LIÇÃO 2: EXPERIMENTOS E COLISÕES: USO DE MODELOS PARA COMPREENDER A MATÉRIA

APRESENTAÇÃO

Olá,

Vamos continuar nossa viagem quântica?

Na nossa viagem vamos nos deparar com alguns modelos, instrumentos muito importantes para os cientistas.

Para melhor conduzirmos esta lição, vamos participar da atividade “Explorando os modelos” (Adaptado de Gurgel e Pietrocola, 2011).

Você irá receber algumas “petecas” e irá projetá-las na direção abaixo de maquetes feitas de telas retangulares de isopor, nas quais há por baixo obstáculos de diferentes formas não visíveis em forma de figuras geométricas ou não.

Dependendo da variação do momento linear das “petecas” desenhe um modelo para a forma que você supõe ter abaixo da placa de isopor.

Que tipo de forma geométrica há por baixo da placa de isopor? Seu modelo explica bem como seria essa forma geométrica? Lembre-se que é um modelo que você vai propor a partir da sua experiência.



TEXTO-BASE

Durante a atividade inicial você percebeu a importância dos modelos para a ciência? Entendeu como ocorrem as colisões de partículas e o que geram dessa colisão? Qual a relação desses dados com a criação do WWW?

Os modelos são instrumentos muito importantes para os estudos científicos e quando falamos de átomos e suas partículas, daquilo que não vemos a olho nu, daquilo que não conseguimos tatear, o uso de modelos se torna significativo para compreendermos fenômenos do microcosmo.

Essa argumentação explica o trabalho realizado pelos cientistas dos séculos XIX e XX que idealizavam modelos para o átomo, sem nunca terem o visto. São modelos explicativos baseados em seus trabalhos experimentais e permitiam prever como seria o átomo. Novos estudos eram feitos e novos resultados eram obtidos, surgindo assim novos modelos que evoluíam, não havendo necessariamente a substituição destes, pois alguns modelos explicam muito melhor um fenômeno que outros. Os modelos são discutidos, são reelaborados, ficam mais completos e complexos, traduzindo com veemência os grandes avanços científicos.

É como se fosse uma “brincadeira de petecas”, em que um choque entre duas “petecas” (projétil e alvo) colidem, durante um intervalo de tempo relativamente curto. Não há interação significativa entre as duas “petecas” enquanto se aproximam e quando se afastam após a colisão. Há conservação do momento linear das “petecas” e podemos dizer que a força de interação que descreve a colisão tem grande intensidade, porém curta duração.

Em escala subatômica, essas “petecas” seriam partículas chamadas de hádrons (um hádron é um composto de partículas subatômicas regido pela interação forte, como os prótons e nêutrons) que são aceleradas com altas energias num acelerador denominado LHC (Large Hadron Collider), cujo objetivo é obter dados sobre colisões de feixes de partículas, tanto de prótons a uma energia de 7 TeV (1,12 microjoules) por partícula, ou núcleos de chumbo a energia de 574 TeV (92,0 microjoules) por núcleo.

Para termos uma ideia sobre a quantidade de energia utilizada nos aceleradores durante as colisões, a energia total liberada após a colisão é de 13 TeV (13 x 10¹² eV). Em unidades Joules, é uma pequena quantidade de energia, pois 1 eV é igual a 1,60217653 x 10^-19 Joules, logo 13 TeV equivale a 20,8 x 10^-7 Joules. Se compararmos a um corpo de massa 1 kg em queda livre, com uma altura de 1 m, a energia liberada vale 9,8 Joules, o que corresponde a 6,1 x 10¹⁹ eV.

Fonte: Revista Ciência Hoje

         No LHC são acelerados dois feixes de hádrons (como os prótons, por exemplo), em sentidos opostos com energia suficientemente alta, através de dois tubos com campo eletromagnético intenso e velocidades próximas à da luz (0,9999999991c), gerando a colisão e conservando o momento linear do sistema.

As colisões como a exemplificada acima são produzidas em aceleradores de partículas e delas são geradas novas partículas resultantes dos choques, pois são lançadas sobre um ponto específico no CERN, nos quais há detectores que registram todo o evento. Nesse âmbito, novas teorias e hipóteses são previstas e testadas sobre a natureza elementar da matéria.

RECURSOS MIDIÁTICOS

1) Vídeo 1“Acelerador de partículas do CERN melhorado atinge novo recorde de energia.”

2) Vídeo “Do átomo grego ao átomo de Bohr - Evolução dos Conceitos da Física.”

3) Simulação - Phet Colorado “Laboratório de Colisões”. (Disponível em https://phet.colorado.edu/sims/collision-lab/collision-lab_pt_BR.html.);

4) Simulação “A Escala do Universo” (Disponível em http://htwins.net/scale2/lang.html)

MATERIAL COMPLEMENTAR

CERN consegue colisões de prótons a uma velocidade recorde

Genebra (Suíça) - Pela primeira vez na história, dois feixes de prótons colidiram nesta quarta-feira à noite a uma energia de 13 TeV (teraelétron-volts) no interior do Grande Colisor de Hádrons (LHC) do Centro Europeu de Física de Partículas (Cern).

Cada feixe de prótons conseguiu circular a uma energia de 6,5 TeV o que permitiu as colisões a uma energia de 13 TeV.

Estas primeiras colisões foram realizadas para poder comprovar os sistemas que protegem o próprio acelerador, os ímãs e os detectores das partículas que se desviam do feixe, segundo explicou o CERN em comunicado.

Era essencial que os testes de segurança fossem realizados ao mesmo tempo em que feixes de prótons circulavam e colidiam entre eles, para poder verificar como funcionam em condições reais. As colisões continuarão durante o dia todo de hoje para que os técnicos possam continuar realizando testes de funcionamento.

Espera-se que o acelerador volte a ser posto para funcionar no começo de junho e que os quatro detectores comecem a obter informação e dados nesse momento.

Nesta nova etapa de operações, o acelerador melhorado poderá utilizar toda sua capacidade a favor da física no período compreendido entre 2016 e 2018, durante o qual pretende revelar a composição da matéria escura.

O LHC é o maior e mais potente acelerador do mundo, com ímãs condutores que funcionam como pilhas, e sua energia armazenada equivale à de um porta-aviões se movendo a 43 km/h ou à de um avião Airbus 380 voando a 700 km/h.

Adaptado de: <http://exame.abril.com.br/tecnologia/noticias/cern-consegue-colisoes-de-protons-a-uma-velocidade-recorde>. Acesso em 25 de maio de 2015.

QUESTÕES PARA REFLEXÃO

1) A imaginação é o limite para as pesquisas planejadas pelos físicos para serem realizadas nos grandes laboratórios do CERN, pois envolvem muita tecnologia de ponta e investimentos sofisticados. Diante dessa realidade, são investidos bilhões de euros em experimentos de colisões de partículas que podem trazer respostas para a origem do Universo. Como você se posiciona diante desse grande investimento bilionário da ciência na busca da compreensão da matéria?

2) Inicialmente o átomo foi considerado como uma partícula maciça e indivisível, porém, com o passar do tempo, novas pesquisas revelaram que o átomo não era indivisível. Foi então que, a partir de novas experiências, surgiram novos modelos atômicos. Como você idealiza atualmente um átomo após uma revolução de novas descobertas sobre o mundo subatômico? Esquematize o seu modelo e trace a importância da evolução dos modelos atômicos para a ciência.

3) A característica principal do pensamento científico é que as suas afirmativas, proposições e teorias não são “verdades absolutas”, mas sempre relativas. Os modelos científicos devem sempre ser confirmados, seja por experimentos ou observações que deem sustentação aos postulados e às ideias dos cientistas. Dentre os diversos ramos da ciência, a física, com a sua visão peculiar, é a que entende os fenômenos físicos na sua forma mais fundamental. As suas teorias são capazes de explicar situações que vão da escala atômica até o universo como um todo. Como você se porta diante dessas proposições científicas? Busque fazer um tratamento crítico e reflexivo sobre as “verdades absolutas da ciência”.

4) Uma partícula e um próton movem-se numa mesma direção e em sentidos opostos, de modo que se aproximam uma da outra com velocidade que, enquanto a distância que as separa é ainda muito grande, são iguais em módulo a 100 m/s. Considere que a massa e a carga da partícula são iguais ao dobro dos valores correspondentes ao próton. Quais os valores finais das velocidades da partícula e do próton, supondo que houve colisão elástica?

Dados: Coeficiente de restituição da colisão elástica: 

5) Um próton (massa de 1 u.m.a) com uma velocidade de 500m/s colide elasticamente com outro em repouso. O próton original é espalhado a 60° de sua direção original. (a) Qual é a direção da velocidade do próton-alvo após a colisão? (b) Quais são os módulos das velocidades dos dois prótons após a colisão?

6) O World Wide Web foi desenvolvido para gerenciar os experimentos em física de partículas e a demanda dessa tecnologia para o uso na sociedade pode justificar todo o investimento no complexo de pesquisa do CERN. Como você estima as diversas atribuições que os experimentos em ciência básica do CERN influenciam na nossa sociedade?