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Raio cósmico

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Outro tipo de partícula rápida que a Natureza nos dá é o raio cósmico, onde partículas atingem a Terra, eventualmente com energias muito superiores à dos aceleradores de maior porte atuais. Uma parte da compreensão atual sobre as partículas usou resultados de medição desses raios cósmicos, como as medidas feitas pelo físico brasileiro Lattes na Bolívia na década de 50.

A Química hoje seria provavelmente descrita como a ciência que estuda os átomos e as moléculas: como reagem uns com os outros, como emitem ou absorvem luz, como se ionizam, perdendo ou ganhando elétrons, etc. Uma "reação química", por exemplo a de combustão quando uma molécula de açúcar e uma de oxigênio reagem dentro de um ser vivo fornecendo energia, é uma "colisão", mesmo que nesse caso as velocidades sejam baixas. Do ponto de vista aplicado diversas técnicas (como o PIXE, o RBS e o Auger) se baseiam na emissão de elétrons ou de raios-X por átomos que foram alvejados por elétrons ou por íons de alta velocidade, obtidos em aceleradores. 

Grande parte das informações que temos sobre os átomos e sobre as moléculas vem dessas colisões, feitas de forma controlada. Podemos ter um feixe de luz monocromática atravessando um meio e considerar que as partículas de luz (fótons) colidem com um "alvo" de átomos ou moléculas. Podemos ter uma experiência bem similar, onde ao invés de luz temos feixes de elétrons ou de íons, cada feixe sendo composto por partículas com a mesma energia cinética. 

Aceleradores são também fundamentais em aplicações 

Os microcircuitos de um computador são fabricados acelerando íons a dezenas de milhares de eV e jogando-os contra uma pastilha de silício. Estes aceleradores são chamados implantadores e sem eles não haveria nem a eletrônica moderna nem os computadores. Outras aplicações existem na Medicina, onde freqüentemente aceleradores de elétrons com 20 milhões de eV são usados para irradiar pacientes com câncer (os elétrons destroem o tecido canceroso). Na medicina também são usados para fazer a produção de substâncias radioativas, as quais podem ser usadas para tratar o câncer. Um tubo de raios-X, equipamento usado rotineiramente no diagnóstico médico desde meados deste século XX, é um acelerador de elétrons, que atingem algumas dezenas ou centenas de milhares de eV e incidem sobre uma folha metálica, cujos átomos emitem raios-X. 

Mas, como se acelera um elétron, ou um íon ou um átomo? Essencialmente são forcas elétricas que fazem isso, ou diretamente (como no tubo de TV ou no de raios-X) ou indiretamente, quando campos magnéticos variáveis no tempo produzem forcas elétricas (os aceleradores acima de alguns milhões de eV em geral são desse tipo). 

Entre os diferentes tipos de aceleradores temos: 

-os "tandems", onde íons negativos são acelerados por um potencial elétrico positivo até um alvo gasoso ou sólido onde perdem elétrons, virando íons positivos e sendo acelerados novamente ( O acelerador da UFRJ é desse tipo, se tivermos por exemplo um feixe de H- e um potencial de 1,7 MV vamos obter um feixe de H+ com 3,4 MeV. No Brasil há outros similares na UFRGS e na USP); 

– os Van de Graaff, onde uma esfera é carregada eletricamente até alguns MV e dentro dela se coloca uma fonte de íons, os quais são acelerados (No Brasil há um na PUC/RJ.); 

-os lineares, onde um campo magnético variável induz um campo elétrico variável na direção do tubo do acelerador, com o campo elétrico &sendo oscilante, mas com o feixe sendo pulsado, para só percorrer o tubo quando o campo aponta no sentido desejado (No Brasil há aceleradores deste tipo no CBPF, na USP e em muitos hospitais.); 

– o ciclotron, onde o íon descreve semicírculos sob a ação de campo magnético, entre esses semicírculos é acelerado por um campo elétrico e, como passa diversas vezes nesse mesma região, um potencial elétrico pequeno resulta numa grande energia final (No Brasil temos aceleradores destes no IEN e no IPEN, respectivamente nas cidades do Rio de Janeiro e de São Paulo.) e 

-os eletrostáticos de baixa voltagem (até algumas centenas de keV) onde um elétron ou um íon é acelerado por um gerador externo (No Brasil são empregados para acelerar elétrons, sendo encontrados na UFRJ e na UFSCar. Além desses aceleradores, obviamente temos todos os tubos de raios-x, todos os aparelhos de TV e todos os monitores de vídeo de computadores, formalmente aceleradores mas que são empregados para finalidades outras que não a pesquisa…) 

Temos também o sincrotron de radiação onde elétrons são acelerados a energias da ordem de GeV e, como percorrem trajetórias curvas, emitem fortemente luz polarizada, monocromática e de alta freqüência. Estes aceleradores no entanto não são usados para colidir as partículas aceleradas com um "alvo" mas sim para fazer interagir essa "luz sincrotron" com alvos. (No Brasil temos o Laboratório Nacional dfe Luz Sincrotron, em Campinas.).

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