A matéria é constituída por átomos, que por sua vez são constituídos por uma camada externa chamada de eletrosfera, na qual encontram-se os elétrons, e por um núcleo, no qual encontram-se os prótons e nêutrons, conforme ilustra a figura 2.8a. Os elétrons possuem uma carga negativa −e enquanto os prótons possuem a mesma carga com sinal oposto, ou seja, +e. Os nêutrons não possuem carga. Na tabela 2.1 apresentamos os valores da carga e massa dessas partículas.
Antes do modelo padrão, acreditava-se que os prótons, os nêutrons e os elétrons eram partículas fundamentais. Atualmente sabemos que os prótons e os nêutrons são constituídos por partículas mais fundamentais chamadas de Quark e que ao todo são conhecidas mais de duzentas partículas. Para explicar todas as partículas conhecidas e suas interações complexas, o chamado modelo padrão usa seis quarks, seis léptons3 e as partículas transportadoras de força4, conforme ilustra a figura 2.8b.
Segundo este modelo todas as partículas de matéria conhecidas são compostas de quarks e léptons, e elas interagem trocando partículas transportadoras de força. Os seis quarks possuem nomes estranhos, que em inglês são: up, down, top, bottom, charm e strange, conforme ilustra a figura 2.8b. Os quarks são partículas que podem ter uma das seguintes cargas ±1/3e, e ±2/3e, as quais estão especificadas na figura 2.8b. Os prótons são constituídos por dois quarks up e um down, que dá um carga total igual a +e, ou seja,
qp = 2Qup + Qdown = 2 2/3e – 1/3e = e
e os nêutrons são constituídos por um quark up e dois quarks down, e sua carga é:
qn = Qup + 2Qdown = 2/3e – 2 1/3 e = 0
Por sua vez, o elétron é uma partícula fundamental. Sobre o elétron há um história curiosa:
A descoberta do elétron em 1897 rendeu ao físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) o prêmio Nobel de Física de 1906 (Veja sua biografia na página http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/1906/thomson-bio.html. Em sua experiência J. J. Thomson determinou a razão m/q do elétron evidenciando seu comportamento corpuscular, entretanto em 1937 George Paget Thomson (1892-1975, ver biografia na página http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1937/thomson-bio.html), filho de J. J. Thomson, ganhou o prêmio Nobel de Física por seus experimentos de espalhamento que apresentaram efeitos de difração para o elétron, evidenciando neste experimento o comportamento ondulatório do elétron (natureza dual da matéria).
O que é curioso aqui, é que o pai ganhou o prêmio Nobel por mostrar que o elétron era uma partícula e o filho por revelar o comportamento ondulatório do elétron, ou seja, que não era uma partícula. Mas este é um assunto para a Física Moderna. Aqui sempre trataremos o elétron como partícula (o pai estava certo!).
O elétron é uma partícula elementar cuja carga e no sistema internacional (SI), tem o seguinte valor
e = −1,6021773349 × 10−19 C.
A unidade de carga elétrica (quantidade de eletricidade) é o Coulomb, cujo símbolo é C.
A unidade SI de carga elétrica é o Coulomb, definido em termos da unidade de corrente elétrica, o ampère (O ampère é definido em termos de uma medida de força magnética). É a unidade de corrente elétrica que se utiliza no cotidiano dos trabalhos elétricos.) O Coulomb (C) é a quantidade de carga elétrica que passa pela área da seção reta de um fio condutor, em um segundo, quando circula no fio uma corrente de um ampère.
Todo e qualquer pedaço de matéria é composto por átomos. Na figura 2.8a, mostramos a estrutura do átomo, com as partículas elementares que o compõe e a escala de tamanho destas partículas. Na figura 2.8b, mostramos as partículas elementares, suas cargas, massas, etc.
3O elétron é o lépton mais conhecido.
4O fóton é a partícula transportadora de força do campo eletromagnético.
Fonte: LEÃO, Salviano A. Eletricidade e magnetismo. Goiânia, UCG/UEG/UFG, 2009. p. 12 - 13.
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