Bomba de Antimatéria

Bomba Atômica

O livro Anjos e Demônios, de Dan Brown, conta a incrível jornada Robert Langdon, para tentar salvar o Vaticano de uma explosão com uma nova arma, criada pelo CERN (Organização Europeia Para Investigação Nuclear), a Antimatéria.

Mas o que é a antimatéria?
A natureza é composta de partículas elementares, como os prótons, nêutrons, elétrons, que basicamente constituem a matéria. O nome antipartícula, no entanto, é reservado a partículas mais raras encontradas apenas nos raios cósmicos, nos decaimentos de substâncias radioativas e nos aceleradores de partículas.

A mecânica quântica explica que, no processo de criação de pares, um fóton de energia elevada - ao colidir com o núcleo - perde toda sua energia, dando origem a um par de partículas, o elétron e o pósitron.
Um pósitron é uma partícula que tem todas as características de um elétron, exceto o sinal de sua carga, que é o oposto do elétron.
O processo inverso também pode ser analisado, quando um par elétron-positron (matéria-antimatéria), estando essencialmente em repouso e próximos um do outro, se unem, são aniquilados. Esse processo recebe o nome de aniquilação de pares, dando origem a dois fótons que se movem em sentidos opostos.

A produção de dois fótons pode ser explicada devido ao fato de que, se os elementos (elétron-pósitron) estão inicialmente em repouso, seu momento inicial é igual a zero, porém, um único fóton não pode ser criado com momento igual a zero.
Podemos concluir então que, quando uma partícula de antimatéria se choca com uma partícula de matéria ocorre a aniquilação de ambos, originando radiação gama (γ), que libera uma grande quantidade de energia.

Segundo o livro Anjos e Demônios, ¼ de grama de antimatéria teria energia suficiente para destruir completamente a cidade do Vaticano. Se comparada com a bomba atômica lançada em Hiroshima, que possuía um núcleo de 10 kg de urânio 235 e produzia uma energia de 84x10¹² J (20 kilotons), ¼ de grama da bomba de antimatéra seria necessário para produzir 42x10¹² J (10 kilotons) de energia. Uma explosão e tanto para uma quantidade tão pequena de partículas.
Segundo o CERN, são produzidos 10⁷ antiprótons por segundo em seu acelerador de partículas. Eles afirmam também que 1g (um grama) de antiprótons equivale a, aproximadamente, 6x10¹⁶ partículas, e seriam necessários 6x10³⁰s para produzir essa quantidade, ou seja, aproximadamente 2 bilhões de anos.

Portanto, se você conhece alguém que pretende criar uma bomba como esta, com ¼ de grama de antimatéria, diga a essa pessoa que ela terá que esperar pelo menos 500 milhões de anos.

Por Kleber Cavalcante
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

Teoria do Caos

Símbolo da teoria do caos

A teoria estabelece que uma pequena mudança ocorrida no início de um evento qualquer pode ter conseqüências desconhecidas no futuro. Isto é, se você realizar uma ação nesse exato momento, essa terá um resultado amanhã, embora desconhecido. O meteorologista norte-americano Edward Lorenz descobriu, no início da década de 1960, que acontecimentos simples tinham um comportamento tão desordenado quanto à vida. Ele chegou a essa conclusão após testar um programa de computador que simulava o movimento de massas de ar.

Em busca de uma resposta Lorenz teclou um dos números que alimentavam os cálculos da máquina com algumas casas decimais a menos, na expectativa de que o resultado tivesse poucas mudanças. No entanto, a pequena alteração transformou completamente o padrão das massas de ar. Segundo ele seria como se o bater das asas de uma borboleta no Brasil causasse, tempos depois, um tornado no Texas. Fundamentado em seus estudos, ele formulou equações que demonstravam o “efeito borboleta”. Origina-se assim a Teoria do Caos. Alguns cientistas concluíram também que a mesma imprevisibilidade aparecia em quase tudo, do número de vezes que o olho pisca até a cotação da Bolsa de Valores. Para reforçar essa teoria, na década de 1970 o matemático polonês Benoit Mandelbrot notou que as equações de Lorenz coincidiram com as que ele próprio havia feito quando desenvolveu os fractais (figuras geradas a partir de fórmulas que retratam matematicamente a geometria da natureza, como o relevo do colo, etc.). A junção do experimento de Lorenz com a matemática de Mandelbrot indica que a Teoria do Caos está na essência de tudo, dando forma ao universo.

Por Eliene Percília
Equipe Brasil Escola

Por que tomamos choque quando tocamos outra pessoa?

Os corpos ditos eletricamente neutros são corpos que apresentam em sua estrutura o mesmo número de prótons e elétrons.

Corpos podem apresentar desequilíbrio em sua neutralidade em razão da diferença na quantidade de cargas positivas e negativas de sua estrutura e estes, quando em contato com outros corpos (carregados com cargas opostas ou neutros), ocasionam o movimento ordenado de cargas elétricas, gerando corrente elétrica. A passagem de corrente elétrica por um determinado corpo (condutor) é o que ocasiona o choque elétrico.

Pessoas que possuem acúmulo de cargas estáticas (acúmulo provocado geralmente pelo processo de eletrização por atrito, geralmente mais expressivas em dias secos) quando em contato com outras que estejam carregadas por cargas de sinal oposto ou neutras, tomarão choque devido ao movimento de cargas elétricas de um corpo para outro, até que ambas encontrem-se neutralizadas.

Ao manusear placas de computador, o acúmulo de cargas estáticas existentes nas mãos deve ser neutralizado,
evitando assim que a placa seja danificada

Por Frederico Borges de Almeida
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

Formação de um arco-íris

Arco íris, um fenômeno óptico

O arco-íris é um fenômeno óptico que se forma em razão da separação das cores que formam a luz solar. Ele pode ser observado sempre que existirem gotículas de água suspensas na atmosfera e a luz solar estiver brilhando acima do observador em baixa altitude ou ângulo, ou seja, ele pode acontecer durante ou após uma chuva. Esse acontecimento ocorre em razão da dispersão da luz.

Dispersão é o fenômeno que causa a separação de uma onda em vários componentes espectrais.

A luz do sol é uma onda de luz branca formada por várias cores, quando essa luz incide sobre uma gota de água os raios luminosos penetram nela e são refratados, sofrendo assim a dispersão. O feixe de luz colorido, dentro da gota, é refletido sobre a superfície interna da mesma e sofre novo processo de refratação, motivo que provoca a separação das cores que um observador consegue ver. É evidente que essa dispersão ocorre com todas as gotas de água que estiverem na superfície recebendo a luz proveniente do Sol.

O arco-íris não existe, trata-se de uma ilusão de óptica cuja visualização depende da posição relativa do observador. É importante salientar que todas as gotas de água refratam e refletem a luz da mesma forma, no entanto, apenas algumas cores resultantes desse processo é que são captadas pelos olhos do observador.

Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola

O Combustível do Sol

Sol

O Sol, maior corpo astro do sistema solar, representando cerca de 98% de toda a massa do sistema, é a estrela que nos fornece a luz e o calor necessários para a manutenção da vida na Terra.

A temperatura externa do nosso astro Rei é de aproximadamente 6000º C provinda de uma grande concentração de energia liberada pelo seu núcleo.
Toda essa energia começa a partir de uma fusão nuclear. Quatro núcleos de hidrogênio se chocam para formar um núcleo de hélio. Nesse processo, verifica-se que o núcleo de hélio é menos massivo do que os quatro núcleos de hidrogênio. Isso ocorre porque durante a fusão nuclear libera-se uma grande quantidade de energia.
A temperatura no núcleo do Sol chega a, aproximadamente, 15.000.000º C, e a pressão chega a ser 340 bilhões de vezes maior que a pressão atmosférica da Terra ao nível do mar (1 atm = 760 mmHg = 1x10⁵ N/m2).

A energia liberada pelo núcleo é levada até a superfície através de um processo conhecido como convecção térmica. Cerca de 700 milhões de toneladas de hidrogênio são convertidas em hélio e liberam cerca de 5 milhões de toneladas de energia pura. Essa constante liberação de energia implica em uma diminuição da massa da estrela.

Na superfície do sol podem ser observadas manchas provenientes de regiões de menor temperatura, e regiões de explosões, que muitas vezes chegam a ser muito maior do que a Terra.
Nos últimos anos, a diminuição dessas manchas tem preocupado cientistas do mundo inteiro, pois esse fenômeno é responsável pelos ventos solares que ajudam a manter a radiação cósmica longe do centro do sistema solar, o que pode prejudicar o trabalho de astronautas que não estão devidamente protegidos para esse tipo de radiação.

Por Kleber Cavalcante
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

Os Cristais Líquidos

Cristal Líquido

Na escola aprendemos que existem três estados da matéria: sólido, líquido e gasoso. No estado sólido as moléculas estão bem próximas uma das outras, mantendo sempre a mesma posição em relação uma às outras. No estado líquido acontece o contrário, as moléculas estão um pouco mais distantes umas da outras, elas podem se mover e mudar sua orientação em qualquer direção do líquido. No estado gasoso as moléculas têm ainda mais liberdade, podendo dessa forma se mover em qualquer direção, como também mudar a sua orientação. Apesar de aprendermos apenas esses três estados, há algumas substâncias que possuem um estado peculiar que é o líquido e o sólido ao mesmo tempo, são os chamados cristais líquidos.

Os cristais líquidos são materiais que apresentam estado da matéria compreendido entre os estados sólido e líquido, assim sendo, esses materiais apresentam características tanto da fase sólida quanto da fase líquida. Nesse estado as moléculas mantêm sua orientação, mas também se movimentam em várias direções, assim como no sólido e no líquido respectivamente. Esses materiais são constituídos na sua maioria por moléculas orgânicas anisométricas. Essas moléculas possuem dimensões bem maiores que as outras, podendo ter forma alongada ou de disco.

Existe uma variedade de substâncias que se encontram na fase sólida ou líquida. Da mesma forma existem várias substâncias de cristal líquido. De acordo com a temperatura e a natureza, os cristais líquidos podem se apresentar em diferentes fases como, por exemplo, na fase nemática. Essa fase é a que torna possível a fabricação das TVs de LCD. Dentre todas as características dos cristais líquidos, a que mais se destaca é o fato de essas substâncias serem afetadas por correntes elétricas. O cristal líquido chamado de nemático torcido, um cristal que se encontra na fase nemática, encontra-se naturalmente torcido. Ao aplicar uma corrente elétrica sobre esses cristais faz com que eles se destorçam em vários graus, dependendo da intensidade da tensão que é aplicada sobre ele. As TVs de LCD utilizam esse cristal líquido porque ele reage à passagem da corrente elétrica controlando, dessa forma, a passagem da luz.

Alguns cristais líquidos são sensíveis a pequenas variações de temperatura, de forma que através dessa variação eles podem mudar de cor. Essa propriedade é aproveitada na construção de termômetros de cristal líquido. Outras aplicações dos cristais líquidos são os suportes de copo e o display de cristal líquido (LCD). O primeiro possui uma camada que é sensível a pequenas variações de temperatura, possibilitando assim uma variedade de cores a serem observadas pelo usuário. Já o segundo é um tipo de mostrador que vem sendo muito utilizado nos aparelhos digitais no lugar dos chamados LEDs.

Por Marco Aurélio da Silva
Equipe Brasil Escola

O Neutrino

Bilhões de neutrinos atravessam a terra a cada segundo

A existência dos neutrinos foi proposta por Wolfgang Pauli, em 1930, não só para explicar a distribuição da energia dos elétrons e pósitrons no decaimento Beta, mas também para evitar que a lei da conservação do momento angular fosse violada.

O neutrino é uma partícula que, teoricamente, não tem massa e nem carga elétrica, e por esse motivo interage fracamente com a matéria. O caminho médio de um neutrino de alta energia na água é da ordem de milhares de anos-luz. Ao mesmo tempo, os neutrinos, gerados no big bang - que presumivelmente assinalou a criação do universo, são as partículas mais abundantes que a física conhece, com bilhões delas atravessando a cada segundo o corpo de cada habitante da Terra sem deixar nenhum vestígio.

Os neutrinos foram observados em laboratório pela primeira vez em 1953, por F. Reines de C. L. Cowan, entre as partículas geradas por um reator nuclear de alta potência. Em 1995, Reines, o único membro vivo da dupla, recebeu o Prêmio Nobel de física por este trabalho.

As reações nucleares que ocorrem no Sol produzem grandes quantidades de neutrinos.

Por Kléber Cavalcante
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola

Meia-Vida

A meia vida de um elemento radioativo é o intervalo de tempo em que uma amostra deste elemento se reduz à metade. Este intervalo de tempo também é chamado de período de semidesintegração.

À medida que os elementos radioativos vão se desintegrando, no decorrer do tempo, a sua quantidade e atividade vão reduzindo e, por consequência, a quantidade de energia emitida por ele, em razão da radioatividade, também é reduzida.

Uma característica interessante dos elementos radioativos é que em virtude da desintegração que eles sofrem, a massa que eles possuem é reduzida; nos períodos de semidesintegração, a massa é reduzida pela metade, deixando ainda a outra metade por se desintegrar, que também passará pelo período de semidesintegração e assim sucessivamente. E este processo vai acontecendo repetidamente de tal forma que a massa é reduzida, mas nunca chega a ser zero.

Relação massa – meia-vida

M = massa residual (kg)
Mo = massa inicial (kg)
X = quantidade de meias-vidas

A expressão citada anteriormente permite-nos perceber que os elementos radioativos duram eternamente.

Computação Quântica

Tranferência de Fótons na computação quântica

Você já imaginou que um computador pode ser construído a partir do cafezinho que você toma diariamente?

É isso mesmo, as moléculas da cafeína são compostos fundamentais dos computadores quânticos, um novo tipo de computador que pretende revolucionar todo que você já viu sobre informática.

Em virtude de suas propriedades físico-químicas, as moléculas da cafeína seriam usadas na fabricação de biochips, microcircuitos que usam moléculas como unidades de informações.

O grande segredo do avanço computacional é a miniaturização dos componentes eletrônicos, como os diodos, os transistores, os resistores e os capacitores, presentes nos microprocessadores e microcircuitos. Porém, essa redução nas dimensões dos componentes está chegando ao limite.

Se tais componentes tornarem-se muito pequenos, fenômenos quânticos passarão a interferir em seu funcionamento.
O chamado teletransporte quântico, que é a possibilidade de transferência de informações entre dois elétrons – através de um quanta de energia (fóton) – sem que haja interação entre esses elétrons, está sendo utilizado para o processo de fabricação de um supercomputador.

Nos modelos convencionais, os computadores trabalham com sistemas binários, chamados bits, que assumem valores definidos 0 ou 1, enquanto nos computadores quânticos são utilizados os quantum bits (qubits). Esses qubits podem estar em sobreposições quânticas de 0 e 1, assim como um fóton pode estar em sobreposição de polarização horizontal ou vertical. De fato, ao enviar um fóton individual, um teletransportador quântico básico transmite um único qubit de informação quântica.

O computador quântico consegue trabalhar com uma sobreposição de várias informações diferentes ao mesmo tempo. Ele poderia executar um algoritmo simultaneamente em um milhão de dados, usando uma quantidade em qubits igual à quantidade de bits que um computador convencional usaria para executar o mesmo algoritmo em um dado individual.
Simplificando; esse estado quântico aumenta muito a capacidade de manipulação das informações, permitindo que o computador quântico realize em frações de tempo o trabalho requerido pelos computadores convencionais.
Por exemplo: Estima-se que um computador comum levaria vários milhões de anos para decompor em fatores primos um número com mil algarismos. No entanto, o computador quântico levaria, para realizar a mesma tarefa, cerca de vinte minutos.

Até agora, apenas os elementos mais rudimentares dos computadores quânticos foram construídos: portas lógicas capazes de armazenar um ou dois qubits. A concretização de um computador quântico, mesmo de pequena escala, ainda está bem distante. Um problema chave é transferir dados quânticos com segurança entre diferentes portas lógicas ou processadores, seja em um único computador ou em redes.

Por Kléber Cavalcante
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola