Problema 5 (Seção 5.5). Faça um resumo sobre as forças fundamentais da natureza.

Passo 1

O enunciado pede um resumo das quatro forças fundamentais da natureza. O conteúdo envolve física de partículas e interações fundamentais: força gravitacional, eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca. Para cada uma delas, vamos identificar o mediador quântico (bóson), o alcance, a intensidade relativa e alguns exemplos de onde atuam.

Passo 2

A força gravitacional é a atração entre massas. Seu mediador quântico é o gráviton (ainda não detectado experimentalmente). Essa força tem alcance infinito e sua intensidade é extremamente fraca em escala de partículas: a constante adimensional que a compara à força forte é da ordem de approx10^-39. Exemplo de atuação: movimento de planetas, marés e estrutura em grande escala do Universo.

Passo 3

A força eletromagnética age entre partículas carregadas eletricamente. O mediador é o fóton, que também é sem massa, dando alcance infinito. Sua intensidade é cerca de approx10^-2 em comparação com a força forte, mas muito maior que a gravitacional. Exemplos: atração e repulsão entre cargas, ligações químicas e propriedades de materiais (correntes elétricas, magnetismo).

Passo 4

A força nuclear forte mantém quarks unidos dentro de hádrons (protóns, nêutrons) e vincula esses hádrons para formar núcleos atômicos. Seu mediador são os glúons, que carregam carga de cor e não escapam do interior dos hádrons (confinamento). O alcance efetivo é da ordem de approx10^-15,m (tamanho nuclear) e sua intensidade é o padrão de referência, igual a 1. Exemplo: estabilidade do núcleo atômico e interações de quarks em colisores de partículas.

Passo 5

A força nuclear fraca é responsável por processos de decaimento radioativo e reações de fusão no interior do Sol. Seus mediadores são os bósons W^+, W^- e Z^0, que têm massa elevada, limitando o alcance a approx10^-18,m. A intensidade relativa é cerca de approx10^-6 em comparação com a força forte. Exemplo: decaimento beta em núcleos e produção de neutrinos no Sol.

Passo 6

Comparando as quatro forças: gravitação e eletromagnetismo têm alcance infinito, mas diferem muito em intensidade; forças nuclear forte e fraca atuam apenas em escalas subatômicas, com a força forte sendo a mais intensa e a fraca permitindo mudanças de sabor dos quarks e decaimentos. Essas interações explicam desde a estrutura dos átomos até a evolução das estrelas e do Universo.

Resposta

As quatro forças fundamentais da natureza são:
• Força gravitacional
Mediador: gráviton (hipotético)
Alcance: infinito
Intensidade relativa: approx10^-39 (em comparação à força forte)
Atuação: atração entre massas, dinâmica de planetas e galáxias.
• Força eletromagnética
Mediador: fóton
Alcance: infinito
Intensidade relativa: approx10^-2
Atuação: interações entre cargas, ligações químicas, propriedades elétricas e magnéticas.
• Força nuclear forte
Mediador: glúons
Alcance: approx10^-15,m
Intensidade relativa: 1
Atuação: confinamento de quarks em hádrons e coesão do núcleo atômico.
• Força nuclear fraca
Mediadores: W^+, W^-, Z^0
Alcance: approx10^-18,m
Intensidade relativa: approx10^-6
Atuação: decaimentos radioativos (beta), reações de fusão em estrelas.

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