O que são píons, múons, quarks e outras partículas do mundo atômico

As aulas de química no Ensino Médio explicam que o átomo é formado por elétrons que orbitam em torno de um núcleo, composto por prótons e nêutrons. Cada vez mais, no entanto, outros nomes e expressões, com sonoridades por vezes esquisitas, do mundo atômico chegam às pessoas por meio de sites, revistas ou programas de televisão. E dá-lhe física quântica, quarks, neutrinos, píons... Entender o que cada uma dessas palavras significa, no entanto, não é tão simples. Quem explicou ao site do Globo Ciência foi a professora do Departamento de Física da PUC-Rio Carla Göbel. Confira agora e tire as suas dúvidas.

Carla Göbel, professora do Departamento de
Física da PUC-Rio 

Próton e nêutron
“O nêutron é uma das partículas que constitui o núcleo atômico, junto com os prótons. Ele tem massa, mas não tem carga. A massa dele é muito parecida com a do próton. O nêutron demorou bastante para ser descoberto, só no começo da década de 1930. Não se sabia por que a massa do núcleo era mais ou menos o dobro do número da massa dos prótons. A razão era porque na maioria dos núcleos há números comparáveis de prótons e de nêutrons.”
“O próton tem a massa parecida com a do nêutron. Desde a década de 1910 já se sabia que o núcleo atômico era muito menor do que o átomo como um todo. O átomo era neutro, tinha elétrons orbitando em torno de um núcleo, como em um modelo solar. Toda essa carga positiva estaria em um diâmetro muito pequenininho, da ordem de 10 elevado a menos 14 metros. Sabia-se que ele tinha carga positiva, mas não se sabia que havia elementos neutros também lá dentro.”
“Na década de 1930, se entendeu que o núcleo atômico era formado tanto de prótons como também de nêutrons. Os nêutrons sendo iguais, em termos de massa, na realidade um pouco maior que a do próton, só que com carga nula, enquanto o próton tem carga + 1.”
Quark
“Na década de 1960, se entendeu que os prótons e os nêutrons não eram partículas fundamentais, eles próprios eram constituídos por outras partículas ainda menores. Embora não possam ser divididos, são feitos de outras partículas. E essas partículas fundamentais que formam tanto o nêutron quanto o próton são os quarks.”
“Os quarks são, até o ponto em que sabemos, as partículas mais fundamentais que formam o núcleo atômico. Toda matéria sólida que a gente conhece é feita de três partículas, que são os quarks up e down, 'u' e 'd', e o elétron. O nêutron é feito de dois quarks do tipo 'd' e um quark do tipo 'u'. O próton é feito de dois quarks 'u' e um 'd'. A diferença fundamental é a carga elétrica. O quark 'u' tem carga de + 2/3, o quark 'd' tem carga de - 1/3.”

Elétrons orbitam em torno do núcleo atômicoMúon e píon 

“O píon foi previsto, mas demorou um pouco para ser observado. Os prótons e os nêutrons ficam dentro do núcleo atômico. Se o próton é positivo, como vários deles ficariam juntos, se a força elétrica entre duas partículas positivas é repulsiva? Por que ficava coeso? A única amaneira de explicar o núcleo atômico seria através da existência de uma força ainda mais forte do que a repulsão elétrica. Essa força foi chamada de força forte. Um físico japonês, (Hideki) Yukawa, na década de 1930, postulou que deveria existir o píon, algo como uma cola (funciona como uma partícula mediadora da força forte). A troca desses píons, entre os nêutrons e os prótons, seria responsável por mantê-los coesos no núcleo atômico. Isso foi previsto na década de 1930, mas só foi observado em 1947, por um grupo que tinha o brasileiro César Lattes. O píon é um primo do próton e do nêutron, feito de um quark e de um antiquark, a antimatéria do quark.”
“O múon foi descoberto em 1937. Quando ele foi descoberto, pensou-se que era o píon, que já estava sendo esperado. O múon não sentia a força forte. Hoje sabemos que o múon é um irmão do elétron. Ele é igualzinho ao elétron em todos os aspectos, mas tem uma massa maior.”
Neutrino
“Os neutrinos são partículas muito esquisitas. O neutrino é o par do elétron, da mesma maneira que o quark 'd' é o par do quark 'u'. Eles fazem parte da mesma família. O neutrino não tem carga elétrica e também não tem massa.”
Teoria Quântica
“A teoria quântica é um nome genérico que explica todos os fenômenos no que a gente chama de escala quântica. Escala quântica é a da ordem de 10 elevado a menos 9 metros. É a escala de distância entre átomos.”
“O que é o mundo quântico, a física quântica? Antes, existiam as ondas e as partículas, onda e matéria. Havia onda de luz, ondas em cordas, ondas na água. Onda não era matéria, era uma vibração. Essas duas coisas eram separadas. A física quântica vem quebrar esse conceito, em particular, entendendo que a matéria também pode se comportar como onda.”
“A ideia que a maior parte das pessoas faz de um elétron é que ele é como uma bolinha. Se você jogar um monte de elétrons em uma parede de dois furos, sabe-se, pelo conceito clássico, que cada um deles vai passar ou no furo de cima ou no furo de baixo ou não vai passar, porque vai bater na parede. O que sabemos hoje é que se jogarmos um elétron na parede, ele vai passar pelos dois furos ao mesmo tempo, como acontece como uma onda de luz. A mecânica quântica interpreta que a matéria tem propriedades ondulatórias, ou seja, você não pode localizar o elétron. Ele é um objeto espalhado.”