Das Estrelas ao Átomo

Arquitectura do Universo

Nascimento e estrutura do Universo

Estrutura do Universo

 

Expansão do Universo

As observações astronómicas confirmam a Teoria da Relatividade de Einstein.

O Universo está em expansão, ou seja, a dilatar-se, comprovado pelo afastamento das galáxias, observação de uma radiação de fundo de microondas que é igual onde quer que se olhe e cuja a energia está relacionada com a diferença de energia entre electrões ligados ao núcleo na átomo de hidrogénio; e pela proporção de átomos existente.

Origem do Universo – Teoria do Big Bang

O Universo foi formado hà cerca de 15 mil milhões de anos com uma grande explosão, o Big Bang. O Universo era inicialmente muito quente e denso. Mas foi arrefecendo e expandindo-se, e enquanto isto acontecia, a matéria foi-se organizando em estruturas cada vez mais completas.

Provas quer favorecem o Big Bang

. Expansão do Universo;

. Radiação cósmica de microondas (o Universo era inicialmente cheio de radiação muito energética quem ao longo do tempo foi diminuindo de energia, com a diminuição da temperatura do Universo, chegando até nós como radiações microondas);

. Abundância de elementos leves.

Posição da Terra no Universo

É o 3º planeta do Sistema Solar a partir do Sol, que se situa na periferia de um dos braços da nossa galáxia, a Via Láctea que possui duas galáxias como satélite, as Pequenas e Grandes Nuvens de Magalhães e pertence a um grupo de 30 galáxias, o Grupo Local, que por sua vez pertence a um enxame galáctico, inserido num superenxame.

Átomos e estrelas

Existem estrelas muito pequenas e muito grandes. Estas vivem, nascem e morrem. As estrelas podem emitir luz visível e luz invisível. A sua luz provém dos elementos químicos que as constituem e este existem também na Terra. Nas estrelas e nas poeiras interestelares existem principalmente os dois elementos mais leves, o hidrogénio e o hélio, que constituem quase 100% do Universo.

O hidrogénio é abundante na Terra, enquanto que o hélio já existe em menor quantidade.

Os átomos não são partículas elementares, mas sim compostas. São constituídos por núcleos atómicos, que são constituídos por protões e neutrões, que por sua vez são constituídos por quarks, e em torno dos núcleos encontram-se os electrões.

Formação dos primeiros elementos químicos

À medida que o Universo arrefecia e expandia, as partículas também sofreram alterações. O esquema seguinte mostra como a evolução das partículas.

 

Fig.1 – Evolução do Universo ao longo do tempo. A temperatura foi sempre diminuindo e, em certos instantes formaram-se novas estruturas, os neutrões e os protões, os núcleos atómicos, os átomos e as estrelas.

Os primeiros elementos foram formados por reacções nucleares, sendo as mais abundantes:

Um neutrão juntou com um protão e deu origem a deutério, libertando radiação gama:

n + p → ²H + γ

Depois, o deutério juntou-se a um neutrão ou a um protão e originou, trítio ou hélio-3, libertando radiação:

²H + n → ³H + γ

²H + p → ³He + γ

O deutério juntou-se a outros dois deutério, originando hélio-3 e trítio:

²H +²H → ³H + p

²H +²H → ³He + n

O trítio e o hélio capturaram um protão ou um neutrão e deram origem a hélio-4,libertando radiação gama:

³H + p → ⁴He+ γ

³He + n → ⁴He+ γ

Finalmente o hélio-4, colidindo com um trítio ou com hélio-3, originou lítio-7 e berílio-7, libertando radiação gama:

⁴He + ³H → ⁷Li+ γ

⁴He + ³He → ⁷Be+ γ

Portanto, a seguir ao Big Bang, formaram-se por todo o Universo, deutério, trítio, hélio-3, hélio-4, lítio-7 e berílio-7. Todos os outros elementos formaram-se nas estrelas.

Formação dos elementos químicos nas estrelas

A maioria dos elementos químicos existentes no Universo, formaram-se nas estrelas, através de reacções nucleares.

Reacção Química

. Os núcleos dos átomos não são alterados;

. Os elementos químicos do sistema reaccional mantêm-se;

. Apenas alteração das unidades estruturais do sistema reaccional.

Exemplo: Li_(g) + ¹H_{2 (g)} → LiH_(s) + Água

Reacção nuclear

. Os núcleos dos átomos são alterados;

. Transformação dos elementos químicos noutros diferentes;

. A energia posta em jogo tem uma ordem de grandeza que pode ser milhões de vezes superior à que é posta em jogo nas reacções químicas.

Na escrita das equações deve mostrar a observância da lei de conservação do número de nucleões e da carga total, ou seja, a soma dos números de massa e atómico dever ser igual nos dois membros da equação.

As reacções nucleares podem ser de dois tipos:

. Fusão nuclear – consiste na junção de dois núcleos pequenos com a obtenção de um núcleo maior.

Exemplo: 4 ¹H → ⁴He + 2⁰e⁺ + Energia

. Fissão ou cisão nuclear – consiste na divisão de um núcleo grande, em dois mais pequenos.

Exemplo: ²³⁵U + ¹n → ⁹⁰Sr + ¹⁴³Xe + 3¹n

Em primeiro lugar, dois protões originam deutério, libertando um positrão e neutrinos:

2p → ²H + e⁺ + v

Depois um deutério capta um protão e origina hélio-3, libertando radiação gama;

²H + p → ³He + γ

Seguidamente dois núcleos de hélio-3 juntam-se e formam hélio-4 e dois protões:

³He + ³He → ⁴He+ 2p

No total (no ciclo do hidrogénio), quatro protões dão origem a hélio-4, dois positrões, dois neutrinos e radiação gama:

4p → ⁴He + 2e⁺ + 2v

 

Fig.2 – Ciclo do hidrogénio, no qual 4 protões dão origem a hélio-4.

Nas estrela também ocorre a formação do carbo-12 a partir da junção de três átomos de hélio:

⁴He + ⁴He + ⁴He → ¹²C

 

Vida e morte das estrelas

 

Escalas de distância, tempo e temperatura

Temperatura

 

. T (K) ≠ T (ºC); . ∆T (K) = ∆T (ºC); . ∆T (1K) = ∆T (1 ºC); . T (K) = T (ºC) + 273.

. ∆T = 1 ºC = 1,8 ºF; . ∆T (ºF) = 1,8 x ∆T (ºC); . T (ºF) = 1,8 x T (ºC) + 3

Tempo

No Sistema Internacional a unidade de tempo é o segundo (s). No entanto em astronomia, o tempo é medido em anos.

Comprimento

Para exprimir distâncias ou comprimentos vulgares usamos a unidade do Sistema Internacional ou os seus múltiplos e submúltiplos.

 

No entanto em astronomia, utilizam-se outras unidades de medida, pois as distâncias são muito grandes para serem exprimidas em metros:

 

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