QUARTO ESTADO DA MATÉRIA
Os Sóis do Universo são feitos de PLASMA
GASOSO.
Plasma é o nome que se dá ao QUARTO
ESTADO DA
MATÉRIA.
“Temos
ao lado uma ilustração da estrela Cygnus que é um
grande SOL composto de PLASMA de hidrogênio sendo SUGADO por um BURACO NEGRO
cuja massa é 6 vezes maior que a do NOSSO SOL.” (Prof. Antonio}
O plasma é com frequência
chamado o quarto estado da matéria, ao lado dos estados sólido, líquido e gasoso. Ele é criado quando
um gás é superaquecido e os elétrons se rompem, deixando partículas
eletricamente carregadas.
Conforme a temperatura aumenta, o movimento dos átomos
do gás torna-se cada vez mais enérgico e frequente,
provocando choques cada vez mais fortes entre eles. Como resultado
destes choques, os elétrons começam a se separar. “Basta lembrar da Teoria
Cinética dos Gases”( Prof
Antonio)
No seu conjunto, o plasma é neutro, já que contém uma quantidade igual de partículas
carregadas positiva e negativamente. A interação destas cargas dá ao plasma uma
variedade de propriedades diferentes das dos gases.
O plasma "ideal" com as partículas atômicas completamente divididas
corresponde a uma temperatura de várias dezenas de milhões de graus. Em todos
os lugares onde a matéria está extraordinariamente quente, ela encontrasse no
estado plásmico.
Porém, o estado plásmico
de uma substância gasosa pode surgir a temperaturas relativamente baixas de
acordo com a composição do gás. A chama de uma vela e a
luminescência de uma lâmpada fluorescente são alguns exemplos.
O plasma aparece naturalmente no espaço interestelar e em atmosferas
do Sol e de outras estrelas. Porém, ele também pode ser criado em
laboratório e pelo impacto de meteoros .
O "quarto estado da matéria", em extensão
aos estados sólido, líquido e gasoso (esta descrição foi usada primeiramente
por William Crookes em 1879). A ilustração abaixo mostra como a
matéria muda de um estado para outro à medida que se fornece energia térmica à
mesma.
Os plasmas possuem todas as propriedades dinâmicas dos fluidos, como
turbulência, por exemplo. Como são formados de partículas carregadas livres, plasmas conduzem eletricidade. Eles tanto geram como sofrem a
ação de campos eletromagnéticos, levando ao que se chama de efeito coletivo. Isto significa
que o movimento de cada uma das partículas carregadas é influenciado pelo
movimento de todas as demais. O comportamento coletivo é um conceito
fundamental para a definição de plasmas.
Quando a matéria está sob a forma de plasma, temos que a temperatura em que
ela se encontra é tão elevada que a agitação térmica de seus átomos é enorme, de forma que chega a sobrepor a força que mantém unidos ao núcleo os
prótons, nêutron e elétrons.
Apesar de dificilmente
ser conseguido o estado de plasma
na Terra, os cientistas
estimam que cerca de 99% de toda a matéria existente
no universo esteja sob a
forma de plasma. Uma vez que o plasma possui elétrons capazes de
mover-se livremente, ele possui propriedades fantásticas, como a de um ótimo condutor
de eletricidade e calor. Ele possui também formas
extremamente particulares de interação com campos magnéticos e com ele
mesmo. Como seus elétrons se movem livremente em seu interior, existe uma
corrente elétrica dentro do plasma
que gera, pela Lei de Ampère, um campo magnético.
Estes elétrons também se movem em círculos de acordo com um campo magnético
próprio do plasma, e para o caso da temperatura do plasma ser muito elevada, este movimento
circular dos elétrons pode causar a emissão de ondas eletromagnéticas. Os
campos magnéticos associados ao plasma
podem ser extremamente intensos, como se pode notar no caso do Sol, onde os
campos magnéticos do plasma são responsáveis pelas colunas de
convecção de calor, dando origem a manchas solares, ventos solares etc. [47]
QUINTO ESTADO da
MATÉRIA: “Essa definição surgiu após o aprofundamento no estudo
das manifestações quânticas de
aglomerados moleculares em codições extremas de temperatura
baixíssimas e próximas ao ZERO ABSOLUTO.”(Prof. Antonio)
Vimos até agora que há
QUATRO estados da matéria distintos: Sólido, Líquido, Gasoso e Plasma, porém o
avanço das pesquisas em física quântica tem revelado outras facetas da matéria.
Com
equipamentos limitados, grupo da USP em São Carlos chega perto de obter o quinto estado da matéria
- o Condensado de Bose-Einstein
- Em meio a uma nuvem
gasosa com 10 mil partículas elementares de sódio, lá estavam eles:
aproximadamente mil átomos, empilhados uns em cima dos outros, a uma
temperatura de 70 bilionésimos de grau acima do zero absoluto, 0 Kelvin (equivalente a
Físicos da
Universidade de São Paulo (USP) acreditam ter produzido um Condensado de
Bose-Einstein, nome dado a um agrupamento de átomos (ou moléculas) que, quando
resfriados de forma intensa, passam a se comportar como uma entidade única.
É como se,
de tão juntos, os átomos nessa fase da matéria formassem, na verdade, apenas um
superátomo, estando praticamente imóveis e ocupando o
mesmo espaço físico.
"Ainda
não detectamos diretamente o condensado", afirma Vanderlei Bagnato, do Instituto de Física de São Carlos (IFSC), da
USP, coordenador do experimento, realizado no âmbito de um projeto temático
financiado pela Fundação de Amparo á Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).
"Mas as evidências indiretas são convincentes."
Mundo não
compreendido
Estado da
matéria previsto na década de 1920 pelo físico indiano Satyendra
Bose e por Albert Einstein (daí o seu nome), o condensado abre as portas para
um mundo ainda não muito bem compreendido. Nele, todos os átomos se movem a uma
mesma velocidade, a mais baixa possível - ou, numa definição mais técnica,
ocupam o mesmo nível basal de energia quântica.
Essa
propriedade não é encontrada em outros estados da matéria (sólido, líquido, gás
ou plasma), nos quais os átomos apresentam variados níveis de energia. Os
físicos especulam que tal característica pode ser útil para futuras aplicações
em campos como a computação quântica ou novas formas de lasers.
Durante sete
décadas, esse estado da matéria foi apenas um conceito. Em 1995, dois grupos
independentes, um da Universidade do Colorado e outro do Instituto de
Tecnologia de Massachusetts, criaram os primeiros
condensados, de rubídio e sódio. O feito levou-os a dividir o prêmio Nobel de
Física em 2001.
Sinal confiável
Por
enquanto, o sinal mais confiável de que uma parte da fria nuvem de sódio criada
em São Carlos deixou a física clássica e penetrou no mundo quântico é o espaço
ocupado por uma fração de seus átomos - a fração que os cientistas julgam
compor o condensado. A medida da chamada densidade no espaço de fase é um
parâmetro usado pela física para classificar a matéria quântica. "Segundo
esse parâmetro, nossa amostra apresenta o condensado", diz Bagnato.
Quanto menor
o tamanho de uma nuvem gasosa confinada, menor a sua quantidade de energia e,
portanto, mais baixa a sua temperatura.
Os
pesquisadores tiraram, então, uma espécie de fotografia digital dos átomos do
condensado e mediram o seu tamanho? Não exatamente. Na verdade, eles iluminaram
com um laser a nuvem de átomos de sódio e observaram a formação de penumbras.
Onde havia
átomos, ocorreram a absorção de luz e a geração de sua
respectiva sombra. Em seguida, obtiveram um registro dessa sombra em sensores
eletrônicos similares aos de uma câmera digital. Dessa forma indireta, mediram
o tamanho da nuvem de átomos e de um eventual condensado que pudesse estar ali.
Mundo não
compreendido
Depois de
ter realizado os procedimentos descritos acima, a equipe do IFSC concluiu que o
tamanho de todos os 10 mil átomos da nuvem de sódio produzida em seu
laboratório alcançava em média 6 micrômetros (um metro
dividido em um milhão de pedaços é um micrômetro).
Já o tamanho
específico dos mil átomos que formam o aparente condensado era em torno de 2 micrômetros. De acordo com as medidas feitas pelos
pesquisadores, um agrupamento de átomos de sódio de tal grandeza está a uma
temperatura de 70 nanoKelvin,
os tais 70 bilionésimos de grau acima do zero absoluto.
Nas
condições do experimento levado a cabo, átomos nessa temperatura e com a
densidade medida já atingiriam a degenerescência quântica, formando um
Condensado de Bose-Einstein.
Eles não
sabem ao certo quantos átomos chegaram a esse estado da matéria. Calculam que
sejam cerca de mil. Problema: esse tipo de evidência não basta para provar que
ali havia um condensado. "É necessário ver explicitamente a fração de
átomos condensados", explica Bagnato.
Limites dos equipamento
Devido ao
reduzido número de átomos utilizados no experimento (hoje há grupos no exterior
fazendo condensados com bilhões de átomos) e a limitações próprias das máquinas
usadas pelos pesquisadores paulistas, não foi possível observar de forma direta
os átomos do condensado, medição que comprova, inequivocamente, a sua
existência.
Faltou fazer
o chamado teste do tempo de vôo dos átomos, que, dentro da nuvem gasosa,
permite separar as partículas que atingiram a degenerescência quântica - e
formam um condensado - das que não chegaram a esse ponto. "Fomos até o
limite dos equipamentos, mas não deu para fazer o tempo de vôo", afirma
Luis Gustavo Marcassa, outro pesquisador do IFSC.
Em que
consiste esse teste? Os cientistas desligam toda a parafernália que resfria a
nuvem de átomos de sódio e têm entre 5 e 15 milissegundos para registrar a energia cinética (a
velocidade) das partículas presentes no gás diluído. A partir dessa medição,
inferem a sua temperatura.
Quando
existe um condensado em meio a uma nuvem gasosa, o teste de tempo de vôo
resulta numa figura que lembra uma montanha com um pico bem agudo. Tal figura
ainda não foi gerada.
"Algum
tipo de contaminação do meio externo deve ter interferido no experimento
deles", opina o físico teórico Mahir Saleh Hussein, da USP da capital paulista. Bagnato acredita que as limitações se devem a campos
magnéticos externos que deslocam os átomos.
O problema deverá ser contornado se os pesquisadores conseguirem fazer um condensado com mais átomos, provavelmente com outro tipo de equipamento, já em construção.
SEXTO
ESTADO DA MATÉRIA
Cientistas
descobrem novo estado da matéria
Patrick Barry e Tony
Phillips
Da Nasa
Aprendemos até agora que existem CINCO estados da matéria:sólido,
líquido, gasoso, plasmático e condensado de Bose-Einstein
Mas isso sequer nos conta a metade da verdade. O número de estados existentes é
de no mínimo seis: sólido, líquido, gasoso, plasmático, condensado
Bose-Einstein e um novo estado conhecido
como "condensado fermiônico", que acaba de ser
descoberto por pesquisadores financiados pela Nasa. "É um momento muito
emocionante", diz Debora Jin,
física da Universidade do Colorado e do Instituto Nacional de Padrões e
Tecnologia (NIST) norte-americano, que liderou a equipe científica que produziu
o primeiro condensado fermiônico, em dezembro de
2003. "Minha equipe esteve trabalhando com enorme afinco, nos últimos
meses. A emoção de um grande avanço e a competição para sermos os primeiros
foram grandes incentivos".
A maior parte dos alunos de segunda série é capaz de recitar as propriedades
dos sólidos, líquidos e gases. Os sólidos resistem à deformação. São rígidos e
podem ser esmagados. Os líquidos fluem, são difíceis de comprimir e assumem a
forma de seu recipiente. Os gases são menos densos, são fáceis de comprimir e
não só assumem a forma de seu recipiente como se expandem para preenchê-lo completamente.
O quarto estado da matéria, o plasmático, se assemelha ao gasoso, e é composto
de átomos que se dividiram em íons e elétrons. O Sol é feito de plasma, e o
mesmo vale para a maior parte da matéria presente no universo. O plasma em
geral tem temperatura muito elevada, e é possível conservá-lo em frascos magnéticos.
O quinto estado da matéria, o condensado Bose-Einstein (BEC), descoberto em
1995, aparece quando cientistas refrigeram partículas conhecidas como bósons a
temperaturas muito baixas. Os bósons refrigerados se fundem para formar uma superpartícula unificada que se comporta mais como onda do
que como um grão normal de matéria. Os BEC são frágeis, e a luz viaja muito
lentamente em seu interior. Agora, temos os condensados fermiônicos,
tão novos que a maior parte de suas propriedades básicas continua desconhecida.
Certamente são frios. Jin criou a substância ao
resfriar uma nuvem de 500 mil átomos de potássio-40 para menos de um
milionésimo de grau acima do zero absoluto. E eles provavelmente fluem sem
viscosidade. Mas, isso excetuado, os pesquisadores estão apenas começando a
descobrir as demais características.
"Quando se descobre um novo estado da matéria", aponta Jin, "sempre demora um pouco para compreendê-lo".
Os condensados fermiônicos são parentes do BEC. Ambos
são compostos de átomos que coalescem, em
temperaturas muito baixas, para formar um objeto único. Em um BEC, os átomos
são bósons. Em um condensado fermiônico, os átomos
são férmions.
Qual é a diferença?
Os bósons são sociáveis, gostam de se reunir. Como regra geral, qualquer átomo
com um número par de elétrons mais prótons mais nêutrons é um bóson. Assim, por
exemplo, os átomos comuns de sódio são bósons, e podem se fundir e criar um BEC.
Os férmions, por outro lado, são anti-sociais. O "Princípio de Exclusão de
Pauli", um dos fundamentos da mecânica quântica,
os proíbe de se reunirem no mesmo estado quântico. Qualquer átomo com número
ímpar de elétrons mais prótons mais nêutrons é um férmion, como o potássio-40.
A equipe de Jin descobriu uma maneira de contornar o
comportamento anti-social dos férmions. Usou um campo magnético cuidadosamente
aplicado para agir como "Cupido", passível de sintonia extremamente
fina. O campo faz com que os átomos solitários encontrem pares, e a força
dessas combinações pode ser controlada por meio de ajustes no campo magnético.
Os átomos de potássio emparelhados de maneira fraca retêm parte de seu caráter fermiônico, mas também se comportam um pouco como bósons.
Um par de férmions pode se fundir com outro par -e
outro, e outro-, em um processo cujo produto final é um condensado fermiônico.
Jin suspeita que o sutil emparelhamento dos átomos em
um condensado fermiônico seja o mesmo fenômeno de
emparelhamento constatado no hélio 3, um superfluido.
Os superfluidos fluem sem viscosidade, de modo que os
condensados fermiônicos deveriam fazer o mesmo.
Um fenômeno estreitamente aparentado é o da supercondutividade. Em um
supercondutor, elétrons emparelhados (os elétrons são férmions) podem fluir com
resistência zero. Existe intenso interesse comercial nos
supercondutores, que poderiam ser usados para produzir eletricidade mais barata
e limpa e na construção de maravilhas de alta tecnologia como trens de
levitação e computadores ultravelozes. Infelizmente,
é difícil manipular e estudar os supercondutores.
Os condensados fermiônicos poderiam ajudar.
O maior problema dos supercondutores atuais é que
"A força do emparelhamento em nosso condensado fermiônico,
ajustada em termos de massa e densidade, corresponderia à de um supercondutor
operando em temperatura ambiente", afirma Jin.
"Isso faz com que eu seja otimista quanto à possibilidade de que os
fundamentos físicos que aprendemos através dos condensados fermiônicos
ajudarão outros estudiosos a projetar materiais supercondutores mais práticos".
A Nasa tem muitos usos para os supercondutores. Por exemplo, os giroscópios que
mantêm a orientação dos satélites poderiam usar mancais sem fricção, feitos de
imãs supercondutores, o que aumentaria sua precisão. Além disso, como os
supercondutores são capazes de portar o mesmo volume de corrente que um fio de
cobre, mas em um cabo muito fino, os motores elétricos a bordo de espaçonaves
poderiam ser de quatro a seis vezes menores do que os atuais, economizando
espaço e peso preciosos.
Outros especulam que os semicondutores poderiam desempenhar um papel em uma
base lunar permanente, como a anunciada recentemente pelo presidente Bush em seu
discurso sobre a futura exploração espacial tripulada. Os supercondutores seriam a escolha natural para geração e transmissão de
energia com enorme eficiência, porque a temperatura ambiente despenca para
Lua. Marte. Não se pode sequer imaginar para onde os condensados fermiônicos nos levarão. Mas com certeza para além da
escola secundária.
Nota do editor: o texto menciona seis estados da matéria: sólido,
líquido, gasoso, plasmático, BEC e condensado fermiônico.
Os físicos debatem esse total. Seria possível acrescentar diversos outros
estados, como os cristais líquidos, os vidros, os ferromagnetos,
os paramagnetos e outros, à lista. Será que os
condensados fermiônicos integram mesmo a lista dos
estados da matéria? Ou seriam apenas uma subdivisão
menos importante, como os cristais líquidos? A pergunta será respondida nos
próximos meses e anos, à medida que os pesquisadores aprenderem mais sobre as
propriedades dos férmions coalescentes.