Já se perguntou como será que os cientistas conseguem saber a massa de algo tão incrivelmente pequeno quanto um elétron? Os elétrons estão no grupo das menores “coisas” que existem; logo, não existe uma balança para o mundo subatômico.
Contudo, a engenhosidade humana desenvolveu métodos indiretos de uma precisão impressionante. A resposta está em campos magnéticos poderosos e em instrumentos sofisticados chamados espectrômetros de massa.
O que é um espectrômetro de massa?
De forma simplificada, um espectrômetro de massa é um dispositivo que permite aos cientistas determinar a composição de uma amostra, analisando a massa de seus átomos e moléculas. O princípio básico envolve três etapas fundamentais:
- Ionização: A amostra é primeiro vaporizada e, em seguida, suas partículas são ionizadas, ou seja, recebem uma carga elétrica. Isso é crucial, pois partículas neutras não interagem com campos magnéticos.
- Aceleração e Deflexão: Os íons recém-formados são acelerados por um campo elétrico e disparados através de um campo magnético. É aqui que a mágica acontece. A força magnética desvia a trajetória de cada íon, e a quantidade de desvio depende diretamente de sua massa e de sua carga. Partículas mais leves são desviadas com mais facilidade, enquanto as mais pesadas seguem um caminho mais reto.
- Detecção: Um detector no final do percurso mede onde cada íon atinge, permitindo calcular a sua razão massa/carga (m/z). Como a carga do íon é conhecida, a massa pode ser determinada com grande precisão.
Essa técnica é análoga a arremessar bolas de diferentes pesos (boliche, futebol e tênis) através de um forte vento lateral.
A bola de boliche (a mais pesada) mal se desviará, enquanto a de tênis (a mais leve) será fortemente arremessada para o lado. Medindo o desvio, podemos inferir o peso de cada uma.
A armadilha de Penning: precisão extrema
Para medições de altíssima precisão, como a da massa do elétron, os cientistas utilizam uma versão avançada do espectrômetro de massa: a Armadilha de Penning.
Este dispositivo combina um campo magnético homogêneo e forte com um campo elétrico quadrupolar para confinar partículas carregadas por longos períodos.
Dentro da armadilha, o campo magnético força o íon a executar um movimento circular complexo. A frequência desse movimento, chamada de frequência de ciclotron, é diretamente proporcional à razão carga/massa da partícula e à força do campo magnético.
Ao medir essa frequência com extrema exatidão, os físicos conseguem calcular a massa da partícula com uma precisão espantosa.
Recentemente, uma colaboração de cientistas do Instituto Max Planck de Física Nuclear, na Alemanha, utilizou uma Armadilha de Penning para medir a massa do elétron com uma precisão 13 vezes maior do que a conhecida anteriormente.
A sensibilidade do método foi comparada a ser capaz de detectar um mosquito a bordo de um avião Airbus A-380 apenas pela pesagem da aeronave.
Para alcançar tal feito, eles aprisionaram um único elétron junto com um núcleo de carbono-12 (que serve como referência de massa).
A mecânica quântica cria uma ligação entre o movimento do íon de carbono e o “spin” do elétron, permitindo uma medição indireta, mas incrivelmente precisa, da massa do elétron, que hoje sabemos ser cerca de 1/1836 da massa de um próton.
Por que isso é importante?
A massa do elétron é uma das constantes fundamentais da natureza. Ela influencia desde a forma como a luz interage com a matéria até a estrutura dos átomos e moléculas que compõem tudo o que vemos.
Medir seu valor com mais precisão não apenas testa os limites do nosso conhecimento, mas também abre portas para a descoberta de novas físicas para além do Modelo Padrão, a teoria que descreve as partículas e forças fundamentais do universo.
Saiba mais!
Leia nosso artigo Metrologistas mediram a massa da terra utilizando partículas fantasmas pela primeira vez!
Link artigo: https://canalmetrologia.com.br/metrologistas-mediram-a-massa-da-terra-utilizando-particulas-fantasmas/
Ouça nosso podcast sobre Metrologia na área nuclear.
Fontes
Superinteressante: Como é medida a massa das partículas se não dá para pesá-las numa balança?
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF): Espectrômetros de massa e identificação de partículas
Max Planck Institute for Nuclear Physics: Extremely precise measurement of the mass of an electron
National High Magnetic Field Laboratory: Mass Spectrometry 101
Capa fonte: https://cdn.iai.tv/assets/Uploads/_resampled/FillWzExNjgsNDAwXQ/23-11-28-Do-electrons-exist.tn.dwk.webp
