Massa e Matéria

Massa e Energia as duas faces da Matéria  

A Estrutura da Matéria 

Nobel Prizes (2) - Marie Curie

Quando em 1905 Einstein apresentou a sua famosa fórmula E=m.c2, onde E=Energia, M=Massa e C a velocidade de propagação na energia eletromagnética no espaço livre, que na altura se mencionava como velocidade da luz visivel, não tinha a mais pequena ideia sobre fissão ou fusão nuclear !

A sua famosa equação  E=M.C2 que tambem pode ser representada como M=E/C2, indica que massa e energia parecem ser as duas caras da mesma moeda, as duas caras da matéria ! O E=M.C2 já se provou nos reactores nucleares e nas armas atómicas, falta agora, talvez o mais importante, conseguir o M=E/C2, pois parece que mais de 90% da matéria do Universo, existe sob a forma de energia, que talvez seja a  famosa matéria escura.

Quando um gerador elétrico de 100Kw (1Kw/h=3.6E6 joules) está produzindo energia, seja qual for a força motriz que o aciona, e de acordo com a fórmula de Einstein, está transformando M=100x3.6E6/9E16 da sua massa em energia, isto é a perder 4E-9 Kg por hora !

Moral da história, tudo o que produz energia, transforma massa em energia !


O Universo 

O Universo é constituído de matéria, radiação e algo denominado energia escura. A matéria do nosso mundo é constituída de átomos. Uma generalização dessa idéia para todo o Universo, no entanto, não é inteiramente correta. Certamente o Universo contém muitos átomos. Uma boa estimativa seria de 10E82 átomos. O Sol, a estrela mais próxima de nós, tem cerca de 10E58 átomos. Para entendermos por que a matéria pode ser composta por algo além dos átomos, devemos analisar os constituintes de tudo no Universo. 

Do que tudo é feito? 

A teoria atômica da matéria, proposta primeiramente pelos filósofos gregos, de- morou mais de 2000 anos para ser aceita. Sua aceitação só ocorreu depois de uma série de evidências observacionais que apontavam para a existência de diferentes elementos quí- micos gradualmente descobertos através de trabalhos árduos de muitos cientistas dentre os quais ressaltamos a Madame Marie Curie, duplamente laureada com o Prêmio Nobel. 

A tabela de Mendeleev surgiu da idéia de agrupar e classificar cerca de uma cen- tena de elementos considerando-se as afinidades e semelhanças observadas em reações químicas. Assim, no início do século XIX, os átomos eram tidos como os constituintes úl- timos da matéria, como sugerido pelos atomistas gregos. Não são, no entanto, infinitos.

Fig. 1.1 - O sol tem aproximadamente 10E58 átomos.Ele é constituido , portanto, de matéria ordináriua, principalmente Hidrogénio e Hélio. 

Desde a Grécia antiga há registros relativos aos conceitos de espaço, de tempo e do que seria a matéria. Os atomistas gregos, como Demócrito (460-370 a.C.), entendiam que tudo o que há no mundo seria composto por “átomos” que se movem no vazio. 

No entendimento de Demócrito haveria uma infinidade de átomos de formas diferentes, que combinados poderiam dar origem aos mais diversos objetos. Por outro lado, independentemente do número de átomos que formam um corpo, e da diversidade deles, todos os átomos seriam eternos, imutáveis e indivisíveis. Assim, se um corpo se decompõe, de uma forma ou de outra, os seus átomos poderiam ser reaproveitados na confecção de outros objetos.  

MECÂNICA BÁSICA 

Fig. 1.3 -Tabeça das Partículas Elementares

Com a grande profusão de partículas que aos poucos iam sendo descobertas, os cientistas passaram a desconfiar que os prótons, os mésons e os nêutrons seriam compostos por outras partículas: as Partículas Elementares.

Hoje sabemos que isso é verdade e que o número de partículas elementares é relativamente pequeno. No fundo são 12 fermiões (6 quaks + 6 leptões ) e 4 bosões (G+Y+Zo+W+ e W- e Ho)

O quadro ao lado apresenta todas as partículas elementares conhecidas. As partículas elementares são, de fato, os constituintes últimos da matéria. Muitas delas não são eternas nem imutáveis. Mas, até o ponto que sabemos, são indivisíveis.3 

Depois de muitas investigações levadas a efeito no início do século XX, chegou- se à conclusão de que os átomos são compostos por outras partículas denominadas de protões, neutrões e eletrões: os protões e neutrões formando o núcleo do átomos e os eletrões girando em torno do núcleo. Com o passar do tempo, no entanto, muitas outras partículas foram descobertas. Um físico brasileiro, César Lattes, contribuiu para a descoberta de uma dessas partículas a qual ficou conhecida como Méson Pi (lê-se meson pi).2 

Tabela de Mendelee

Assim, o nosso entendimento a respeito da estrutura da matéria é que as poucas partí- culas elementares participam da composição de outras partículas, como o próton e o nêutron, e essas partículas compõem os átomos. Os átomos formam todos os objetos do nosso mundo.

Propriedades da Matéria 

Hoje definimos matéria como tudo aquilo que é composto por partículas elemen- tares dotadas de massa. Com isso, ampliamos para quatro as variedades de matéria: A matéria ordinária (aquela composta a partir dos átomos), a matéria escura, a matéria ba- riômioca e a anti-matéria. O nosso mundo, e tudo que existe no sistema solar, é constitui- do apenas de matéria ordinária. As demais variedades se encontram , por exemplo, em estrelas de neutrons (a matérioa barionica) ou gravitando em torno do centro das galáxias (a matéria escura). Não temos evidencias para a existencia de quantidades apreciáveis de anti-matéria no Universo. 

 MATÉRIA E MASSA 

A matéria exibe algumas propriedas as quais serão abordadas a se A matéria ocupa um lugar no espaço. Dizemos que ela ocupa um certo volume no espaço. A relação entre sua massa e o volume que ocupa define a densidade do corpo material. 

A matéria se agrega. Isso ocorre como resultado das forças eletromagnéticas e gravitacionais. A força gravitacional produz grandes aglomerados de matéria. A Terra, os demais planetas e os cometas são exemplos de aglomerados com massas relativamente pequenas, incapazes, por isso, de emitir luz própria. A situação já é diferente no caso das estrelas, dotadas de massas bem maiores. A tendência de aglomeração não pára aí. Persis- te no nível de grandes aglomerados, como as galáxias, que contêm tipicamente 1011 sóis., bem como de aglomerados das mesmas. 

A matéria é neutra, do ponto de vista da carga elétrica 

 Massa 

Quando se diz que um objeto tem massa queremos dizer que ele tem a capacidade de atrair outros objetos exercendo sobre eles uma força. Essa força é atrativa e recebe o nome de força gravitacional. Como descobriu Newton, a força gravitacional é diretamen- te proporcional à massa dos objetos que se atraem. 

Usualmente, a matéria é definida como qualquer aglomerado de átomos. Com a percepção de que o átomo é, ele mesmo, um aglomerado de partículas, esta definição foi generalizada para designar matéria como qualquer aglomerado de partículas que possuam massa. Hoje temos evidências para suspeitar que apenas uma fração da matéria do Universo, de cerca de 5%, seja composta por átomos. A maior parte da matéria no Universo é composta por partículas elementares que não entram na composição dos átomos. Dentre essas partículas estariam os neutrinos massivos. 

Outra propriedade importante, no que tange à matéria, diz respeito à equivalência entre a quantidade de matéria deter- minada pela sua massa e o equivalente dessa quantidade em energia. Trata-se da famosa relação entre massa e energia (E=mc2). Assim, em processos físicos nos quais há perda de massa, haverá, necessariamente, liberação de uma certa quan- tidade de energia. Com esta descoberta, abriu-se o caminho para a exploração (para o bem ou para o mal) de novas fontes de energia.4 

MECÂNICA BÁSICA 

Podemos estabelecer uma teoria para explicar por que os objetos têm massa? Temos uma teoria, que associa as massas a uma propriedade do vácuo. No vácuo ,o campo de Higgs teria orientações ao acaso, como no caso do campo magnético num ferromagne- to. A massa das partículas estaria, assim, associada à quebra expontanea de simetria por parte do estado fundamental: o vácuo. 

No entanto, essa teoria não confirmada até o momento, experimentalmente. Assim, não dispondo de uma boa alternativa, dizemos que não sabemos explicar as massas das diversas partículas, e por isso massa é um conceito fundamental, um conceito primitivo. 

Apesar de não sabermos com precisão a origem das massas dos constituintes da matéria, o fato é que podemos medi-la. Como todo processo de medida, medir massas significa comparar a massa do objeto com uma unidade (ou fração) de massa padrão. No processo de medida empregamos a força gravitacional exercida sobre ele. Ao comparar massas, estamos comparando forças gravitacionais. 

Medições de Massa 

Medição de massa com precisão, assim como de tempo e de distância, é um de- safio tecnológico e científico no mundo atual. A metrologia é um ramos das ciencias. No caso da medição de massa, ela é importante também do ponto de vista econômico. 

No Brasil, as questões relativas à Metrologia, tais como a padronização, a disseminação das unidades de medida aceitas universalmente e a certificação de calibrações de acordo com normas internacionais, cabem a Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial, mais conhecido pela sigla INMETRO. 

MATÉRIA E MASSA 

Vamos imaginar uma indústria que indique na embalagem que o seu conteúdo corresponde a 300g de um certo produto. Se a máquina de empacotar cometer um erro de 10% e colocar 330g, a indústria terá um prejuízo de 10% no valor das suas vendas. Se colocar menos terá prejuízos na sua imagem, além de eventuais ações na justiça por violação do código do consumidor. O ideal é ter, portanto, exatamente 300g, como cons- ta na embalagem. Por isso, saber medir com precisão é fundamental nos dias de hoje. 

Ao utilizarmos uma balança de pratos, ou balança romana, estaremos comparando duas forças gravitacionais: aquela exercida pela Terra (como um todo) sobre o objeto cuja massa se quer medir e a outra exercida pela Terra sobre os pesinhos, cujos valores são previamente conhecidos (ou definidos) a partir de uma unidade padrão. 

Massas de objetos extremamente pequenos podem ser medidas a partir de espectrógrafos de massa. Ainda se investiga, e com grande interesse, uma “balança” de moléculas de altíssima precisão.5 

As massas dos corpos celestes são inferidas a partir dos efeitos do campo gravitacional que eles geram. Como se pode inferir a massa, por exemplo, de um Buraco Negro quando esse objeto nem sequer pode ser visto? 

Ao utilizarmos como padrão o quilograma e ao medirmos a massa de um objeto estaremos, como em todo processo de medida, comparando a massa de um objeto com Fig1.7 O kilograma pa- uma massa (os pesos na balança) que pode ser expressa em termo do quilograma-padrão.drão. 

Tonelada (ton) Quilograma (kg) Grama (g) Miligrama (mg) Micrôgrama (mg) 

1ton = 1E3kg 1kg = 1000g 1g = 1E-3kg 1mg = 1E-6kg 1mg = 1E-9kg 

Não podemos utilizar balanças quando pretendemos medir massas de alguns objetos ou a massa dos corpos celestes. Por exemplo, como podemos medir a massa de uma molécula se não temos facilidade para manipulá-la? 

MECÂNICA BÁSICA 

Unidade de Massa 

A unidade de massa do sistema internacional de unidades é o quilograma, abre- viado por kg, que é definido como a massa do protótipo internacional depositado no Bureau Internacional de Pesos e Medidas, em Sèvres, na França. 

Outras unidades de massa, e que são derivadas do quilograma, são: 

Estas são as unidades de massa mais usuais no dia-a-dia no Brasil. Em países de origem inglesa é comum usar outras unidades de massa (a libra, por exemplo).6 

Medir a massa ou o peso? 

Você já deve ter usado a expressão: “quanto pesa este pacote de tomates?” e ouvir a resposta “um quilo”. A força peso é medida em quilograma-força (kgf), em newton (N), em dina (dyn) etc. e a massa, em quilograma (kg), grama (g) etc. Mas, no dia-a-dia, é comum essa mistura de unidades e pareceria estranho perguntarmos “quanto é a massa desse pacote de tomates?” Nem se espera que o vendedor responda corretamente sobre o peso “um quilograma-força”. 

A força peso é uma grandeza física distinta da grandeza massa. No entanto, como a força peso é o produto da massa pela aceleração da gravidade, pode-se assim inferir a massa a partir da força peso. Essa relação entre peso e massa acarreta uma certa confusão e, por isso, às vezes se troca, erroneamente, um conceito pelo outro. 

As balanças digitais, por exemplo, permitem inferir a massa através da medida direta da força peso. As balanças romanas comparam forças pesos. 

Escalas de Massa 

Os objetos existentes no Universo possuem massas, cujas medidas refletirão uma enorme variação. Isto porque não há limite para se agregarem mais átomos a um dado corpo sólido ou líquido. Por exemplo, a massa do Sol em quilogramas é: 1,98E30 kg. Por outro lado, as partículas elementares têm as menores massas dentre todos os corpos no Universo. As massas do elétron e do próton são diminutas: 9,1E-31 kg e 1,7E-27 kg respectivamente. Esses exemplos extremos ilustram a enorme variação dos valores das massas de objetos existentes no universo.