO FOI ACEITA FACILMENTE!! Por quase duas décadas (ou talvez mais) fracassou em convencer a maioria dos físicos da validade de hipótese do quantum de luz. Mesmo quando em 1916 R. Millikan confirmara experimentalmente a equação E=h -P A despeito do aparente completo sucesso da equação de Einstein a teoria física é insustentável pelo próprio Einstein

17 1913: modelo atômico de Bohr usa E=h Em 1922 na entrega do prêmio Nobel: A pessar de seu valor heurístico a hipótese dos quanta de luz levou a um dilema bastante imprevisto, pois qualquer imagem corpuscular seria obviamente irreconciliável com os fenômenos de interferência,... que só podem ser descritos em termos de uma imagem ondulatória,... a hipótese dos quanta não é capaz de trazer alguma luz obre a natureza da radiação

18 Elétron 1 Elétron 2 Elétron virtual Fóton 1 Fóton EFEITO COMPTON: Este efeito convenceu à maioria dos físicos do caráter corpuscular da luz. Mas não ao comitê Nobel.

19 Em 1927 A. Compton ganhou o prêmio Nobel de Física: for his discovery of the effect named after him" O apresentador Professor K.M.G. Siegbahn (Nobel de Física 1924):K.M.G. Siegbahn Compton deduziu uma nova classe de teoria corpuscular, com a qual todos os dados experimentais estão em perfeito acordo... De acordo com esta teoria o quantum de radiação é reemitido em uma direção definida por apenas um só elétron O efeito Compton foi considerado para o Nobel em 1925 e Em 1927 o relator do comitê Nobel, Carl Wilhelm Oseen colocou o interesse do referido efeito e mostra que não representa uma prova da teoria corpuscular da luz. O efeito era considerado obsoleto afinal em 1925 tinha aparecido a nova dinâmica e esse efeito não tinha nada a ver com isso...

20 Em 1924 depois da descoberta do efeito Compton Borh, Kramers e Slater publicaram The Quantum Theory of Radiation, nele rejeitavam a hipótese do quantum de luz, e propunham um esquema onde a conservação de energia era estatística. É possível que a aversão de Borh pelo fóton não parasse por aí Em 1925 Einstein da uma palestra no Rio de Janeiro Remaks on the Present Situation of the Theory of Light on comenta o trabalho de BKS. Talvez foi a última vez que Einstein discutiu isso em público.

21 As coisas não forma fáceis mesmo para Einstein. Alguns desconfortos começaram depois de seus trabalhos da emissão espontânea e induzida realizados em e que são a base dos raios lasers. No processo da emissão espontânea: é uma fraqueza da teoria... deixar ao acaso o tempo e a direção dos processos elementares. Ele observa que isso é parecido com o que acontece na radioatividade O caráter aleatório dos processos espontâneos significava que algo ia mal com a causalidade clássica. Isto deveria perturbá-lo profundamente e para sempre (A. Pais). Existem agora, portanto, duas teorias da luz, ambas indispensáveis, e – como temos que admitir hoje, não obstante vinte anos de tremendo esforço por parte dos físicos teóricos – sem qualquer conexão lógica Em 1951 em carta a M. Besso: Todos estes 50 anos de meditação não me levaram mais perto de responder à questão. O quê são os quanta de luz?

22 Porque parece passar somente uma fração diminuta da sua existência como portador da energia radiante, entanto que o resto do tempo é um elemento da estrutura do átomo... Eu tomo a liberdade de propor para este novo tipo de átomo hipotético que não é luz, mas joga um papel importante em todo processo radiativo, o nome de fóton G. N. Lewis, : fóton

23 Dirac 1927 Heisenberg Schördinger Teoria Quântica de Campos R. Feynman, J. Schwinger e S. Tomonaga QED 1949 No livro de Y. Neeman e Y. Kirsh The Particle Hunters, Em 1965 Feyman, Schwinger e Tomonaga ganharam o prêmio Nobel de Física.Poderiam tê-lo recebido vários anos antes, porém Niels Bohr via com receio a nova teoria e sua atitude negativa impediu o Comitê Nobel de reconhecer o trabalho daqueles científicos Palestra 15/06

24 A idéia do Neutrino

25 Decaimento : (radioatividade natural) Exemplo:

26 CARTA DE PAULI-1930 Caros Damas e cabalheiros: Vou explicar vocês que pelo fato da estatística errada do N e do 6 Li e do espectro- continuo tenho chegado a um remédio desesperado para salvar o teorema de troca da estatística e a lei de conservação da energia. A saber, a possibilidade de existir nos núcleos partículas eletricamente neutras, que eu gostaria de chamar de nêutrons, os quais tem espín ½ e obedecem o principio de exclusão e diferem dos quanta de luz porque não viajam à velocidade da luz. A massa deve ser da mesma ordem de magnitude da do elétron e não mais que 0.01 da do próton.- O espectro- contínuo pode ser compreendido agora porque no decaimento-, um nêutron é emitido além do elétron de maneira que a soma da energia do nêutron e do elétron seja constante. Agora tratemos da questão de que forças atúam nos nêutron? O mais provável me parece, pelas razões da mecânica ondulatória (os detalhes são conhecidos pelo autor), que o nêutron em repouso é um dipolo magnético de certo valor.

27 Até 1932 a idéia do átomo era: Z elétrons orbitais : carga elétrica = -eZ Núcleo: A prótons e (A-Z) elétrons: Carga elétrica do núcleo: +Ae – e(A-Z)= +eZ Carga total do atômo: 0 Se existem elétrons no núcleo: Dimensões típicas do núcleo: Energia cinética do elétron: Não há evidência de tais energias nos espectros. Mas mesmo assim o modelo era aceito por falta de opções. Além disso funcionava bem

28 O problema mencionado por Pauli era este: No esquema antigo o núcleo do 14 N seria composto de: Prótons: 14 Elétrons: 7 Total: 21 Prótons e elétrons são férmions: espín ½ com 21 férmions teríamos espín semi-inteiro: O núcleo de 14 N seria um férmion também Experimentalmente: o espín era inteiro, ou seja: O núcleo de 14 N seria um BÓSON!

29 Pauli não da detalhes sobre como o seu nêutron resolveria o problema Em 1932 J. Chadwick descobre o verdadeiro NÊUTRON ainda que não o reconheceu imediatamente: Conclui-se que a radiação consiste, não de quanta como até agora suposto mas de nêutrons, partículas de massa 1, e carga 0. Damos evidência de que a massa é provavelment entre e Isto sugere que o nêutron consiste de um próton e um elétron..., a energia de ligação sendo perto de 1 a 2 x10 6 eV Chadwick ainda considerava o nêutron como sendo um composto de 1 próton e um elétron! Foi D. D. Iwanenko quem observou que o nêutron de Chadwick era outra partícula elementar como o próprio próton

30 1948 Maurice Golhaber: devemos ser cuidadosos, mesmo após os resultados de Sherwin, deve-se procurar evidências da absorção de neutrinos Sid Dancoff: temos uma função de onda respeitável, uma bela equação de Dirac, os princípios da mecânica quântica... O que mais precisaríamos? 1956 Reines e Cowan conseguem ver o neutrino chegar Sobre a existência dos neutrinos: AINDA BEM!

31 A teimosia dos experimentais Descoberta da estrutura do próton e nêutron A descoberta das correntes neutras A descoberta da existência de 3 tipos de neutrinos Aplicações de neutrinos: astronomia de neutrinos, geoneutrinos, muitas aplicações no dia-a-dia

32 Finalmente mas não menos importante 1937 C. Anderson descobre o múon Em 1949 C. Lattes et al descobrem o píon que tinha sido previsto por Yukawa em 1935 A partir de 1952 começa uma verdadeira expolsão de partículas: o modelo de quarks põe ordem na casa ESTES MEREÇEM UMA PALESTRA SEPARADA

33 Se a História fosse vista como um repertório para algo mais do que Anedotas ou cronologias, poderia produzir uma transformação decisiva na imagem de ciência que atualmente domina. Mesmo os próprios cientistas têm haurido essa imagem principalmente no estudo das realizações científicas acabadas, tal como estão registradas nos clássicos e, mais recentemente, nos manuais que cada nova geração utiliza para aprender seu ofício. Contudo, o objetivo de tais livros de ciência é inevitavelmente persuasivo e pedagógico; um conceito de ciência deles haurido terá tantas probabilidades de assemelhar-se ao empreendimento que os produziu como a imagem de uma cultura nacional obtida de um folheto turístico ou um manual de línguas. Este ensaio tenta mostrar que esses livros nos têm enganado em aspectos fundamentais. T. S. Kuhn, A Estrutura das Revoluções Científicas,1978

34 Fonte das fotografias: Créditos: G. Ekspong, The Dual Nature of Light as Reflected in the Nobel Archive, A bibliografía completa será colocada na versão de texto


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