Física Atômica 

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é o ramo da física que estuda as camadas eletrônicas dos átomos, um conjunto de orbitais em um átomo, no qual se encontram os elétrons. O volume do átomo é determinado pelos elétrons. Como alguns desses átomos são mais facilmente removíveis que outros, isso nos leva a concluir que alguns elétrons estão mais próximos do núcleo do que outros.

A medida que se aproxima do núcleo, a energia potencial do elétron, devido a atração pelo núcleo, diminui, enquanto sua velocidade e, consequentemente, sua energia cinética aumentam (tal como a velocidade de um satélite aumenta, ao se aproximar da Terra). De um modo geral, a energia total do elétron aumenta a medida que o elétron se afasta do núcleo.

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Grande parte das pessoas associa o termo física atômica com força nuclear e bomba nuclear, devido aos sinônimos (sinónimos) de atômico e nuclear. Entretanto, há diferença entre a física atômica e a física nuclear. Enquanto a primeira ocupa-se do estudo do átomo como um conjunto elétron-núcleo, a segunda estuda apenas o núcleo, suas propriedades e as reações nucleares, tais como a fissão, fusão e decomposição nuclear.

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Mediante estudos de espectroscopia, o cientista pode determinar quantos níveis de energia existem nos átomos. De fato, quando um elétron adquire energia, ele se move de um nível de energia para outro, mais afastado do núcleo (nível de maior conteúdo de energia). Perdendo essa energia adquirida, o elétron a devolve em forma de radiação luminosa, cuja freqüência pode ser perfeitamente determinada, pois a cor da radiação depende da freqüência.

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Nos átomos dos elementos químicos conhecidos, podem ocorrer 7 níveis de energia (contendo elétrons) representados, respectivamente, a partir do núcleo, pelas letras K, L, M, N, O, P,Q ou pelos números 1, 2, 3, 4, 5 , 6, 7. Estes números são números são chamados de números quânticos principais, representando aproximadamente a distância do elétron ao núcleo, assim como a energia do elétron.

O começo da física atômica é marcado pelo descobrimento e pelos estudos minuciosos da linhas espectrais. Estas são claramente definidas linhas no espectro luminoso dos átomos livres emissores de luz (o termo "livre" significa que eles são um gás ou vapor e portanto não estão próximos ou interagindo com outros átomos.

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Uma das contribuições seminais para a atomística moderna foi dada por Einstein ao estudar o chamado movimento browniano. Este é o movimento de zig-zag observado em pequenos corpos colocados em suspensão, como os grãos de pólen etc. Einstein explicou que esse movimento era devido aos pequenos empurrões que essas partículas recebem devido ao fato do líquido ser constituído de moléculas em constante movimento. Corpos muito grandes não sofrem esse movimento pois sofrem tantos empurrões, em tantas direções, cuja média vai a zero.

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Investigou também a interação da luz com a matéria, e descobriu as leis fundamentais da troca de energia-campo de radiação-matéria. Estes estudos formariam as bases da moderna espectroscopia atômica.

As análises de Einstein da interação da radiação com os átomos mostrava a ocorrência da chamada emissão estimulada de radiação, fenômeno fundamental para o surgimento do laser.

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Ao longo de sua carreira, Einstein realizou inúmeras contribuições para a física atômica, mas seu trabalho combinado com outro físico N. Bose, é que foi de extrema relevância para criar as novas perspectivas para a física atômica. A chamada condensação de Bose-Einstein, relevante para vários campos da ciências. A condensação de Bose-Einstein, ainda é muito nova do ponto de vista experimental para que possamos saber que novas super-propriedades ela deverá nos revelar. Por essa razão, esse tópico é um dos mais importantes para os próximos anos e sem dúvida constituiu-se numa das maiores perspectivas de avanços para o campo da física atômica. Outro campo de grande perspectiva é o de entender como esses átomos, nesse regime quântico, interagem formando moléculas.

Cada vez mais o poder da ciência em dominar e controlar a espécie atômica determina seu próprio avanço.

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Física Nuclear

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Física Nuclear é a área da física que estuda os constituintes e interações dos núcleos atômicos. As aplicações mais conhecidas da física nuclear são a geração de energia nuclear e tecnologia de armas nucleares, mas a investigação tem proporcionado aplicação em muitos campos, incluindo aqueles em medicina nuclear e ressonância magnética, implantação de íons em engenharia de materiais, e datação por radiocarbono em geologia e arqueologia. O campo da física de partículas evoluiu a partir da física nuclear e, normalmente, é ensinado em estreita associação com a física nuclear.

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Basicamente podemos dizer que a física nuclear estuda as propriedades e o comportamento dos núcleos atômicos, além dos mecanismos das reações nucleares.​​​​

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Podemos dizer que a ideia do átomo partiu do seguinte princípio: se quebrarmos um objeto qualquer em pequenos pedacinhos menores, chegaria um momento em que não conseguiríamos mais quebrá-lo. Dessa forma, inicialmente propôs-se que o átomo seria indivisível. Porém, hoje sabemos que não se trata de uma partícula indivisível, mas sim de um sistema composto por diferentes partículas.

Foi a partir das teorias atômicas propostas por Dalton, de que os átomos eram esferas indestrutíveis e indivisíveis, que a ciência da estrutura atômica ganhou novos rumos de estudo.

Basicamente, a física nuclear faz de objetos de estudo as propriedades e o comportamento dos núcleos atômicos, bem como os mecanismos básicos das reações nucleares com nêutrons e outros núcleos. Assim, podemos classificar essas propriedades como sendo estáticas (cargas, massa, energia de ligação, etc.) e dinâmicas (radioatividade, estados excitados, etc.).

Partindo desse princípio, é possível fazer uma classificação básica das forças que existem, sendo elas:

- Força gravitacional, que faz uma relação direta de atração mútua entre corpos, sendo responsável pela órbita dos planetas.
- Forças eletromagnéticas, que dão origem aos fenômenos elétricos, às reações químicas e aos ímãs.
- Força nuclear fraca, que produz o decaimento, no qual um elétron é emitido do núcleo.
- Força nuclear forte, que é responsável por manter as partículas do núcleo unidas, mesmo contendo cargas elétricas iguais.

A física nuclear está envolvida em várias aplicações, como na obtenção de energia elétrica, na medicina (desenvolvimento de métodos para produzir materiais radioativos utilizados em diagnósticos e tratamentos médicos), etc.

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Descoberta do elétron

 

A história da física nuclear como uma disciplina distinta da física atômica começa com a descoberta da radioatividade por Henri Becquerel em 1896,[1] enquanto investigava fosforescência em sais de urânio.[2] A descoberta do electrão por J. J. Thomson um ano mais tarde, foi uma indicação de que o átomo tinha estrutura interna. Na virada do século XX, o modelo aceito do átomo era o modelo de pudim de ameixas de J. J. Thomson de que o átomo era uma grande bola carregada positivamente com pequenos elétrons carregados negativamente embutidos dentro dele. Na virada do século, os físicos também tinham descoberto três tipos de radiação que emana de átomos, que deram o nome de alfa, beta e radiação gama.

Esta área da ciência teve início a partir da evolução do conceito científico a cerca da estrutura atômica, pois até meados do século XIX acreditava-se que os átomos eram esferas maciças indestrutíveis e indivisíveis. Esses conceitos estavam de acordo com a teoria atômica de John Dalton.

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Descoberta do próton

 

Rutherford na Universidade McGill em 1905

O início do século XX foi marcado por diversas e incríveis descobertas. Por isso, não se sabe ao certo quem descobriu o próton. A descoberta é geralmente atribuída a Rutherford, que foi também quem deu esse nome ao então conhecido núcleo do átomo de hidrogênio. Em 1919, Rutherford e seus colaboradores realizaram o sonho dos alquimistas e conseguiram experimentalmente, pela primeira vez na história, transmutar um elemento em outro.[3]

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O experimento consistia em bombardear o gás nitrogênio com partículas alfa altamente energizadas. Como resultado, alguns núcleos de hidrogênio eram detectados, e Rutherford estava certo que eles somente poderiam ser provenientes dos núcleos dos átomos de nitrogênio. Nesse processo, o que ocorreu é que o nitrogênio era transmutado em oxigênio, através de uma reação nuclear.Então, o núcleo do nitrogênio continha núcleos de hidrogênio! Como o hidrogênio era o elemento de menor massa, Rutherford concluiu que se tratava de uma partícula elementar dos núcleos de todos os átomos: o núcleo atômico possui uma estrutura, é formado por prótons!

Entretanto, duas questões importantíssimas estavam em aberto:

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1. O número de prótons em um núcleo é insuficiente para justificar sua massa. De onde viria o restante da massa?

2. Cargas de sinais opostos se atraem. Cargas de mesmo sinal se repelem. Como é possível os prótons ficarem juntos em um espaço tão pequeno como o núcleo? De acordo com a Lei de Coulomb, a força de repulsão seria descomunal.

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Descoberta do nêutron

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Quando Rutherford descobriu que o número de prótons em um núcleo suficientes para justificar sua carga não era suficiente para justificar sua massa, imediatamente sugeriu a existência de outras partículas, eletricamente neutras, no núcleo.

Rutherford atribuiu a seu aluno James Chadwick (1891 – 1974) a tarefa de descobrir essa partícula. Em 1932 (13 anos depois da descoberta do próton), Chadwick finalmente conseguiu detectar o nêutron através do seguinte experimento:

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Em 1930, descobriu-se que bombardeando Berílio com radiação alfa, era emitida outra radiação extremamente penetrante e sem carga elétrica, semelhante à radiação gama. Posteriormente, foi descoberto que incidindo esse novo tipo de radiação em uma substância rica em hidrogênio (como a parafina), prótons eram emitidos.[3]  Em 1932, Chadwick, com seus estudos quantitativos desse e de outros experimentos, concluiu que a radiação emitida pelo Berílio era na verdade um feixe de partículas neutras com massa quase igual à do próton: Chadwick descobriu o nêutron!

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Propriedades

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Para extrair um elétron de um átomo, é necessária uma certa quantidade de energia. Da mesma forma, cada núcleo (próton ou nêutron) necessita também de grande quantidade de energia, que é da ordem de milhões de vezes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada física de alta energia.[3]

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A física nuclear tem como objeto de estudo o núcleo atômico e suas propriedades. Os núcleos possuem propriedades que podem ser classificadas como estáticas (carga, tamanho, forma, massa, energia de ligação, spin, paridade, momentos eletromagnéticos, etc.) e dinâmicas (radioatividade, estados excitados, reações nucleares, etc.)

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Estas propriedades são analisadas através de modelos nucleares que são baseados na mecânica quântica, relatividade e teoria quântica de campos. A descoberta de que os nucleons (protons e neutrons) são na realidade sistemas compostos, redirecionou o interesse dos físicos nucleares para a investigação dos graus de liberdade de quarks e, com isto, atualmente os domínios da pesquisa da física nuclear e da física de partículas se tornaram interligados.[3]

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