Representação de um átomo e partículas subatômicas

As partículas elementares , também chamadas de partículas fundamentais, são definidas como partículas subatômicas, não podendo ser divididas em subestruturas menores, ou seja, partículas que não são compostas de outras partículas.

Nesse sentido, um átomo é formado por férmions , a família das partículas elementares com massa cuja combinação dá origem à matéria bariônica ou matéria comum . Especificamente, um átomo seria composto de dois subtipos de férmions : léptons e quarks :

  • Elétrons : são uma partícula elementar do tipo leptão . Eles orbitam em torno do núcleo atômico.
  • Nêutrons e prótons : são partículas subatômicas formadas por uma combinação de quarks ( hádrons ). Eles se unem e formam o núcleo do átomo.

De partículas subatômicas clássicas a quarks

Na busca pelas partículas que compõem a matéria, um dos primeiros a oferecer uma teoria atômica com bases científicas foi John Dalton , cujas ideias foram reunidas nos chamados postulados de Dalton , publicados nos primeiros anos do século XIX, entre 1803 e 1807.

Para Dalton, o átomo era a partícula fundamental da matéria , mas ao longo do século 19, e principalmente ao longo do século 20, as partículas subatômicas foram descobertas . Primeiro os elétrons e depois os prótons e nêutrons , substituindo o átomo como partícula fundamental.

Elétrons, nêutrons e prótons foram tomados de volta como verdadeiras partículas elementares, até que a descoberta dos quarks mostrou que prótons e nêutrons também não eram partículas elementares, mas podiam ser quebrados em outras partículas.

  • Em 1897, JJ Thomson descobriu o elétron , hoje considerado uma partícula elementar do tipo leptão. Até esta descoberta, o átomo era considerado uma partícula indivisível.
  • Em 1905, Albert Einstein descobriu o fóton , hoje considerado um tipo de bóson (partícula sem massa que carrega energia ou está fora de interação).
  • Em 1977, Ernest Rutherford descobriu o próton e que a maior parte da massa de um átomo está concentrada no núcleo.
  • Em 1932, James Chadwick descobriu o nêutron .
  • Em 1964, Murray Gell Mann propôs a existência de quarks , a partícula elementar que compõe nêutrons e prótons.

Assim, um átomo não é atualmente definido como a partícula elementar da matéria, mas como a menor unidade da matéria bariônica (ou matéria comum) que exibe propriedades de um elemento químico .

Férmions: as partículas elementares da matéria

Com os dados e experimentos atuais, dois tipos principais de partículas elementares foram descritos: férmions e bósons .

Os férmions são partículas com massa e são consideradas partículas elementares de matéria. Por sua vez, os bósons são partículas sem massa que carregam as forças elementares : gravidade, força eletromagnética e as forças nucleares fortes e fracas .

Os férmions incluem outros subtipos de partículas, leptões e quarks . Léptons e quarks interagem entre si graças às forças de interação transportadas pelos bósons e formam partículas subatômicas : elétrons, nêutrons e prótons.

Os elétrons ainda são considerados uma partícula elementar em si, especificamente um tipo de leptão, pois não foi possível se dividir em partículas menores. Nêutrons e prótons são compostos de uma combinação de três quarks diferentes cada .

Em suma, léptons e quarks são as menores partículas elementares conhecidas da matéria .

O chamado modelo padrão explica toda a matéria ordinária do Universo com essas partículas de massa ou férmions, mais 5 tipos de bósons (4 bósons de calibre, que carregam as 4 forças elementares, e o bóson de Higgs, que explicaria como os férmions adquirem massa .).

O gráviton , a partícula hipotética que carregaria a gravidade, ainda está para ser descoberto . Se descobertas, as partículas elementares conhecidas totalizariam 18 , incluindo todos os férmions e bósons.

Modelo Padrão de Partículas Elementares de Matéria Bariônica e Gravidade

Leptones

Os léptons são definidos como férmions ou partículas de massa que não sofrem forte interação nuclear . Existem seis tipos de léptons, três com carga elétrica -1 ( elétron, múon e tau ) e três sem carga e de massa muito menor ( neutrinos ).

  • Elétron : é a única partícula que continua a ser considerada fundamental desde a descoberta das partículas subatômicas. Possui carga elétrica -1 e spin 1/2.
  • Muon : é semelhante ao elétron, mas mais pesado.
  • Tau : é semelhante ao elétron, mas ainda mais pesado. Muon e tau são muito instáveis; na natureza, eles aparecem por um tempo muito curto.
  • Elétron neutrino : partícula sem carga e com muito pouca massa, dificultando a detecção. Mas eles podem carregar uma grande quantidade de energia que liberam quando colidem com outra partícula e, portanto, podem ser detectados indiretamente.
  • Muon neutrino : partícula sem carga e com pouca massa, mas muito mais pesada que o elétron neutrino. Eles ocorrem na decadência ou decadência de partículas atômicas, por exemplo, na decadência beta.
  • Neutrino Tau : descarregado e mais pesado que o neutrino do múon.

Elétron, múon e tau são chamados de “sabores”, e os pares de neutrino de elétron / elétron, neutrino de múon / múon e tau / tau são chamados de dupletos fracos . Os leptões, portanto, têm 3 sabores e 3 dupletos de partículas.

Cada dupleto de leptões é constituído por um leptão com carga eléctrica, por exemplo o electrão, e um leptão com o mesmo sabor mas sem carga e muito menos massa, por exemplo o electrão neutrino.

Além disso, como cada partícula tem sua antipartícula , cada leptão tem seu antilepton . Por exemplo, a antipartícula do elétron é o pósitron , e a antipartícula do neutrino do elétron é o antineutrino do elétron .

Quarks

Eles são outro grupo de férmions que, ao contrário dos léptons, experimentam uma forte força nuclear . Uma das características mais peculiares dos quarks é que sua carga elétrica tem valores não inteiros; a carga elétrica dos quarks é -1/3 ou +2/3, dependendo do tipo de quark.

Quarks também são as únicas partículas que interagem com todos os tipos de interações fundamentais : eletromagnética, interação nuclear forte, interação nuclear fraca e gravidade.

Quarks vêm em seis sabores . 3 quarks têm carga positiva de +2/3 (u, cyt) e 3 têm carga negativa de -1/3 (d, syb).

  • u (para cima) : +2/3 de carga elétrica positiva
  • d (baixo) : carga -1/3
  • c (encanto) : carga +2/3, como o quark up, mas com mais massa.
  • s (estranho) : carga -1/3, como o quark down mais pesado.
  • t (topo) : +2/3 de carga, como quarks up e charme, mas ainda mais pesado.
  • b (embaixo) : carga -1/3, como dis quarks, mas ainda mais pesado.

Tal como acontece com os léptons, cada tipo de quark tem seu antiquark (anti-up, antidown, etc).

Graças a fortes interações nucleares, os quarks interagem fortemente entre si e formam os hádrons , as partículas elementares que compõem a matéria nuclear. Existem dois tipos de hádrons, mésons e bárions .

Os prótons e nêutrons dos núcleos atômicos são dois tipos de bárions formados por uma combinação de quarks up e down . Os outros quarks são de natureza instável e existem em condições muito específicas por curtos períodos de tempo.

  • Nêutron : formado pela combinação de três quarks: 2 quarks d (down) e 1 quark u (up) . A soma das duas cargas -1/3 dos quarks d, mais a carga +2/3 do quark u, resulta na carga elétrica neutra típica do nêutron.
  • Próton : formado pela combinação de três quarks: 2 quark u mais 1 quark d .

Costuma-se dizer que quarks são as menores partículas em que a matéria pode ser dividida, mas na realidade não podemos saber o tamanho das partículas elementares, nossa tecnologia não nos permite, mas podemos medir sua massa, embora na física das partículas, massa geralmente é entendido em termos de energia, uma vez que a matéria é, em última análise, feita de energia .

Nesse sentido, os quarks são mais pesados ​​do que qualquer leptão. A energia dos quarks varia de 4,5 GeV do quark bottom a 0,003 GeV do quark up, enquanto o elétron tem uma energia muito menor: 0,000511 GeV (0,511 MeV).

E o neutrino tem ainda menos energia, 0,000000001 GeV, e ainda menos massa, equivalente a um milionésimo da massa do elétron .

Bósons: as partículas portadoras de força

Os bósons são partículas sem massa responsáveis ​​pelas chamadas forças de interação fundamentais : força eletromagnética, força da gravidade, força nuclear forte e força nuclear fraca.

Existem cinco tipos de bósons confirmados e um sexto, o gráviton, ainda não confirmado, agrupados em três categorias:

  • Bósons de calibre ou bósons vetoriais : glúon (força nuclear forte), fóton (força eletromagnética), bóson Z e bóson W (força nuclear fraca).
  • Bósons escalares : bóson de Higgs (sua interação com os férmions é responsável pelos férmions adquirirem massa ).
  • Bósons tensores: Graviton (hipotético, a ser confirmado)

Resumo

De acordo com o modelo padrão de partículas elementares , a matéria comum ou bariônica (em oposição à matéria escura) é composta de férmions (partículas sem massa) que interagem entre si por meio de bósons (partículas sem massa ).

Os férmions são as partículas que carregam massa e os bósons são as partículas que carregam as forças de interação (gravidade, eletromagnetismo, forças nucleares fortes e fracas). A massa dos férmions seria devido à interação com o bóson de Higgs.

Existem dois tipos de férmions: léptons e quarks . Os elétrons são um tipo de leptão, e a combinação de quarks dá origem aos hádrons , incluindo nêutrons e prótons. Assim, um átomo é formado por férmions dos dois tipos:

  • Elétrons, um tipo de leptão
  • Hádrons (nêutrons e prótons) compostos de quarks

Galeria

Escala de um átomo para suas partículas elementares: elétrons e quarks Quarks de um nêutron Quarks de um próton