Texto central "medir", texto em rodapé "como medir massas de objetos nanoscópicos ?". Imagem de fundo preta e branca. Centenas de traços brancos, aparentemente lumonosos, em várias direçoes. Muitos fazendo espirais e curvas.

Panoramas #069 – medir

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Panoramas #069 - medir
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Como sabemos a massa de partículas subatômicas ? Venha entender como fazer medições daquilo que não se pode parar nem tocar

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Transcrição do Episódio

Olá, bem vindos a mais um podcast Panoramas.

Eu sou Guilherme, também conhecido na internet por Sechat. Bacharel, Mestre e doutorando em Física no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas. E hoje o assunto do podcast foi pedido na caixinha do meu instagram numa pergunta aleatória. 

Mas antes, aqui as redes sociais. Você pode me encontrar no instagram por @guilhermesechat, onde eu estou sempre lá interagindo com vocês e o podcast @panoramas cast no instagram, twitter e no canal do Telegram, que possui um grupo associado vocês interagirem lá. 

Vamos então ao tema de hoje!

Me perguntaram no instagram como que sabemos medir a massa de partículas tão pequenas como um elétron, proton e por aí vai. É uma ótima pergunta e ótimo questionamento. E está justamente no cerne da experimentação física das hipóteses teóricas. Geralmente quando queremos pesar algo no dia a dia colocamos numa balança e dali temos nosso número equivalente a massa desse objeto. E esse nome já diz tudo, “pesar”. Nós estamos medindo a massa desse objeto por meio da força peso, a de atração entre nós e o planeta. Mas não apenas, utilizamos ali, geralmente, a força elástica para que com uma mola consigamos fazer uma equivalência. 

Se fosse num diagrama de forças teríamos ali que temos a força peso igualada à força elástica de alguma mola. A força elástica depende do quanto a mola é comprimida e um valor constante que indica as caracteristicas da mola, esse valor conhecemos de fabricação. A aceleração da gravidade sabemos também. Então no experimento que queremos saber a massa do objeto só precisamos saber o quanto a mola foi comprimida. Joga esse valor na equação e temos aí a massa desse objeto. Algumas balanças de gancho funcionam exatamente dessa maneira. É muito simples e muito eficiente. Mas a medida que a mola vai perdendo a elasticidade os resultados vão dando errado, por isso na metrologia é sempre bom ter valores padrão, como uma massa de 1kg para servir de teste e saber se a balança em questão está bem regulada.

Ok, esse foi um princípio de medição de massa, mas existem muitos outros, e muitos desses até fazemos realmente na escola, naqueles exercícios de diagrama de forças. Em outras áreas da física uma forma muito útil é a utilização da força centrípeta!

Um outro lugar onde tivemos que descobrir massa de forma um pouco mais complicada foi na astronomia. Como sabemos a massa da Terra ? Sol, Lua… Não é colocando numa balança. Então como é ? Vamos lá. Temos dados astronômicos de órbitas, períodos, distâncias. Isso tudo é feito pelas observações e geometria. Esses dados já nos dão MUITA informação. Muita mesmo. Para saber então como isso nos ajuda a inferir massas utilizamos esses movimentos e aquilo que os causa, a gravidade. Pois nesse caso podemos traçar a gravitação como uma força centrípeta. 

A força centrípeta é aquela força que é reponsável pela rotação de um corpo. Se eu estou girando num cabo um microfone, como Roger Daltrey, o cantor da maravilhosa banda The Who, eu estou exercendo nesse microfone uma força centrípeta, pois estou fazendo ele girar. Essa força é a tensão da minha mão puxando a corda e forçando a rotação, certo ?

Nos planetas temos algo parecido, mas em vez da corda o que temos é a gravidade causando essa rotação. Então pegamos as equações da força gravitacional, que Newton há muitos séculos estabeleceu, continuando os dados e equações de Keppler, o astrônomo. Essa força igualamos à centrípeta e a partir daí conseguimos tirar relações de massa e tal. Mas é beeem mais complexo que isso, precisamos descontar várias ações, porque a Terra atrai a Lua, mas o Sol atrai as duas e por aí vai. A massa da Terra é mais fácil pois conseguimos fazer as medições aqui nela com corpos caindo e afins. Mas daí com a massa dela conseguimos tirar os outros valores.

É legal que com esses dados de massa e com as estimativas de volume dos corpos esféricos celestes (porque nenhum deles é plano!) conseguimos dizer daí a densidade deles. E daí conseguimos já entender que alguns podem ter núcleo viscoso ou não, podem ser gigantes de gás como jupiter ou não. Depois analisando a luz emitida conseguimos saber quais elementos formam aquele planeta e daí nesse jogo de densidades e proporções vamos hipotetizando toda a formação desse corpo celeste.

Ok, brincamos de açougueiro, brincamos de astrônomos, agora falta falar do ponto principal, partículas! Todo esse assunto aqui foi uma introdução óbvia para dar a ideia geral de como isso pode ser feito, e dessa forma será muito mais simples explicar como calculamos massas  de coisas tão pequenas e que não podemos tocar.

Eu realizo um experimento super simples para alunos de escolas visitantes e que pode ser encontrado aos montes no youtube. Foi o experimento de J.J. Thompson para saber a razão entre a carga e massa do elétron. Sim, ele não conseguiu calcular os valores separados mas sim uma relação entre eles. E hey, isso já é muito tá. Ainda mais que tem mais de um século isso.

A ideia é simples. Imagina uma lâmpada incandescente. Aquela bolha de vidro. E que essa bolha de vidro tem um gás ali dentro. Primeiro de tudo ligamos essa lâmpada. Ela aquece e os eletrons ficam ali naquele filamento saltando, excitados, emitindo luz. Com os eletrons livres assim nos emitimos uma diferença de potencial, ou seja, um campo elétrico. A mesma que usamos para gerar uma corrente elétrica num fio. E é isso que acontece, só que ao invés da corrente elétrica ser gerada num fio nós a geramos no gás. Isso é um processo de ionização desse gás. E o mais legal é que conseguimos ver. Vamos ali no gás uma linha de luz, luz que os elétrons liberam passando de átomo a átomo. Tipo uma lâmpada fluorescente, exceto que fora daquele tubo branco que conhecemos. 

O próximo passo é mais complexo de explicar, mas simples de entender. O que fazemos e passar um campo magnético que não varia nessa corrente elétrica no gás. Ainda está comigo ? Se não, volta aí pra ter essa ideia na cabeça. Quando o campo magnético atinge essa corrente ele entorta ela. Aí essa corrente que era reta começa a fazer uma curva. Encurva…. encurva… vocês já estão captando a ideia ? Nesse nosso caso a força eletromagnética É A FORÇA CENTRÍPETA, ou seja, ela é a força que causa a rotação desse feixe de eletrons. Então fazemos igual na astronomia. Usamos a força centrípeta igual a força eletromagnética e no fim temos aquela relação entre a carga e a massa do elétron. Simples, não ? É conta do ensino médio! Mas requer alguma imaginação bolar isso.

Mas veja só, esse princípio básico serviu para o elétron mas é usado até hoje nos aceleradores e colisores de partículas. Quando as partículas colidem, por exemplo, caem numa região com campos magnéticos que as capturam, fazendo suas curvas e espirais e elas são usadas para identificar quem são e como são essas partículas que saem. É muito comum encontrar essa imagens de partículas com curvas, esses traços de capturas de partículas. O instituto de física da UFF usa isso como seu logo, por exemplo, parece uma árvore, mas a ideia por trás na verdade são partículas saindo de uma colisão, muitas inclusive fazendo curvas por conta de campos magnéticos. E provavelmente utilizarei alguma imagem dessa para ilustrar a capa do podcast. Caso já tenha visto a imagem de capa deste episódio, pronto, aí está.

Essas formas que falei são apenas algumas e das mais populares de se calcular esses valores, mas muitos outros existem. Inclusive experimentos simples. O que é conhecido como o da gota de óleo de Millikan é um desses. Ele conseguiu saber a carga do elétron usando gotas em movimento em spray no espaço. Essas gotas estavam sujeitas a campos elétricos e assim a força elétrica. Obviamente também sujeitas à gravidade. Vendo então o movimento delas se retirava um valor que equivalia a carga do elétron. Sabendo esse valor descobriu-se também a massa do elétron por conta do outro experimento do Thompson. 

Ambos experimentos eu fiz na graduação e foram muito legais de se fazer e tirar na sala de aula constantes fundamentais do universo de forma tão simples. Aliás, alguns kits desses podem ser comprados na internet, mas não espere valores baratos. Mas nada que alguém com algum conhecimento de eletrônica não possa fazer. Aliás, aquelas bolas de plasma não estão muito longe do experimento do thompson. Elas só não possuem o direcionamento específico para medição e nem um campo magnético sendo aplicado, mas campo magnético é fácil, só fazer uma bobina com um monte de fio enrolado. Enfim, brinquem aí, ou quem sabe o Iberê já não fez isso no Manual do Mundo.

Aliás, é isso. Encerrando aqui o episódio já fica o maravilhoso canal Manual do Mundo como indicação de hoje. Pois muitos dos experimentos fundamentais que trouxeram a velha física moderna são simples a ponto de até podermos fazer em casa. Mas a fins didáticos, física de fronteira feita em casa… só se for num computador. 

Por hoje então ficamos por aqui, não se esqueça de seguir nas redes sociais @guilhermesechat e @panoramascast. E claro, indicar o podcast para seus amigos e amigas. Indica para inimigo também. E para estranhos. Indique aí. Esse podcast não tem rendimento exceto aqueles que dão algum apoio nas formas de apoio do Sechat, então pelo menos indique o podcast aqui. Pode ser ? 

Por hoje é só e nos vemos daqui 15 dias!

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