A Coesão do Núcleo Atômico: Um Desafio Fundamental
Dentro do núcleo atômico, existem prótons que, por possuírem carga elétrica positiva, deveriam repelir-se mutuamente devido à Força Eletromagnética. Essa repulsão é um desafio significativo para a estabilidade do núcleo. No entanto, os núcleos atômicos são estáveis, o que indica a existência de uma força ainda mais poderosa que atua para mantê-los unidos [1]. Essa força é conhecida como Força Nuclear Forte.
Características da Força Nuclear Forte
A Força Nuclear Forte é a mais intensa das quatro forças fundamentais da natureza, sendo aproximadamente 100 vezes mais forte que a força eletromagnética em curtas distâncias [2]. Suas principais características são:
• Natureza Atrativa: Ao contrário da repulsão eletromagnética entre prótons, a Força Nuclear Forte é atrativa, agindo entre todos os núcleons (prótons e nêutrons).
• Curto Alcance: Sua atuação é extremamente limitada, eficaz apenas em distâncias muito pequenas, da ordem de
metros (femtômetros), que é o tamanho típico de um núcleo atômico. Fora dessa distância, sua intensidade cai rapidamente [1].
• Independência de Carga: Ela age igualmente entre próton-próton, nêutron-nêutron e próton-nêutron, não sendo influenciada pela carga elétrica das partículas [3].
O Papel dos Nêutrons
Os nêutrons desempenham um papel crucial na estabilidade nuclear. Embora não possuam carga elétrica e, portanto, não contribuam para a repulsão eletromagnética, eles participam ativamente da Força Nuclear Forte. Ao adicionar nêutrons ao núcleo, a força atrativa total aumenta sem o acréscimo da repulsão eletromagnética, ajudando a compensar a repulsão entre os prótons e a manter o núcleo coeso. É por isso que núcleos maiores tendem a ter uma proporção maior de nêutrons em relação aos prótons [3].
A Participação dos Mésons na Interação Nuclear
A compreensão da Força Nuclear Forte no contexto do núcleo atômico foi significativamente avançada pela proposta de Hideki Yukawa em 1935. Ele sugeriu que a interação entre os núcleons (prótons e nêutrons) era mediada pela troca de partículas, que ele chamou de mésons (especificamente, o píon). Assim como a força eletromagnética é mediada pela troca de fótons, a Força Nuclear Forte, em seu nível nuclear, pode ser vista como uma troca de mésons entre os prótons e nêutrons [4].
Essa troca de mésons cria uma força atrativa de curto alcance que “cola” os núcleons uns aos outros. É importante notar que a Força Nuclear Forte que atua entre os núcleons é, na verdade, uma manifestação residual de uma força ainda mais fundamental que atua entre os quarks (as partículas que compõem prótons e nêutrons). Essa força mais fundamental é mediada por partículas chamadas glúons [5]. No entanto, para o nível de compreensão do núcleo, a ideia da troca de mésons é uma excelente analogia e um modelo eficaz para explicar a coesão nuclear.
A Contribuição Fundamental de César Lattes
O físico brasileiro César Lattes (1924-2005) teve uma participação decisiva na descoberta experimental do méson pi (píon) em 1947, o que confirmou a hipótese de Yukawa e revolucionou a física nuclear e de partículas [6] [7]. Sua contribuição pode ser dividida em duas fases principais:
1. Descoberta em Raios Cósmicos (Bristol, 1947): Trabalhando na Universidade de Bristol, na Inglaterra, Lattes, em colaboração com Cecil Powell, Giuseppe Occhialini e Hugh Muirhead, utilizou emulsões fotográficas expostas a raios cósmicos em grandes altitudes. Foi Lattes quem desenvolveu uma técnica para identificar as trilhas deixadas pelos mésons pi, observando seu decaimento em múons. Essa foi a primeira evidência experimental direta da existência do píon [6] [8].
2. Produção Artificial em Acelerador (Berkeley, 1948): Em 1948, Lattes foi para a Universidade da Califórnia, Berkeley, nos Estados Unidos. Lá, ele liderou a equipe que conseguiu produzir artificialmente o méson pi em laboratório, utilizando o ciclotron de Berkeley. Essa produção controlada permitiu um estudo mais aprofundado das propriedades do píon e confirmou de forma inequívoca sua existência e seu papel como partícula mediadora da Força Nuclear Forte [6] [9].
César Lattes
A descoberta do píon por Lattes e sua equipe foi um marco, pois forneceu a prova experimental para a teoria de Yukawa, solidificando nossa compreensão sobre como o núcleo atômico se mantém unido. Essa conquista valeu o Prêmio Nobel de Física a Cecil Powell em 1950, embora Lattes, Occhialini e Muirhead não tenham sido incluídos, gerando debates sobre o reconhecimento de suas contribuições [10].
A tabela a seguir resume as principais
forças atuantes no núcleo atômico:
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Força
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Partículas Afetadas
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Natureza da Interação
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Alcance
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Intensidade Relativa (no núcleo)
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Força Nuclear Forte
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Prótons e Nêutrons
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Atrativa
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Curto (fm)
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Muito Alta (100x Eletromagnética)
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Força Eletromagnética
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Prótons (cargas elétricas)
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Repulsiva
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Infinito
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Alta
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[1] InfoEscola. Força Nuclear Forte. Disponível em: https://www.infoescola.com/fisica/forca-nuclear-forte/
[2] LibreTexts. 20.1: Estrutura e
estabilidade nucleares. Disponível em: https://query.libretexts.org/Idioma_Portugues/Livro%3A_Quimica_-Atoms_First(OpenStax)/20%3A_Quimica_nuclear/20.1%3A_Estrutura_e_estabilidade_nucleares
[3] Reddit. Como os nêutrons mantêm o
núcleo de um átomo unido?. Disponível em: https://www.reddit.com/r/askscience/comments/11qc3h/how_do_neutrons_hold_a_nucleus_of_an_atom_together/?tl=pt-br
[4] UOL Educação. Força forte: Coesão e
estabilidade do núcleo atômico. Disponível em: https://educacao.uol.com.br/disciplinas/fisica/forca-gravitacional-relacao-entre-forca-e-massa-segundo-newton-e-einstein.htm
[5] Energy.gov. DOE Explains…The Strong
Force. Disponível em: https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-strong-force
[6] GHTC USP. César Lattes e os 50 anos
do méson pi. Disponível em: https://www.ghtc.usp.br/meson.htm
[7] Opera Mundi. 101 anos César Lattes,
pioneiro da física de partículas. Disponível em: https://operamundi.uol.com.br/pensar-a-historia/101-anos-cesar-lattes-pioneiro-da-fisica-de-particulas/
[8] SciELO Brasil. a prática científica
como objeto histórico César Lattes e as. Disponível em: https://www.scielo.br/j/rbef/a/VXNXYDxDm7qyzQch9DwdHvP/?lang=pt
[9] SBFisica. A ascensão cósmica de César
Lattes, um dos pais da física de partículas. Disponível em: https://www.sbfisica.org.br/v1/sbf/a-ascensao-cosmica-de-cesar-lattes-um-dos-pais-da-fisica-de-particulas/
[10] Wikipedia. César Lattes.
Disponível em: https://en.wikipedia.org/wiki/C%C3%A9sar_Lattes
