Partícula

Em física , uma partícula é um corpo pequeno em comparação com a escala do sistema em consideração. A estrutura interna de uma partícula individual não importa, apenas seu comportamento como um todo em relação a outras partículas ou influências externas. Freqüentemente, as partículas são então entendidas como partículas pontuais sem extensão (no sentido de massas pontuais ). As partículas são objetos ideais . Via de regra, restringe-se apenas a certas propriedades do objeto físico real, como a massa ou a carga elétrica , para estudar a interação que está relacionada a essa propriedade. Dependendo do ponto de vista, um mesmo objeto físico pode ser visto como uma partícula ou um sistema de partículas. Isso se aplica em particular aos átomos, mas também aos núcleos atômicos e também aos prótons e nêutrons. De acordo com o entendimento atual, as partículas que não são mais compostas por componentes menores são chamadas de partículas elementares e são descritas no modelo padrão da física de partículas elementares ( ver modelo padrão ).

A palavra partícula também é usada como abreviatura para partículas elementares . Isso significa, por um lado, “os menores blocos de construção da matéria”, que por sua vez não são compostos de partículas menores; por outro, se referem a “partículas de troca ” como o fóton , que transmitem as forças elementares .

Visão geral

Na mecânica quântica , uma partícula é representada por uma função de onda , cuja amplitude indica a probabilidade da localização da partícula ( veja a perspectiva da mecânica quântica ).

Na física do estado sólido, fala-se tanto dos átomos da rede das partículas quanto das ondas com as quais suas excitações se propagam sobre um estado fundamental. Isso leva ao fato de que um grande número de fenômenos são idealizados como partículas, cujo comportamento pode ser descrito de forma mais clara: Na descrição física quântica, as excitações de uma rede cristalina são entendidas como partículas, por exemplo , polarons , excitons ou fônons . Buracos nas bandas de energia dos elétrons totalmente ocupadas em um semicondutor têm as características de partículas e são tratados como partículas carregadas positivamente.

Termos relacionados

Em geral, o termo partícula não deve ser usado para partículas. Por outro lado, em certas áreas, esses dois termos são usados ​​completamente como sinônimos:

  • Compostos de alguns milhares de átomos ou moléculas são sinônimos de nanopartículas ou nanopartículas.
  • Os termos terapia de partículas e terapia de partículas são usados ​​como sinônimos, embora os prótons e outros íons usados ​​sejam chamados apenas de partículas na física . O termo partícula usado na medicina aqui remonta à partícula em inglês .

Em hidrodinâmica , partícula é por vezes um elemento de volume do fluido . Embora essa partícula seja “pequena”, ela é macroscópica ; Em outras palavras , ele contém tantas moléculas que, além das propriedades mecânicas de posição e momento, propriedades da termodinâmica como pressão , temperatura e entropia também podem ser atribuídas a ele.

O termo 'corpúsculo' para partículas está desatualizado. Ela ocorre, por exemplo, no debate histórico entre a teoria dos corpúsculos e a teoria das ondas ao descrever a luz.

A expansão das partículas de poeira está na faixa de µm .

Resumo histórico

No século 5 aC Chr. Demócrito postulou que a matéria é composta das menores unidades indivisíveis. Seguindo esse pensamento, John Dalton usou o termo átomo (do grego antigo ἄτομος átomos, “indivisível, indivisível”) para as menores partículas, em sua opinião, inseparáveis .

Ver os átomos como partículas inseparáveis ​​faz todo o sentido em química . Eles são usados ​​como objetos, dos quais apenas o número de massas é inicialmente considerado uma propriedade. Se você os ordenar de acordo com o número de massa (sem saber que esse número atômico também é o número atômico!) E considerar as propriedades químicas dos elementos classificados dessa forma, você obtém a tabela periódica . Essa restrição às propriedades individuais é essencial para todos os usos do termo partícula em física.

Demorou mais um século desde a época de Dalton ( veja o resumo histórico sob átomo ) até que surgiram dúvidas sobre a indivisibilidade dos átomos: Marie Curie reconheceu que um elemento radioativo pode passar para outro; Ernest Rutherford foi capaz de mostrar em seu experimento de espalhamento que a folha de ouro bombardeada com radiação alfa é amplamente permeável. Ao considerar o experimento de Rutherford, tanto as partículas alfa incidentes quanto os núcleos atômicos carregados positivamente presos na rede são idealizados como partículas (poderia facilmente ser bolas de bilhar carregadas), das quais apenas algumas propriedades são consideradas: a massa, a carga, o diâmetro e a velocidade. Neste experimento, não importa se os núcleos atômicos têm qualquer outra estrutura ou se são compostos de outras partículas menores. Essas poucas propriedades das partículas observadas são suficientes para a descrição do experimento e a derivação teórica do padrão de espalhamento.

Ao considerar o modelo de Bohr do átomo , as partículas consideradas são um elétron e um núcleo atômico (consistindo do núcleo atômico e possivelmente outros elétrons). Novamente, as partículas são reduzidas às suas propriedades essenciais, carga e massa.

Otto Hahn , Lise Meitner e Fritz Straßmann conseguiram demonstrar que, quando os átomos de urânio são bombardeados com nêutrons, os elementos transurânicos (com um número atômico maior) não são formados apenas pelo aumento do número de massa, como foi assumido anteriormente (ver Enrico Fermi , 1934) , mas às vezes ocorre uma fissão nuclear em núcleos atômicos de tamanho médio. Aqui, o núcleo não pode mais ser entendido como uma única partícula, mas apenas como composto de núcleons , ou seja, prótons e nêutrons . Outras partículas importantes na física nuclear são partículas alfa , elétrons e neutrinos . A questão surge rapidamente sobre o que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo, uma vez que os prótons são todos carregados positivamente e devem se repelir. Essa forte interação é explicada pelo fato de que na cromodinâmica quântica os núcleos são compostos cada um de três quarks, que são mantidos juntos por glúons (do inglês para cola “grudada”). A interação residual dessa força fora dos nucleons os mantém juntos de maneira semelhante às forças de Van der Waals z. B. manter as moléculas de água juntas.

Partículas subatômicas e o modelo padrão

A partícula é diferente entre as partículas de material e as partículas de interação (partículas de troca ), bem como as partículas de material entre as partículas elementares e as partículas compostas.

As partículas elementares são descritas pelo modelo padrão da física de partículas elementares . Como este modelo é uma teoria quântica de campos, as partículas são entendidas aqui como quanta de campo, ou seja, como quantidades quantizadas de energia de campos. A questão de saber se as partículas ou os campos são, em última análise, os "mais fundamentais" na natureza ainda é discutida de forma controversa hoje (2018). A maioria dos físicos, entretanto, tem a visão teórica do campo quântico de que não há partículas localizadas, mas apenas campos (e seus quanta, que são espacialmente tão extensos quanto o próprio campo).

Os campos elementares ou seus quanta são divididos no modelo padrão em três famílias de leptões e três famílias de quarks . Os léptons (do grego λεπτος (leptos) "leve, fino") são o elétron e seu neutrino , o múon e seu neutrino, assim como o tau e seu neutrino. As famílias dos quarks são chamadas de cima e baixo , charme e estranho , bem como de topo e base .

Quarks não podem ocorrer individualmente na natureza, o que é chamado de confinamento de cores (veja aqui ). Em vez disso, eles sempre formam partículas compostas, que são chamadas de hadrons (do grego ἁδρός, hadrós , "espessas") para distingui-las dos léptons . Os hadrões são divididos em mésons (do grego μεσος mesos "meio") e em bárions (do grego βαρύς bárions "pesados"). Os mésons consistem em um quark e um antiquark, os bárions consistem em três quarks. Os bárions mais conhecidos são o próton e o nêutron.

No caso das partículas de troca, o Modelo Padrão considera o fóton como a partícula de troca da interação eletromagnética . Está intimamente relacionado com os bósons W e o bóson Z , que junto com o fóton são as partículas de troca para a interação eletrofraca . As partículas de troca para a interação forte são os glúons.

Das quatro forças básicas da física , o modelo padrão carece de gravitação e de sua partícula de troca, o gráviton . Os resultados do Modelo Padrão concordam muito bem com os resultados dos experimentos do acelerador. No entanto, ainda não foi possível estender o mesmo formalismo matemático à gravidade. Essa é uma das grandes questões em aberto na física teórica .

No modelo padrão, as partículas obtêm sua massa por meio da interação com o campo de Higgs .

Perspectiva da mecânica quântica

Durante a transição para a mecânica quântica, as partículas se tornam ondas que descrevem sua provável localização. Se z. B. luz (ou um feixe de elétrons) em uma fenda dupla , esta onda forma um padrão de difração atrás da fenda. Em um papel fotográfico (ou tela), a luz incidente (o feixe de elétrons) atingirá apenas pontos individuais. Somente na média estocástica de muitos fótons incidentes (elétrons) o padrão de difração se torna visível novamente. Essa interpretação simultânea como onda e partícula é chamada de dualismo onda-partícula .

Em contraste com a mecânica clássica, em que o estado da partícula é determinado pela posição e momento, na mecânica quântica a posição e o momento nunca podem ser medidos exatamente ao mesmo tempo (ver o princípio da incerteza de Heisenberg ).

Em sistemas multipartículas, as partículas são geradas a partir de um estado de vácuo aplicando um operador de geração . Esses operadores desempenham um papel especialmente na teoria quântica de campos . Entre os estados inicial e final das partículas físicas em interação, as partículas virtuais podem surgir e depois desaparecer novamente, o que não satisfaz nenhuma relação energia-momento e cuja energia não tem limite inferior.

O conceito de partículas em física matemática estende-se desde estados em espaços de Hilbert , nos quais se consideram as álgebras de operadores, até ondas, para as quais, por exemplo, um certo comportamento de espalhamento pode ser calculado: isso inclui, entre outras coisas, solitons que são ondas não divergentes.

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