ELÉTRON

 

Modelo que mostra o movimento do elétron no átomo. (Foto: Pixabay)

Partícula subatômica encontrada no átomo

O elétron é uma das menores substâncias conhecidas, considerada uma partícula subatômica. Ele contém carga negativa e é considerada uma partícula fundamental, ou essencial, à vida. Seu nome vem do grego "élektron", que significa "âmbar", por causa dos primeiros registros sobre o magnetismo.

Esses registros foram feitos pelos gregos, que utilizavam o âmbar como peça de decoração. O âmbar é uma substância liberada por alguns vegetais, e que, ao secar, formavam um material fossilizado. Ao ser friccionado com alguns tecidos, como a lã ou a seda, o âmbar causava o efeito de magnetismo.

O elétron pode ser encontrado nos átomos na área chamada eletrosfera. Nela, o elétron faz movimentos circulares, conhecido como camadas eletrônicas.

O elétron faz parte do grupo de léptons, que, no padrão da física, reúne algumas das menores substâncias que existem. Ele faz parte do primeiro grupo dos léptons, o chamado grupo das partículas fundamentais. Os seus estudos podem ser vistos na química e na física nuclear.

Quando se fala em partículas subatômicas, logo nos vêm à mente os prótons, os nêutrons e os elétrons. No entanto, atualmente, sabe-se que essas não são as únicas partículas que compõem a estrutura de um átomo. Na verdade, ele é formado por inúmeras outras partículas que foram divididas em três classes: os léptons, os quarks e os bósons.

Nesse artigo, consideraremos quais são as partículas subatômicas que se enquadram entre os léptons, que são as que estão em verde na imagem acima. 

A palavra “léptons” vem do grego “leve”, pois são as partículas subatômicas que não sofrem influência da força nuclear forte que mantém os prótons e os nêutrons unidos, participam somente das interações eletromagnéticas e fracas. Essas partículas não ficam no núcleo do átomo e podem viajar por conta própria.

Em física nuclear e física de partículas, um lépton ou leptão (grego para "leve", em oposição aos hádrons, que são "pesados") é uma partícula subatômica que não interage fortemente. Os léptons são férmions de spin 1/2. Um lépton pode ser um elétron, um múon, um tau ou um dos seus respectivos neutrinos.

Até o momento são conhecidos seis léptons, sendo que o mais famoso é o elétron (e^-). Outros dois léptons menos conhecidos e que também possuem carga negativa (-1), como o elétron, são o tau (τ^-) e o muon (μ^-). As outras três partículas são o neutrino do elétron (ν_e), o neutrino do tau (ν_τ) e o neutrino do muon (ν_μ).

Esses neutrinos não possuem carga elétrica, daí a origem do seu nome, que foi sugerido por Enrico Fermi, que significa “partículas eletricamente neutras”, como o nêutron, mas com a diferença de serem mais leves. O sufixo “ino” significa “piccolo neutron”, ou seja, “um pequeno nêutron”. Eles possuem massa muito pequena, mas não nula.

O neutrino foi descoberto em 1956, apesar de sua existência ter sido proposta em 1930, por Wolfgang Pauli. Os neutrinos são capazes de atravessar inúmeros objetos, incluindo nosso corpo e até planetas inteiros sem interagir com nenhuma partícula.

Entre os neutrinos citados, os do elétron são os que estão mais presentes em nosso cotidiano, pois eles vêm do sol, atravessando a atmosfera. Além disso, cerca de 600 trilhões de neutrinos atravessam o nosso corpo a cada segundo. Devido a essa capacidade, eles são chamados de “partículas-fantasma”.

Os neutrinos estão associados às reações nucleares, como a fusão e a fissão de elementos e partículas. O momento em que mais neutrinos são produzidos é quando as estrelas morrem, em explosões de supernovas. Esses neutrinos carregam a maior parte da energia gerada na explosão e viajam pelo espaço numa velocidade próxima à da luz.

Podemos agrupar os seis léptons em três pares relacionados com as suas interações fracas: o elétron (e-) e seu neutrino associado (ν_e), o muon (μ) e seu neutrino (ν_μ) e o tau (τ) e seu neutrino (ν_τ):

Os léptons são considerados partículas elementares da matéria, pois até o momento eles não podem ser divididos em partículas menores. Pelo menos é o que se sabe até as dimensões mais extremas exploradas atualmente, que são cerca de 10^-18 metros.

Cada um dos seis léptons citados possui uma antipartícula, que são partículas com as mesmas características, porém de sinal contrário. A antipartícula do elétron é o pósitron (e^-), que foi prevista em 1928 pelo físico inglês Paul Dirac (1902-1984) e descoberta em 1932 pelo físico norte-americano Carl David Anderson (1905-1991). Devido a essa descoberta, ele recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1936.

O muon e o tau também possuem antipartículas, que são, respectivamente, o antimuon (μ⁺) e o antitau (τ⁺). Os neutrinos são exatamente iguais às suas antipartículas, porque não possuem carga elétrica. Para diferenciá-los na representação, basta colocar um traço em cima do símbolo, quando estiver se referindo à antipartícula.

Um aspecto interessante sobre os léptons é que eles podem decair e transmutar-se em outros léptons. O muon e o tau são instáveis, e este último se desintegra espontaneamente em partículas que apresentam uma estrutura, isto é, uma partícula sem estrutura pode gerar uma partícula com estrutura, ou uma partícula elementar pode gerar uma partícula não elementar.

 

O clímax da produção de neutrinos (tipos de léptons) ocorre quando as estrelas morrem, 

como na explosão da supernova acima

Modelo que mostra o movimento do elétron no átomo. 

(Foto: Pixabay)

Vale ressaltar que os elétrons não possuem componentes conhecidos. Eles fazem parte de fenômenos físicos como a eletricidade e a condutividade elétrica. Além disso, estão presentes em processos tecnológicos, como a soldagem, a eletrônica, a radioterapia, os detectores de radiação ionizante e outros.

Descoberta do elétron

Hoje se sabe muita coisa sobre o elétron, desde a sua massa até a posição onde se encontra, sem contar com muitas das áreas onde pode ser aproveitado. Porém, a descoberta dessas partículas não aconteceu do dia para a noite, e foi uma sucessão de descobertas e experimentos de vários estudiosos. 

As primeiras descobertas

Tudo começou com os gregos, que perceberam que o âmbar, usado como peça de decoração, quando friccionado com alguns tecidos, criava um magnetismo. Em 1600, o cientista inglês William Gilbert publicou um estudo, onde se refere a essa atração após a fricção como "electricus", termo em neolatim. 

Mais tarde, Charles François du Fay e Francis Hauksbee descobriram outro objeto que, friccionado, gerava magnetismo: o vidro. Então, passaram a acreditar que objetos vítreos e resinosos tinham essa função. A teoria foi contestada por Benjamin Franklin dez anos depois. 

Para esse inventor, o magnetismo não dependia da substância que era friccionada, e sim da pressão que era feita sobre eles. Ele observou que os objetos tinham cargas diferentes, a qual chamou de positiva e negativa. Porém, para ele, o magnetismo pertencia ao material de carga positiva. 

Mais tarde, já sendo conhecida a existência do átomo, Richard Laming acreditava que essa substância era composta por um núcleo e por partículas subatômicas ao seu redor. Vários outros estudos de profissionais foram abrindo caminho para a descoberta do elétron.

A descoberta da partícula

Em seus estudos sobre condutividade elétrica, Johann Wilhelm Hittorf percebeu um brilho que era emitido do cátodo. Esse brilho aumentava a medida que a pressão dos gases diminuía. Eugen Goldstein demonstrou, mais tarde, que esses raios produziam uma sombra, as quais ele chamou de raios catódicos. 

Foi William Crookes que desenvolveu uma espécie de tubo com vácuo no interior, que possibilitou enxergar esses raios catódicos. Esse experimento demonstrou a forma como os raios eram carregados negativamente.

Em 1879 Crookes propôs que esses raios eram um novo estado físico da matéria, o que ele chamou de Matéria Radiante. Entretanto, essa teoria foi derrubada por J. J. Thomson, que descobriu que as origens dos raios eram na verdade pequenas partículas, ou seja, o elétron.

 O elétron nos aceleradores de partículas

Com os estudos sobre os elétrons, sabendo-se que a partícula era subatômica, seu uso foi incluído aos estudos dos aceleradores de partículas. Ainda no início do desenvolvimento dessa tecnologia, na metade do século XX. 

Em 1942 aconteceu a primeira tentativa com sucesso do uso de elétrons com indução eletromagnética. O responsável foi Donald Kerst, que usou o betraton, uma espécie de acelerador de partículas. O aparelho alcançou energia de 2,3 MeV, e o subsequente chegou a 300 MeV.

Os estudos avançaram com a radiação sincrotron, um tipo de radiação que se move a velocidade quase igual a da luz, descoberta pela General Eletric em 1947. O primeiro colisor de partículas foi o ADONE, criado pelo Instituto Nacional de Física Nuclear, na Itália, em 1968. Ele possuía um raio de energia de 1,5 GeV.

Foi o ADONE que conseguiu acelerar o elétron e o pósitron em direções opostas, conseguindo dobrar a energia dessa colisão. Mais tarde, o Grande Colisor de Elétrons e Pósitrons, que pertencia à Organização Europeia Para a Pesquisa Nuclear (CERN), conseguiu alcançar colisões energéticas de 209 GeV, fazendo importantes inovações para a física de partículas.

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FONTES:

1.  https://www.educamaisbrasil.com.br/enem/quimica/eletron

2.  https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/os-leptons.htm

O que é essa tal Física Quântica?

A Física Quântica surgiu como a tentativa de explicar a natureza naquilo que ela tem de menor: os constituintes básicos da matéria e tudo que possa ter um tamanho igual ou menor. Em outras palavras, pense o seguinte: tudo o que é maior do que um átomo está sujeito a leis da física que chamamos de “física clássica”. Por exemplo, elas sofrem a atração da gravidade, as leis da inércia, ação e reação, e por aí vai. Mas quando analisamos tamanhos menores que um átomo, tudo muda e as regras da física clássica já não valem mais. Foi preciso então admitir que era necessário outras leis para lidar com essa realidade, e também uma física totalmente nova, que ficou conhecida como Física Quântica.

Tudo começou em 1900, quando o físico alemão Max Planck introduziu a ideia de que a energia era enviada em “pacotes” chamados quanta (meio que parecido com a transmissão de dados pela internet), com o fim de derivar uma fórmula para a dependência da frequência observada com a energia emitida por um corpo negro. Em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico por um postulado sobre que a luz, ou mais especificamente toda a radiação electromagnética, pode ser dividida num número finito de “quanta de energia”, que são localizados como pontos no espaço.

Estes quanta de energia seriam chamados mais tarde de fótons, termo introduzido por Gilbert N. Lewis em 1926. A ideia que cada fóton teria de consistir de energia em termos de quantas foi um notável feito, já que efetivamente eliminou a possibilidade de que a radiação de um corpo negro alcançasse energia infinita, o que se explicou em termos de formas de onda somente. Em 1913, Niels Bohr explicou as linhas espectrais do átomo de hidrogênio, novamente utilizando a ideia dos quanta, em seu artigo On the Constitution of Atoms and Molecules (Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas), publicado em julho de 1913.

A expressão “física quântica” foi usada pela primeira vez em Universe in Light of Modern Physics (O Universo à Luz da Física Moderna), de Max Planck, em 1931.

Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie apresentou a sua teoria de ondas de matéria, dizendo que as partículas podem exibir características de onda e vice-versa. Esta teoria era para uma partícula simples e derivada da teoria especial da relatividade. Baseando-se na aproximação de de Broglie, nasceu a mecânica quântica moderna em 1925, quando os físicos alemães Werner Heisenberg e Max Born desenvolveram a mecânica matricial e o físico austríaco Erwin Schrödinger inventou a mecânica de ondas e a equação de Schrödinger não relativista como uma aproximação ao caso generalizado da teoria de de Broglie. Schrödinger posteriormente demonstrou que ambas as aproximações eram equivalentes e ficou conhecido pelo clássico experimento mental* chamado “o gato de Schrödinger”, que ilustrava o relativismo quântico com a ideia de que um gato fechado dentro de uma caixa está tanto vivo quanto morto, enquanto não abrirmos a caixa e termos certeza de qual é o verdadeiro estado do gato.

A física quântica não é intuitiva, ou seja, isso significa dizer que muitas partes dela parecem não ser verdade. Por exemplo, a dualidade onda-partícula diz que partículas se comportam ora como partículas ora como ondas. É uma afirmação no mínimo estranha, bizarra, por que seria mais ou menos como dizer que a água pode ser, ao mesmo tempo, seca e molhada dependendo da ocasião. Mas é o que acontece no mundo real das partículas quânticas. No nosso dia-a-dia, parece que vivemos num planeta plano, o que você sabe que não é verdade; nosso mundo é uma esfera, e no espaço não existe direita e esquerda, cima ou baixo.

Por ser não intuitiva, ela foi considerada uma falsa teoria. O próprio Einstein (que foi um dos fundadores da física quântica) acreditava que a física quântica devia estar errada. Mas com o passar do tempo percebeu-se que ela explicava tão bem o resultado das experiências, que tinha de ser verdade.

Nosso dia ocorre numa escala dita macroscópica (tudo aquilo que podemos ver a olho nu, por assim dizer). São os objetos que podemos enxergar sem a ajuda de lentes ou microscópios atômicos. A física quântica lida com coisas muito, tremendamente pequenas. Muitíssimo menores que um milímetro. Existem várias particulas do átomo, como os nêutrons (que contém uma carga neutra e são formados por três quarks) e prótons (carga positiva, também formados por três quarks); juntos eles formam o núcleo atômico.

O mundo em que vivemos é feito de átomos. Os átomos são feitos de coisas ainda menores chamadas quarks e elétrons. Ainda não sabemos se os quarks são feitos de coisas ainda menores. Os átomos, elétrons, quarks e outra coisa tão pequena que ainda não sabemos muito sobre ela, chamada fóton, têm comportamentos bizarros de vez em quando: nunca podemos saber exatamente onde estão. Não é por falta de instrumentos potentes, é uma lei da física, chamada Princípio da Incerteza de Heinsenberg, que diz que nunca saberemos a exata posição das coisas. Nunca saberemos onde os elétrons de um átomo estão exatamente. Nunca. É algo estranhíssimo, mas é a verdade. Há elétrons que, inclusive, somem de um lugar e reaparecem em outro, algo como um teletransporte. Não dá para ver que caminho seguiram para ir de um lugar a outro, só sabemos que eles fazem isso.

No mundo macroscópico, o “nosso” mundo, ondas são muito diferentes de objetos. Porém, se tivéssemos o tamanho de átomos, tudo se comportaria como uma onda de vez em quando e como uma partícula outras vezes. Essa foi uma das consequências mais bizarras da física quântica.

Há átomos, como o de Urânio que, do nada, explodem. Nunca sabemos que átomos vão explodir, ou quando, só sabemos que alguns vão e outros não. Aparentemente, nada faz eles explodirem, mas eles explodem. Dizem que irritou tanto a Einstein que foi aí que ele pronunciou sua famosa frase “Deus não joga dados com o universo”.

Muito embora a Física quântica seja esquisitíssima, e ainda por cima seja, como gostam de apontar alguns (sempre aqueles que não conhecem nada de ciência), “apenas uma teoria”, sem ela não teríamos os avanços da nossa tecnologia atual. Até o computador, smartphone ou tablet no qual você está lendo esse texto deve muito à mecânica quântica em algum nível.

Fontes:
________. O que é Fisica Quântica. Wikibooks.
________. História da Mecânica Quântica. Wikipédia, a Enciclopédia Livre.
Zarate, Oscar; McEvoy, J.P. Entendendo a Teoria Quântica. Editora Leya, 2012.

* O que significa que isso não foi feito com um gato de verdade, apenas para constar.

http://www.astropt.org/2013/08/05/o-que-e-essa-tal-fisica-quantica/

Acerca do Autor

Rafael Rodrigues

Rafael Rodrigues é Filósofo, roteirista de quadrinhos, divulgador da ciência e redator publicitário. Formado em Filosofia pela Universidade do Sul de Santa Catarina. Atualmente cursando pós-graduação em Neurociências Aplicada a Linguagem e Aprendizagem, escreve sobre terror, quadrinhos, Filosofia e ciência para sites diversos. Considera-se um humanista e acredita que o ser humano constrói e é construído por sua história e que ceticismo científico é a principal ferramenta para se mudar o mundo. Interessa-se pelo passado, presente, futuro e especialmente pela mente humana.