Professor Diminoi

FÍSICA DE PARTÍCULAS

A Física de partículas é a área da Física que estuda as partículas elementares que constituem a matéria, além da radiação que emitem e a interação entre elas.

As partículas elementares são assim chamadas porque são indivisíveis e formam todas as outras partículas encontradas na natureza.

Podemos ver na figura que os nêutrons e os prótons são constituídos por partículas ainda menores, assim, não são

As primeiras pesquisas relacionadas com as partículas isoladas foram feitas pelos gregos. O primeiro artigo foi formulado por

Tales de Mileto, que abordou como tema a eletricidade. Já o segundo artigo foi formulado por Demócrito e afirmava que toda a matéria poderia ser dividida até chegar à sua parte mais fundamental e indivisível, o que introduziu a ideia de átomo.

Durante muito tempo, acreditou-se que as partículas elementares eram os fótons, prótons, nêutrons e elétrons. Até o ano de 1932, acreditava-se que essas quatro partículas formavam toda a matéria que constituía a natureza.

Entre os anos de 1932 e 1947, várias novas partículas foram sendo descobertas. Entre elas, o neutrino, em 1933, pelo italiano Enrico Fermi.

Modelo-Padrão da Física de Partículas

O Modelo-Padrão da Física de Partículas prevê a existência de 17 partículas elementares.

Física de Partículas é dividido em bósons, quarks e léptons.

O Modelo-Padrão é o nome dado a uma teoria física de 1970 que descreve as partículas elementares e a forma como elas interagem entre si. Esse modelo incorpora todas as partículas subatômicas conhecidas e sua adição mais recente ocorreu em 2012, com a confirmação experimental da existência do Bósson de Higgs.

Ao todo, o Modelo-Padrão considera a existência de 17 partículas fundamentais, divididas em três categorias: 

Bósons

Quarks

Léptons

Juntas, elas dão origem à matéria e a todos os tipos de interações existentes no Universo. Além disso, os quarks e os léptons também existem na natureza em forma de antipartículas, apresentando fundamentalmente o sinal de carga elétrica invertido em relação à matéria originária.

O Modelo-Padrão pode ser dividido em dois grupos de partículas, os férmions e os bósons.

Férmions

Basicamente são os “tijolos” constituintes da matéria. Os férmions são partículas que possuem uma propriedade quântica chamada spin (uma espécie de momento angular quântico) de módulo semi-inteiro (1/2), sendo descritos pelo princípio de Exclusão de Pauli.

Em outras palavras, dois férmions no mesmo nível de energia não podem apresentar os mesmos números quânticos ou ainda ocupar uma mesma posição do espaço no mesmo instante.

Os férmions mais “leves” (de menor massa) são chamados de léptons (do grego: “leve”), e os mais pesados, como os prótons, nêutrons e átomos, formados por estados de quarks ligados pela interação forte, são chamados de hádrons (do grego “forte”). Trios de quarks são chamados de bárions (prótons e nêutrons), e duplas de quarks são chamadas de mésons.

Os léptons incluem elétrons, múons e taúons. Essas partículas apresentam carga elétrica fundamental (e = 1,6.10^-19 C) negativa e possuem massa.

Os quarks também são léptons e são classificados em seis sabores: up, charm, top, down, strange e bottom. Apresentam carga elétrica fracionária, sendo positivas ou negativas, com um ou dois terços da carga fundamental.

Outra classe de léptons são os neutrinos, de massa extremamente pequena e carga elétrica neutra. São divididos em neutrinos eletrônicos, tauônicos e muônicos.

Bósons

Bósons são as partículas responsáveis pela interação existente entre os férmions. Diferentemente deles, essas partículas não apresentam problema em ocupar o mesmo lugar no espaço e ao mesmo tempo.

Apresentam spin inteiro, não possuem massa e podem apresentar carga elétrica.

Os bósons são os glúons, fótons, bósons W e Z e o bóson de Higgs. Cada um deles é responsável pela mediação de um tipo de força da natureza.

Os fótons, por exemplo são os responsáveis pela interação eletromagnética.

Em razão de suas propriedades, é possível que um feixe de luz atravesse outro sem que haja qualquer colisão entre eles.

Os glúons, por sua vez, são os mediadores da interação forte, que mantém os quarks unidos, formando os mésons e os bárions.

Os bósons W e Z são os responsáveis pela força eletrofraca, comum nos decaimentos beta.

O bóson de Higgs, por sua vez, é a partícula responsável pela atribuição de massa aos férmions.

QUESTÕES RESOLVIDAS

01) A Física de Partículas é uma área da Física:

(A) que estuda os diferentes tipos de ligações e reações químicas.

(B) responsável pelo estudo das partículas elementares e da interação entre radiação e matéria.

(C) responsável por explicar reações nucleares.

(D) destinada a formular teorias capazes de unificar a força gravitacional com outras forças da natureza.

(E) que explica, exclusivamente por meio da Física Clássica, as interações entre átomos e moléculas.

Resolução:

A Física de Partículas é uma grande área da Física destinada a explicar as propriedades das partículas elementares e a interação das diferentes frequências de radiação com a matéria.

Alternativa: B

02) Os quarks são partículas que, quando ligadas em trios, formam partículas como prótons e nêutrons. Em relação aos quarks, assinale a alternativa correta:

(A) São partículas que não têm massa e, por isso, recebem o nome de bósons.

(B) São partículas não elementares, pois apresentam estruturas internas feitas de partículas ainda menores.

(C) São partículas elementares de carga elétrica parcial menor que a carga elementar.(D) São responsáveis pelo surgimento da força de atração, que mantém os núcleos atômicos estáveis.

(E) São destruídos nas reações nucleares para a obtenção de energia nuclear.

Resolução:

Os quarks são partículas elementares que apresentam massa. Além disso, apresentam carga elétrica que pode ser igual a 0, e/3 ou -e/3 (e = carga elementar).

Alternativa: C

03) Enrico Fermi foi um importante físico que alavancou as pesquisas na área da Física Nuclear. Entre suas descobertas, podemos ressaltar:

(A) A descoberta do núcleo do átomo.

(B) A determinação da carga dos elétrons.

(C) A descoberta dos neutrinos.

(D) O modelo atômico planetário

(E) A quantização de energia dos átomos.

Resolução:

Entre outras descobertas e contribuições, Enrico Fermi propôs a existência de uma partícula infimamente pequena, praticamente indetectável e de carga elétrica nula. A essa partícula Fermi deu o nome de neutrino.

Alternativa: C

04) (ENEM - 2024) Partículas beta, ao atravessarem a matéria viva, colidem com uma pequena porcentagem de moléculas e deixam atrás de si um rastro aleatoriamente pontilhado de radicais livres e íons quimicamente ativos. Essas espécies podem romper ainda outras ligações moleculares, causando danos celulares.

HEWITT, P. G. Física conceitual. Porto Alegre: Bookman, 2002 (adaptado).

A capacidade de gerar os efeitos descritos dá-se porque tal partícula é um

(A) elétron e, por possuir massa relativa desprezível, tem elevada energia cinética translacional.

(B) nêutron e, por não possuir carga elétrica, tem alta capacidade de produzir reações nucleares.

(C) núcleo do átomo de hélio (He) e, por possuir massa elevada, tem grande poder de penetração.

(D) fóton e, por não possuir massa, tem grande facilidade de induzir a formação de radicais livres.

(E) núcleo do átomo de hidrogênio (H) e, por possuir carga positiva, tem alta reatividade química.

Resolução:

A partícula beta equivale ao elétron.

Alternativa: A

05) O Modelo-Padrão da Física de Partículas pode ser dividido em dois grandes grupos principais. São eles:

(A) hádrons e léptons.

(B) bósons e férmions.

(C) mésons e bárions.

(D) táuons e múons.

(E) bósons e quarks.

Resolução:

Os dois grupos principais do Modelo-Padrão da Física de Partículas são os bósons e os férmions. Os bósons são partículas responsáveis pela mediação das forças da natureza, como a força eletromagnética. Já os férmions são a própria matéria.

Alternativa: B

06) Assinale a alternativa abaixo que apresenta somente léptons:

(A) Nêutrons, prótons e elétrons

(B) Elétrons, múons e táuons

(C) Fótons, bósons de Higgs e glúons

(D) Neutrinos, quarks e bósons Z e W

(E) Nêutrons e neutrinos

Resolução:

Léptons são férmions de massa reduzida, como os elétrons, múons, táuons, neutrinos muônicos, tauônicos e eletrônicos. Também são férmions: quarks up, charm, down, strange, top e bottom.

Alternativa: B

07) Assinale a alternativa que apresenta somente partículas elementares:

(A) Elétrons e quarks

(B) Nêutrons e prótons

(C) Átomos e moléculas

(D) Múons e nêutrons

(E) Táuons e prótons

Resolução:

As partículas elementares são aquelas que não apresentam quaisquer estruturas internas, ou seja, não apresentam partículas menores em sua composição. Elétrons e quarks são exemplos de partículas fundamentais.

Alternativa: A

08) Assinale, entre as alternativas abaixo, aquela que apresenta apenas bárions:

(A) Fótons e glúons

(B) Prótons e elétrons

(C) Nêutrons e prótons

(D) Neutrinos e nêutrons

(E) Glúons e bósons de Higgs

Resolução:

Os bárions são partículas formadas pela ligação de, no mínimo, três quarks. Entre as alternativas acima, as únicas partículas formadas por três quarks são nêutrons e prótons.

Alternativa: C