Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Física de partículas


A física de partículas é um ramo fascinante da ciência que busca entender os componentes fundamentais do universo. Embora possa parecer complexo, basicamente envolve o estudo das menores partes da matéria e das forças que as controlam. O objetivo deste campo ambicioso é responder a algumas das questões mais profundas sobre a natureza do universo. Abaixo, exploraremos os conceitos-chave da física de partículas, explicaremos sua importância e veremos como ela se encaixa no quadro mais amplo da física.

O que são partículas?

Em suma, partículas são os blocos de construção de tudo ao nosso redor. Elas são as menores unidades conhecidas de matéria e energia. Os átomos, que antes eram considerados as menores unidades de matéria, são compostos por partículas ainda menores - prótons, nêutrons e elétrons. Mas a física de partículas vai ainda mais fundo, explorando os subcomponentes dos prótons e nêutrons, conhecidos como quarks, além de outras partículas elementares.

Elétrons Próton Nêutron Átomos

Partículas elementares

Partículas elementares são partículas que não possuem subestrutura; isto é, elas não são compostas por partículas menores. A compreensão atual dessas partículas é explicada principalmente pelo Modelo Padrão da física de partículas. De acordo com o Modelo Padrão, partículas elementares podem ser classificadas em dois grupos: férmions e bósons.

Férmions

Férmions são os blocos de construção da matéria. Eles obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, o que significa que dois férmions não podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo. Férmions são divididos em quarks e léptons.

  • Quarks: Os blocos de construção de prótons e nêutrons. Existem seis tipos ou "sabores" de quarks: cima, baixo, charme, estranho, top e bottom.
  • Léptons: Inclui elétrons e neutrinos. Alguns léptons bem conhecidos são o elétron, múon e tau.

Bósons

Bósons são portadores de força que não obedecem ao princípio da exclusão de Pauli. Estes incluem partículas como fótons, glúons, bósons Z e W, e o bóson de Higgs. Cada uma dessas partículas é responsável por mediar uma das forças fundamentais da natureza.

  • Fóton: Portador da força eletromagnética.
  • Glúon: Portador da força forte, que mantém os núcleos dos átomos unidos.
  • Bósons Z e W: Mediam a força nuclear fraca, responsável pelo decaimento radioativo.
  • Bóson de Higgs: Associado ao campo de Higgs, dá massa a outras partículas.

Quatro forças fundamentais

A interação entre partículas é governada por quatro forças fundamentais. Cada uma dessas forças possui um alcance e uma intensidade diferentes e é governada por diferentes partículas.

  1. Gravidade: A mais fraca, mas de maior alcance. A gravidade afeta partículas maiores e é conhecida como a força que controla corpos celestes.
  2. Força eletromagnética: Atua entre partículas carregadas e é controlada por fótons. É responsável pela eletricidade, magnetismo e luz.
  3. Força nuclear forte: A força mais forte que mantém prótons e nêutrons unidos dentro dos núcleos atômicos. É controlada por glúons.
  4. Força nuclear fraca: Responsável por alguns tipos de decaimento radioativo. É mediada pelos bósons W e Z.
Eletromagnética Forte Fraca Gravidade

Entendendo o Modelo Padrão

O Modelo Padrão da física de partículas é uma estrutura teórica bem testada que descreve as forças eletromagnética, fraca e nuclear forte. É uma teoria rica em verificação experimental e poder preditivo. Apesar de seus sucessos, não inclui a gravidade, que é descrita pela teoria da relatividade geral.

O Modelo Padrão agrupa as partículas fundamentais em uma tabela de partículas que classifica e explica suas interações.

| Partícula | Categoria |
|----------|----------|
| Quark    | Férmion  |
| Léptons  | Férmions |
| Bóson de calibre | Bóson |
| Bóson de Higgs | Bóson |

Aplicações da física de partículas

As percepções obtidas a partir da física de partículas têm aplicações práticas em muitos campos, incluindo técnicas de imagem médica como exames PET, o desenvolvimento da World Wide Web no CERN e avanços na ciência dos materiais. Técnicas desenvolvidas para aceleradores de partículas e detectores frequentemente encontram aplicações além do campo da pesquisa em física.

Aceleradores de partículas

Para estudar partículas, os cientistas usam aceleradores de partículas, que são grandes máquinas que aceleram partículas a velocidades muito altas e as fazem colidir umas com as outras. Isso pode produzir novas partículas e revelar novas informações sobre sua natureza.

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) no CERN é o maior e mais poderoso acelerador de partículas do mundo. Desempenhou um papel fundamental na descoberta do bóson de Higgs.

O LHC Colisor Partícula

Exemplos de física de partículas em ação

Quando olhamos ao nosso redor, descobrimos que tudo é feito de átomos, que por sua vez são compostos por partículas subatômicas. Considere um copo de água: é feito de moléculas de água, cada uma contendo dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Esses átomos são compostos por prótons, nêutrons e elétrons. Analisando ainda mais, a cromodinâmica quântica (QCD), uma teoria dentro do quadro do modelo padrão, nos mostra que prótons e nêutrons são compostos por quarks que estão unidos por glúons.

Essa jornada microscópica na física de partículas revela a natureza complexa, mas belamente ordenada, do universo. Os padrões notavelmente ordenados observados nas menores escalas espelham a mecânica do universo maior que compreendemos, provando a profundidade do alcance da física de partículas tanto em pensamento quanto em tecnologia.

Desafios e futuro da física de partículas

O campo da física de partículas fez grandes avanços, mas muitas perguntas ainda permanecem sem resposta. Por exemplo, a unificação da gravidade com os princípios da teoria quântica de campos, na qual o Modelo Padrão se baseia, continua sendo uma área ativa de pesquisa. Além disso, a natureza da matéria escura e da energia escura, que são uma parte significativa do universo, ainda é desconhecida.

Mais progressos podem ser feitos estudando as massas dos neutrinos, a hipótese da supersimetria e potencialmente descobrindo novas partículas. Os físicos de partículas buscam continuamente encontrar respostas para esses mistérios que ampliam os limites do conhecimento humano.

Conclusão

A física de partículas, embora complexa, é um campo essencial que avança nossa compreensão do universo. Trata das questões mais fundamentais, influencia os avanços tecnológicos e abre novas vias de investigação tanto na física teórica quanto experimental. Ao investigar as partículas e forças mais elementares, os pesquisadores continuam a iluminar a complexa tapeçaria do universo, levando a uma compreensão mais profunda do reino físico.


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