O NÚCLEO E A INSTABILIDADE NUCLEAR
Tendo entendido como os modelos atômicos evoluíram, vamos um pouco mais além no átomo: vamos estudar o NÚCLEO DO ÁTOMO. Aqui nós vamos explicar um pouco mais o que é esse núcleo e do que ele é constituído. Além disso, também iremos introduzir a ideia de INSTABILIDADE, que explica porque alguns núcleos emitem radiação.
O NÚCLEO ATÔMICO
O que você pensa quando ouve a palavra "núcleo"? Talvez algo que centralize importância? Correto! O núcleo da célula, por exemplo, é a estrutura que carrega o DNA (extremamente importante). De forma similar, átomos possuem uma estrutura denominada núcleo atômico, sendo esta responsável por mais de 99% da massa total do átomo.
Para entendermos a INSTABILIDADE NUCLEAR, devemos primeiro dar um "zoom" no núcleo, além do alcance da FÍSICA NUCLEAR.
Átomos são compostos por diferentes tipos de partículas. Temos os elétrons que estão distribuídos ao redor do núcleo atômico, composto por prótons e nêutrons. Os elétrons pertencem a uma classe de partículas chamada de PARTÍCULAS ELEMENTARES, o que quer dizer que o elétron não pode ser subdivido em outras partículas. É como se tivéssemos chegado na última boneca matrioska. Por outro lado, prótons e nêutrons não são partículas elementares, visto que são compostos por partículas menores chamadas quarks. Os quarks sim, são partículas elementares, por não poderem ser decompostos em alguma partícula menor.
BONECA MATRIOSKA
Vamos começar nossa rápida passagem pela física de partículas falando justamente das partículas elementares. O chamado MODELO PADRÃO DA FÍSICA engloba todas as partículas elementares conhecidas (até o momento, pelo menos).
O MODELO PADRÃO DA FÍSICA:
Essa figura sumariza todas as partículas elementares existentes.
NÃO SE INTIMIDE COM O MODELO PADRÃO! ELE NÃO É O THANOS!
Embora sejam várias partículas, vamos comentar apenas algumas (mas isso não te impede de pesquisar sobre as que não falamos. Fica a critério da sua curiosidade).
Vamos começar pelas partículas em roxo: os QUARKS. Existem seis tipos, cada um correspondente a um SABOR. É natural pensar em um sorvete napolitano de quarks, mas não é isso que acontece aqui. A denominação sabor refere-se ao tipo da partícula, visto que precisamos distinguir os quarks com diferentes massas. O mesmo se aplica para os neutrinos (em verde) com seus três sabores.
E quanto à essas partículas em vermelho e amarelo? São as joias da realidade e da mente? Não, mas são tão legais quanto. Elas representam BÓSONS, partículas responsáveis por transportar as forças da natureza. Por exemplo, o fóton é o responsável por comunicar a força eletromagnética entre duas partículas com carga. Confuso?
Imagine dois elétrons próximos um do outro. Certamente haverá uma força repulsiva entre as partículas, certo? Essa força é gerada pelo surgimento de um fóton que sai de um elétron e atinge o outro, gerando um "impacto". Esse impacto é a força repulsiva.
REPRESENTAÇÃO DE UM NÚCLEO ATÔMICO
As bolinhas brancas representam os nêutrons e as verdes, os prótons.
Agora você já pode entender do que um núcleo atômico é realmente composto. Os prótons são feitos de dois quarks up, cujas cargas elétricas são +2/3, e um quark down, cuja carga elétrica é -1/3. Vamos somar essas cargas?
up + up + down = + 2/3 + 2/3 + (- 1/3) = + 4/3 + (- 1/3) = + 3/3 = +1
que é, justamente, a carga do próton. Acabamos de ter um "momento eureca"! De forma similar, o nêutron é composto por um quark up e por dois quarks down. Vamos ver a mágica acontecer novamente:
up + down + down = + 2/3 + (- 1/3) + (- 1/3) = + 2/3 + (- 2/3) = 0
Muito legal não é? As partículas fundamentais nos permitem também entender como a instabilidade nuclear funciona. Justamente o que queremos que vocês entendam, porque isso é a origem da emissão de radiação pelos núcleos.
As partículas apresentadas no MODELO PADRÃO constituem a FÍSICA DE PARTÍCULAS E ALTAS ENERGIAS.
INSTABILIDADE: UMA "CLAUSTROFOBIA NUCLEAR"
Você é uma pessoa claustrofóbica? Se sente incomodado em locais fechados e/ou tumultuados? E se eu te falasse que os átomos também sofrem com este incômodo? Imagine que você esteja em uma sala pequena com vinte pessoas; o ambiente pode te causar um desconforto, te motivando a procurar uma saída.
O mesmo acontece para certos núcleos atômicos, os chamados NÚCLEOS PESADOS. Nesses núcleos o número de partículas que constituem o núcleo, os chamados NUCLEONS (prótons e nêutrons) é muito elevado. O tumulto dessas partículas leva o núcleo à condição de INSTABILIDADE. Como consequência, mais cedo ou mais tarde, o núcleo "ejeta" algumas partículas, como veremos em mais detalhes na seção seguinte. O nosso foco agora é entendermos, fisicamente, o porquê desses núcleos pesados serem instáveis.
A ENERGIA DE LIGAÇÃO
Fisicamente, o que explica a instabilidade nuclear? Um tipo especial de energia chamada ENERGIA DE LIGAÇÃO. É um nome bonito para uma cola nuclear. Talvez você já deva ter pensando como que os prótons dos átomos não se repelem já que possuem mesma carga elétrica e estão extremamente próximos entre si. A resposta está justamente na energia de ligação.
O que origina essa energia? Lembra que eu te falei que prótons e nêutrons são constituídos por quarks? Então, há outras partículas no esquema, chamadas de GLÚONS. Os glúons são bósons e, portanto, transportam uma das quatro forças da natureza, a chamada FORÇA NUCLEAR FORTE *
Bóson vetorial que atua como partícula de troca para a Força Nuclear Forte entre Quarks.
* FORÇA NUCLEAR FORTE: o mecanismo de ação desta força é complexo, e por isso não o apresentaremos aqui. Para os curiosos, sugerimos pesquisar um pouco sobre a CROMODINÂMICA QUÂNTICA.
A força nuclear forte "cola" os prótons e nêutrons, prevenindo-os de se repelirem do núcleo atômico. Certo, mas qual o papel da energia de ligação? Dar um valor para a intensidade da força nuclear forte. Quanto maior for a energia de ligação, mais "grudadas" as partículas do núcleo estão.
Como você deve ter imaginado, a força elétrica e a força nuclear forte competem no núcleo atômico, sendo que a primeira age para repelir os prótons e a segunda para atrair os nucleons (inclusive os nêutrons). A foto a seguir ilustra essa situação:
A PERGUNTA É: QUEM GANHA ESSA COMPETIÇÃO?
O alcance da força nuclear forte é pequeno, ou seja, apesar de ser muito intensa, ela enfraquece muito rapidamente com a distância. Para a maior parte dos átomos, o número de partículas não é grande o suficiente para criar uma distância que enfraqueça a força nuclear forte. Isso explica porque os núcleos são estáveis.
Por outro lado, para elementos pesados como o Plutônio 239 (que possui 239 nucleons), o tamanho do núcleo torna-se grande o suficiente para que a intensidade da força nuclear forte diminua. Nessas condições, a força elétrica sai vitoriosa, criando assim um quadro de INSTABILIDADE NUCLEAR.
QUE TAL UM RESUMO DO QUE SABEMOS E DO QUE APRENDEMOS ATÉ AGORA SOBRE O NÚCLEO ATÔMICO?
Átomos são constituídos por prótons, nêutrons e elétrons;
Os núcleos atômicos são constituídos por prótons e nêutrons (nucleons);
O número de prótons em um átomo é chamado de NÚMERO ATÔMICO (Z) e o número de nucleons (prótons e nêutrons) é chamado de NÚMERO DE MASSA (A);
Prótons e nêutrons são formados por tríades de partículas elementares, os QUARKS;
Os quarks são mantidos coesos pela FORÇA NUCLEAR FORTE, mediada pela troca de outras partículas fundamentais, os GLUONS;
PROFESSOR (A): Os tópicos apresentados nessa seção podem auxiliar a habilidade EM13CNT209 seja no modelo padrão ou nas partículas elementares. Como nosso foco é física nuclear, não entramos em detalhes sobre as partículas. É possível explicar cada uma delas por meio de uma aula expositiva, explorando também as descobertas científicas recentes do Bóson de Higgs. É possível, ainda, apresentar aos alunos a estrutura do CERN, se adequando ao tópico "aceleradores de partícula", também da habilidade EM13CNT209
REFERÊNCIAS
SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Currículo Paulista Etapa Ensino Médio. São Paulo, 2020, 301 p.
SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Habilidades Essenciais de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2020-2021. São Paulo, 2020, 10 p.