Física Quântica

O QUE É REALMENTE FÍSICA QUÂNTICA E COMO ELA INFLUI EM NOSSA VIDA?

    A Física Quântica está presente na vida humana e em seu progresso tecnológico. Os aparelhos eletrônicos que utilizamos são resultado dos estudos e investigações baseados na Física Quântica. A Física Quântica é a chave para várias inovações tecnológicas e para entender mistérios de nossa vida e do Universo.

    Para se aprofundar mais sobre esse conhecimento, acompanhem essa matéria com as seguintes informações:

1. Como se descobriu a existência da Física Quântica?

   Há pouco mais de um século, cientistas tinham dificuldade para explicar propriedades relacionadas à luz. Um exemplo disso é quando eles, ao investigarem sobre a radiação emitida por gases dentro de uma lâmpada de descarga elétrica, ao observarem o efeito com um prisma, notaram que essa radiação tinha linhas coloridas bem definidas e eles não sabiam a razão. Nesse momento o físico dinamarquês Niels Bohr entrou na história, explicando que a resposta estaria no comportamento dos átomos do gás da lâmpada.

    Segundo Niels Bohr, os átomos seriam compostos por um núcleo orbitado por elétrons, em uma estrutura similar àquela do sistema solar, com uma particularidade: os elétrons só poderiam circular nas órbitas adequadas ao seu nível de energia.

     Quando essas pequenas partículas do gás enfrentavam colisões, seus elétrons ganhavam energia e pulavam para outra órbita mais energética do átomo. Depois de um tempo, o elétron retornaria ao seu nível inicial de energia, liberando a parte “extra” que havia adquirido na forma de fóton ou seja, partícula da luz.

     A explicação para as linhas coloridas é que quando um elétron volta do nível de energia maior do que seu habitual, ele emite a energia que ganhou para conseguir fazer esse deslocamento. No caso dos gases da lâmpada, a energia “extra” foi emitida na forma de fótons, que geraram as linhas coloridas vistas pelos cientistas.

   Essa energia que é emitida em quantidades mínimas não pode ser subdividida e corresponde exatamente à diferença entre os dois níveis de energia, e disso surgiram as cores. Esse “pacote” de energia recebeu o nome de quantum.

2. A História da Física Quântica

      A Física Quântica surgiu para explicar a natureza daquilo do que existe de menor: as partículas da matéria, pois, a física clássica só tem explicação para tudo que é maior do que um átomo e está sujeito às leis físicas, como: inércia, gravidade, ação e reação, etc.

       Tudo começou em 1900, quando o físico alemão Max Planck fez surgir a ideia de que a energia era enviada em “pacotes” chamados Quanta.

       Em 1905, Einstein explicou o efeito fotoelétrico baseado na investigação da luz, ou mais especificamente da radiação electromagnética, que pode ser dividida num número finito de “quanta de energia”, que são como pontos no espaço.

      Em 1913, Niels Bohr explicou, em seu artigo Sobre a Constituição de Átomos e Moléculas, as linhas espectrais do átomo de hidrogênio, utilizando a ideia dos quanta. A expressão “Física quântica” foi usada pela primeira vez em O Universo à Luz da Física Moderna, de autoria Max Planck, no ano de 1931.

     Em 1924, o físico francês Louis-Victor de Broglie evidenciou a teoria de ondas da matéria, afirmando que as partículas podem exibir características de onda e vice-versa. Baseado nessa ideia e nas investigações de Broglie, nasceu a mecânica quântica moderna em 1925, quando os físicos alemães Werner Heisenberg e Max Born desenvolveram a mecânica matricial e o físico austríaco Erwin Schrödinger inventou a mecânica de ondas e a equação de Schrödinger não relativista.

     Em 1926, a denominação Quanta de energia recebeu o nome de fótons, termo introduzido por Gilbert N. Lewis.

3. Contribuições práticas da Física Quântica

     Em termos tecnológicos, a Física Quântica contribuiu com várias descobertas e invenções, tais como: 

notebook, smartphone, transistores, laser, semicondutores, aparelhos eletrônicos, aparelho de ressonância magnética, chip, estudos de engenharia genética, etc.

4. Mundo quântico

      Exemplos de como a Física Quântica faz parte de nosso mundo:

      Nosso corpo é quântico, pois, é formado por pequenas partículas.

     O aparelho de ressonância magnética é um exemplo que resulta da física quântica. Esta máquina gera um campo magnético que agita os níveis de energia dos elétrons das moléculas de água presentes no cérebro. A máquina detecta esse efeito e reproduz uma imagem equivalente.

   Os lasers, que possuem várias aplicações na área da saúde, utilizados em exames e cirurgias, também têm seu funcionamento baseado nas leis quânticas. Este aparelho “amplifica e canaliza” os fótons liberados pelos elétrons que decaem de nível de energia gerando o feixe de luz.

      Graças aos processos quânticos pode-se utilizar a energia solar como iluminação, através de painéis solares.

      A reações ocorridas para produzir energia nuclear é objeto de estudo da Física Quântica.

    Computadores e smartphones, foram inventados seguindo os os princípios da mecânica quântica em seus circuitos elétricos

    O processador desses equipamentos é feito de silício, no qual a distribuição do elétron é em forma de onda o que faz parte dos estudos e experimentações da mecânica quântica.

5.  As bases da Física Quântica

   A Física Quântica se baseia na incerteza, probabilidades e experimentações, com instrumentos para compreender o funcionamento da natureza.

     O próprio Albert Einstein custou a aceitar essa ideia pois, para ele, a Física Quântica era falha, levando-o a dizer que: “Deus não joga dados com o universo”.

  Niels Bohr em defesa da Física Quântica, contestou a crítica de Albert Einstein, respondendo: “Pare de dizer à Deus o que fazer”.

      Através de investigações, os cientistas chegaram à conclusão que os elétrons têm tantas opções de lugares onde podem estar, que eles não escolhem apenas uma delas.

   Entretanto, algo curioso acontece quando os físicos investigam a localização dessa partícula. Ao ser observada, ela se vê forçada a escolher uma só localização. Para entender melhor esse comportamento do elétron, é como se fosse uma sala de aula sem o professor, os alunos saem do lugar e vira uma agitação, mas quando o professor abra a porta, cada aluno volta para o seu lugar.

     Analogamente, quando ninguém está observando, os elétrons ficam agitados e não param quietos, mas quando se vai verificar, eles assumem um lugar. Recordando que “descobrir a posição” do elétron, na realidade é deduzir a posição mais provável dele estar. Esse princípio tem o nome de sobreposição, no qual o estado da partícula se refere à sobreposição de possibilidades, até que alguém o obrigue a escolher uma delas.

     Em relação a isso, Einstein comentou: “Gosto de pensar que a lua estará lá mesmo se eu não estiver olhando”.

6. Quatro conceitos da Mecânica Quântica

     1. AS PARTÍCULAS SÃO ONDAS, E VICE-VERSA

     As partículas ocupam lugar no espaço, levando massa e energia enquanto se movem, e as ondas se espalham pelo espaço, levando energia à medida que se movem, sem massa.

     2. O QUE SE PODE SABER SOBRE TUDO SE BASEIA EM PROBABILIDADES

   Os físicos ao utilizarem a mecânica quântica para descobrirem os resultados de uma experiência, só podem prever a probabilidade de detectar um dos possíveis resultados, pois, o resultado final é aleatório.

    3. A MEDIÇÃO DETERMINA A REALIDADE

  Enquanto o estado exato de uma partícula quântica não é medido, é indeterminado. Somente depois de medido, o estado da partícula será determinado e todas as medidas subsequentes da partícula terão o mesmo resultado.

    4. AS CORRELAÇÕES QUÂNTICAS NÃO SÃO LOCAIS

  O emaranhamento quântico ocorre quando duas partículas quânticas interagem, seus estados passam a depender um do outro, independentemente de quão distantes estejam.

7. Física Quântica e sua influência em nossa vida

   O vídeo aseguir apresenta o programa Conexão Ciência, com entrevista do Professor físico e matemático Paulo Henrique Guimarães da Universidade Católica de Brasília, falando sobre Física Quântica e o que acontece no mundo dos átomos e como isso influi nossa vida.

8. Nossa relação com a Física Quântica

     Podemos dizer que ainda existe muito por se entender e descobrir sobre a Física Quântica,.

    Nossa realidade não se limita somente ao mundo físico e nossas escolhas e energia influenciam e afetam a matéria e o ambiente à nossa volta. Isso é algo que olhos observadores e mente atenta podem comprovar e perceber.

       Nossa realidade física está a todo momento interagindo com os átomos, suas partículas e vice-versa.

   Saber disso nos torna mais atentos à ligação entre o micro e o macrocosmos e a importância dessa interação para uma vivência mais consciente da realidade.

Fontes: https://www.greenme.com.br/segredos-para-ser-feliz/6943-fisica-quantica - texto adaptado.
https://www.youtube.com/watch?v=SBpknl5Dg4c#action=share

Plásticos X Oceanos: Cientistas descobrem que plásticos estão 'grudados' nos oceanos

Microplásticos e nanoplásticos são aglutinados com bactérias e formam uma massa que coloca em risco a vida marinha

Por Laís Vieira, do R7 em 05/02/2019 - texto adaptado.

    

     Pesquisadores da Universidade Heriot-Watt, na Escócia, e da Universidade de Plymouth, na Inglaterra, descobriram que microplásticos e nanoplásticos estão sendo aglutinados com bactérias, algas e outras partículas orgânicas e colocando em risco a vida marinha. 

      Eles realizaram os experimentos em tanques de água salgada dentro dos lagos de Faroe-Shetland e Firth of Forth, ambos no Reino Unido, para entender o comportamento dessas substâncias nos mares e o impacto para o meio ambiente 

     Os pesquisadores adicionaram plásticos a água do mar e simularam as condições na superfície do oceano. Em pouco tempo, formou-se uma massa resultado da interação de biopolímeros, moléculas produzidas por seres vivos, com o plástico.

    Esses aglomerados no mar ficaram grandes o suficiente para serem vistos a olho nu e até serem confundidos com alimento por pequenos animais marinhos.

    Os biopolímeros são comuns em água doce e em água marinha, mas até então os cientistas não sabiam os efeitos da associação desses materiais semelhantes a cola juntamente com o microplástico e nanoplásticos.

     “Uma pesquisa como essa está começando a preencher as lacunas no conhecimento dos cientistas, mas precisamos de mais evidências para priorizar e gerenciar a poluição do plástico de modo eficaz”, diz o professor Ted Henry, da Universidade Heriot-Wat.

      Os cientistas também alertam que essa aglomeração pode desviar o fluxo de alimentos tanto na superfície quanto no fundo do mar e prejudicar a vida marinha.

Para saber mais: Microplástico: um dos principais poluentes dos oceanos

     Partículas quase invisíveis de microplástico são prejudiciais à vida marinha e ao ser humano.

   O microplástico, como o próprio nome diz, é uma pequena partícula de plástico. Esse tipo de material é um dos principais poluentes dos oceanos. Alguns pesquisadores consideram que o tamanho máximo do microplástico é de 1 milímetro, enquanto outros adotam a medida de 5 milímetros.

    O grande problema é que, como mencionado em nossa matéria sobre a grande quantidade de plástico nos oceanos, o microplástico altera a composição de certas partes dos oceanos, prejudicando o ecossistema da região e consequentemente a saúde humana.

    O microplástico que vai parar no oceano tem origem no descarte inadequado de embalagens; escape de embalagens de aterros por meio do vento e da chuva; lavagem de roupas de fibras de plástico como o poliester; escape de matéria primária de plástico como o nurdles; entre outras. Ao chegar à natureza, produtos como garrafas, embalagens e brinquedos que não foram descartados corretamente, passam por um processo de quebra mecânica realizada pela chuva, pelos ventos e pelas ondas do mar, que fazem com que os produtos se fragmentem em pequenas partículas plásticas que se caracterizam como microplástico.

Fontes: https://noticias.r7.com/tecnologia-e-ciencia/fotos/cientistas-descobrem-que-plasticos-estao-grudados-nos-oceanos-05022019#!/foto/7

https://www.ecycle.com.br/component/content/article/35-atitude/1267-microplasticos-um-dos-principais-poluentes-dos-oceanos.html

Buraco negro no centro da Via Láctea

     Astrônomos já consideram a imagem que deve ser divulgada nos próximos meses – e que tem tudo para ser uma das mais significativas dos últimos 50 anos.

Por André Jorge de Oliveira, em 11 jan 2019 - Texto adaptado pela professora.

Disponível em: https://super.abril.com.br/ciencia/foto-epica-do-buraco-negro-no-centro-da-via-lactea-esta-prestes-a-ser-revelada/

(Divulgação/Superinteressante)

     A imagem do buraco (acima) foi concebida pelo físico americano Kip Thorne, um especialistas .

     Se a visão de um buraco negro fictício já impressiona, imagine na vida real. Ao que tudo indica, porém, a imagem de um buraco negro real logo deixará de ser só imaginação: pesquisadores dão sinais de que estamos a poucos meses de contemplar, pela primeira vez, uma fotografia de um buraco negro de verdade.

    Os astrônomos por trás da tentativa, uma das mais ambiciosas na história da ciência, fazem parte de uma colaboração internacional que desenvolveu uma técnica extremamente avançada para conectar potentes radiotelescópios espalhados pelo planeta. Dessa forma, conseguiram montar um superinstrumento com um tamanho virtual comparável ao da Terra e uma resolução combinada tão surreal que seria capaz de identificar um botão no Chuí a partir do Oiapoque. É como se o botão fosse o buraco negro no centro da VIa Láctea.

     O Event Horizon Telescope realizou sua primeira bateria de observações em abril de 2017 — e, desde então, cientistas de dezenas de instituições parceiras têm se debruçado para extrair significado dos dados. Além do “nosso” buraco negro, o Sagitário A*, as antenas de rádio do EHT também apontaram para o objeto monstruoso localizado no centro da galáxia M87, um dos buracos negros mais ativos conhecidos, mil vezes maior que o nosso vizinho, localizado entre 50 e 60 milhões de anos-luz da Terra.

    Nesse meio-tempo, os pesquisadores envolvidos têm sido reticentes quando o assunto são os resultados ou uma possível data para a divulgação da tão esperada foto. Mas uma reportagem do jornal britânico The Guardian revelou que o pessoal do EHT já começa a soltar indícios de que a observação deu certo — e que um anúncio deve acontecer em breve. Mais especificamente, no outono do hemisfério sul. Um cientista sênior do projeto classificou como “espetaculares” os dados coletados de ambos os buracos negros.

     Este certamente promete ser um dos anúncios científicos mais grandiosos de 2019. Em entrevista ao The Guardian, o especialista em história da ciência da Universidade de Harvard, Peter Galison, afirmou que, se bem-sucedida, a imagem do EHT estará entre as mais icônicas da ciência e será uma das mais significativas dos últimos 50 anos para a astronomia. 

    Obviamente o buraco negro em si não é visível, já que não emite luz alguma, só a engole. Mas sua gravidade extrema mantém muita matéria e radiação orbitando em um disco ao seu redor — este material brilhante deixaria bem delineada a silhueta escura e compacta do horizonte de eventos, o “ponto de não retorno” gravitacional do qual nada pode escapar. Além de revolucionar o estudo dos buracos negros, a aguardada imagem também deve ter enormes impactos em áreas da física quântica e da cosmologia. 

        Para saber mais: 

        O que é um buraco negro e como ele é formado?

      Trata-se de certas regiões no espaço onde a gravidade puxa de uma forma tão absurda que nem mesmo a luz escapa desses “monstros espaciais” — por isso você não consegue enxergar nenhum deles, pois eles são invisíveis.

   A formação de um buraco negro acontece quando uma grande estrela morre e simplesmente é implodida, fazendo com que a sua densidade se torne infinita com o acúmulo da massa em um único ponto.

        Qual o tamanho deles?

        Eles podem ser grandes, pequenos e também gigantes. De acordo com os entendidos da toda poderosa (e misteriosa) NASA, o menor deles pode ser do tamanho de um átomo, ou seja, extremamente minúsculo, mas com uma força devastadora. Já os chamados de “stellar” podem chegar a ter 20 vezes a massa do Sol.

        Por último vêm os famosos “supermassivos”, que possuem a massa do sol, só que multiplicada por um milhão — no mínimo. Os cientistas dizem que praticamente todas as galáxias do universo abrigam um buraco negro supermassivo em seu centro. Para você ter ideia, a nossa Via Láctea abriga um “monstro” desse tipo, chamado de Sagittarius A, cuja massa equivale a quatro milhões de sóis do nosso sistema.

Fontes: https://www.megacurioso.com.br/astronomia/55567-nasa-explica-o-que-e-um-buraco-negro.htm

https://super.abril.com.br/ciencia/

O que é ENGENHARIA NUCLEAR?

    Especialidade da Engenharia que estuda, controla e gera energia presente em isótopos e núcleos atômicos, a ENGENHARIA NUCLEAR é área responsável pelo gerenciamento e funcionamento de reatores, usinas e institui normas de segurança para o uso controlado da radioatividade. Apesar de ser aplicada especialmente para produção de energia elétrica, a energia nuclear também é usada em inovações da medicina, transporte, e até mesmo na indústria alimentícia, para conservação de alimentos. Por isso, Engenheiros nucleares trabalham constantemente com equipes de cientistas das mais diversas áreas, como Química, Geologia, Matemática, Física e Química. 

    No Brasil existem apenas duas usina nucleares (uma terceira já está em construção) em Angra dos Reis, no município do Rio de Janeiro. Por isso, profissionais interessados em especializações no ramo ainda encontram poucas opções de graduação e pós-graduação no país. No entanto, inúmeros países no mundo usam a energia nuclear como principal forma de geração de energia elétrica. Um dos elementos mais utilizados é o urânio – comum na Terra, mas formado originalmente nas estrelas. Seu enriquecimento produz elevadas quantidades de energia, mas também pode ser perigoso, já que pode ser usado na fabricação de bombas nucleares. 

    Ao longo da história o homem desenvolveu e adaptou inúmeras áreas da Ciência para criar suas invenções. A ENGENHARIA NUCLEAR, por exemplo, surgiu após a união de conhecimentos da Engenharia com a Física e Química. Ao estudar os elementos químicos, bem como o comportamento dos átomos e partículas em seus núcleos, cientistas perceberam que poderiam desenvolver novas formas de energia. Um dos primeiros a estudar essas formas foi o físico alemão Albert Einstein, que em 1905 propôs a teoria da relatividade E=mc² (energia é igual a massa vezes o quadrado da velocidade da luz). 

    Quase 30 anos depois, os físicos ingleses John Cockcroft e Ernest Walton demonstraram que Einstein estava certo. Eles bombardearam partículas de lítio com íons de hidrogênios altamente energizados, provando que a massa desaparecida havia se transformado em uma poderosa carga energética. Foi então que os cientistas não pararam mais de pesquisar elementos radioativos. E o avanço da Segunda Guerra Mundial contribuiu ainda mais para o desafio da divisão molecular. Em 1945 foi testada a primeira bomba atômica, nos Estados Unidos; e nove anos depois foi inaugurada a primeira usina nuclear, na Rússia. 

Especializações 

• Análises químicas – Realiza metodologias para determinar elementos químicos em diversos materiais, especialmente radioativos. Estuda formas de separação desses materiais, bem como técnicas de espectrometria e fotometria. 

• Sistemas de Controle – Desenvolve instrumentos e pesquisas para criação e manutenção de reatores nucleares. Atua em usinas, hospitais, laboratórios e indústrias. 

• Manutenção Eletrônica – Realiza reparos em materiais eletrônicos essenciais para o funcionamento de equipamentos nucleares, como monitores de radiação, controladores de níveis, entre outros. 

• Operação de reatores – Responsável pela operação de reatores nucleares, bem como projetos e construção dos sistemas para os mesmos. 

• Radiofármacos – Emprega técnicas nucleares para produção de radioisótopos (partículas presentes em núcleos atômicos instáveis emissores de energia) usados em terapias da medicina nuclear. 

• Radioproteção – Responsável pelo controle e medidas de radioisótopos para evitar efeitos da radiação no ambiente.

Áreas de atuação profissional 

• Pesquisa em Universidades 

• Docência em Universidades 

• Usinas nucleares 

• Laboratórios de pesquisa de medicina nuclear 

• Centros de pesquisa de energia e descarte seguro

Para conhecer mais:

Associação Brasileira de Energia Nuclear
Associação Nuclear Global
Agência Internacional de Energia Atômica
Centro de Desenvolvimento da Energia Nuclear
Comissão Nacional de Energia Nuclear
Instituto de Pesquisas Elétricas e Nucleares
Instituto de Engenharia Nuclear
Portal do Conhecimento Nuclear

Fonte: http://www.juventudect.fiocruz.br/engenharia-nuclear

Nanotecnologia: Interruptor dentro de célula eletrifica a vida

As aplicações incluem sensores vivos, síntese química de produtos e pílulas ativas que liberam drogas somente quando necessário.[Imagem: Joshua Atkinson/Rice University]

Interruptor biológico

A biologia sintética deu mais um passo rumo à "eletrificação da vida" e à computação de base biológica.

Joshua Atkinson, juntamente com uma equipe da Universidade Rice, nos EUA, usou proteínas sintéticas para construir interruptores capazes de ligar e desligar o fluxo de elétrons dentro de células bacterianas vivas, controlando dessa forma se as bactérias se desenvolvem ou não.

Rumo à biocomputação, tem havido uma série de progressos na inserção no metabolismo das células de funções que fazem as vezes de componentes eletrônicos, como resistores e capacitores, mas ninguém até agora havia conseguido criar um interruptor. Além de ligar e desligar células e suas funções, essas chaves simples poderão se tornar a base de transistores biológicos.

"Isso não é uma metáfora para um interruptor, é um interruptor elétrico literal construído a partir de uma proteína," reforçou o professor Jonathan Silberg, coordenador da equipe.

Proteínas metálicas

A natureza tipicamente controla o fluxo de elétrons usando mecanismos genéticos para controlar a produção de "fios" feitos de proteínas.

Atkinson imitou esse processo - para fazê-lo de forma controlada e sob demanda - usando uma metaloproteína, assim chamada pelo seu conteúdo de ferro. Chamada ferredoxina, é uma proteína comum de ferro-enxofre que medeia a transferência de elétrons em todos os domínios da vida.

Para ligar e desligar a proteína pode ser usada uma substância chamada 4-hidroxitamoxifeno, um modulador do receptor do hormônio estrogênio, usado para combater câncer de mama e outros, ou bisfenol A (BPA), um produto químico sintético usado em plásticos.

Os processadores químicos estão igualmente abrindo múltiplos caminhos usando células artificiais. [Imagem: Ella Maru Studio/Cody Geary]

O mecanismo mostrou ser muito rápido, com o interruptor funcionando em uma escala de tempo de segundos quando embutido em bactérias E. coli.

A bactéria E. coli usada é uma cepa mutante programada para crescer somente em meio sulfato quando todos os componentes da cadeia de transporte de elétrons de ferredoxina estão presentes. Dessa forma, as bactérias só crescem se os interruptores estiverem ligados e transferindo os elétrons como planejado.

Bioeletrônica

Os interruptores de proteína deverão facilitar a criação dos primeiros protótipos de dispositivos bioeletrônicos, incluindo circuitos biológicos completos dentro das células que imitem seus equivalentes eletrônicos.

As possíveis aplicações incluem sensores vivos, vias metabólicas controladas eletronicamente para síntese química e pílulas ativas que detectam seu ambiente e liberam drogas somente quando necessário.

Olhando ainda mais para o futuro, o professor Silberg sugere que uma série de interruptores poderá transformar uma célula em um processador biológico: "Então, poderemos ver o processamento paralelo digital na célula. Isso muda a maneira como olhamos para a biologia."

Bibliografia:

Metalloprotein switches that display chemical-dependent electron transfer in cells 

Joshua T. Atkinson, Ian J. Campbell, Emily E. Thomas, Sheila C. Bonitatibus, Sean J. Elliott, George N. Bennett, Jonathan J. Silberg 

Nature Chemical Biology 

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=interruptor-dentro-celula-eletrifica-vida&id=010165181227#.XFx5d1VKjIU

Alquimia - História daQuímica

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