Ponto material

Um ponto material, também chamado de partícula pontual, partícula ideal ou partícula puntiforme, é uma idealização usada na física. Esse modelo despreza a extensão espacial do corpo e se aplica quando a rotação do corpo também pode ser desconsiderada. Uma partícula pontual é uma representação adequada de qualquer objeto quando seu tamanho, sua forma e sua estrutura são irrelevantes para o problema em questão. Por exemplo, em problemas nos quais as distâncias são muito maiores que as dimensões do objeto, muitas vezes é possível aproximá-lo por um ponto. Massas pontuais e cargas pontuais são dois casos comuns. Quando uma partícula pontual tem uma propriedade aditiva, como massa ou carga, é comum representá-la matematicamente por uma função delta de Dirac. Na mecânica clássica, em geral não há um conceito de rotação de partículas pontuais em torno de seu "centro".

Na mecânica quântica, o princípio da incerteza de Heisenberg exige distinguir a extensão espacial de um estado quântico do tamanho intrínseco da partícula. Uma partícula elementar pode não ter estrutura interna conhecida e, ainda assim, ter uma distribuição de probabilidades de posição espalhada no espaço. Há, porém, uma distinção entre partículas elementares, como elétrons ou quarks, que não têm estrutura interna conhecida, e partículas compostas, como prótons e nêutrons, cuja estrutura interna contém quarks. As partículas elementares às vezes são chamadas de "partículas pontuais" por não terem estrutura interna conhecida, mas esse uso do termo tem um sentido diferente do apresentado acima.

Massa pontual

Uma massa pontual ou massa puntiforme é um modelo no qual a massa não nula de um objeto fica concentrada em um único ponto, sem volume nem dimensões lineares. Na mecânica clássica, isso permite estudar o movimento de um corpo material sem levar em conta sua extensão.

O centro de massa de um corpo de massa constante se move como uma partícula com a massa total do corpo, sujeita à resultante das forças externas. Essa simplificação não basta para estudar a rotação do corpo em torno de seu centro de massa, que depende da distribuição da massa e do momento de inércia.

Na teoria da gravitação, objetos extensos podem se comportar como massas pontuais mesmo em suas proximidades imediatas. Por exemplo, corpos com distribuição de massa esfericamente simétrica que interagem em um espaço tridimensional sob a gravitação newtoniana, desde que não se toquem, comportam-se como se toda a sua matéria estivesse concentrada em seus centros de massa. A equivalência entre o campo externo de uma distribuição esfericamente simétrica e o de uma fonte pontual central também se aplica a outras interações que seguem uma lei do inverso do quadrado.

Na relatividade geral, a massa pontual não é uma idealização bem definida na teoria exata. Ainda assim, ela pode ser usada em métodos de aproximação, como as expansões pós-newtonianas e a teoria de perturbações de buracos negros.

Carga pontual

No eletromagnetismo, uma carga pontual é uma partícula pontual com carga elétrica diferente de zero. Também pode ser definida como um corpo carregado ou um portador de carga cujo diâmetro efetivo é muito menor que a distância até outro objeto carregado. A equação fundamental da eletrostática é a lei de Coulomb, que expressa a força elétrica entre duas cargas pontuais. Outro resultado, o teorema de Earnshaw, estabelece que um conjunto de cargas pontuais não pode ser mantido em uma configuração de equilíbrio estático estável apenas pela interação eletrostática entre as cargas. O campo elétrico de uma carga pontual clássica tende ao infinito à medida que a distância até a carga tende a zero. A energia armazenada nesse campo também diverge, o que cria uma dificuldade para o modelo clássico.

Na mecânica quântica

Na mecânica quântica, há uma distinção entre uma partícula elementar, também chamada de "partícula pontual", e uma partícula composta. Uma partícula elementar, como um elétron, um quark ou um fóton, não tem estrutura interna conhecida. Uma partícula composta, como um próton ou um nêutron, tem estrutura interna.

O princípio da incerteza de Heisenberg impede que a posição e o momento de uma partícula tenham valores simultaneamente exatos. A extensão de seu pacote de ondas diz respeito à distribuição das probabilidades de encontrá-la no espaço, não ao volume de uma estrutura interna. Os orbitais atômicos são um exemplo disso. O elétron é uma partícula elementar, mas seus estados quânticos produzem distribuições tridimensionais de probabilidade.

Na formulação usual da mecânica quântica, um pacote de ondas pode ser escrito como uma superposição quântica de estados de posição idealizados, nos quais a partícula está localizada em um ponto exato. Essa decomposição é um recurso matemático para calcular amplitudes de probabilidade. Ela não estabelece se a partícula é elementar ou composta. O tamanho intrínseco de uma partícula diz respeito à sua estrutura interna e é distinto da extensão do pacote de ondas.

As medidas experimentais permitem estabelecer limites para uma possível estrutura interna do elétron. Uma análise de seu momento magnético publicada em 2006, por exemplo, obteve um limite superior de 10⁻¹⁸ m para o raio dessa possível estrutura, sob as hipóteses do modelo de composição empregado. Esse limite não deve ser confundido com o raio clássico do elétron, uma escala de comprimento calculada a partir de sua carga e massa, que não é uma medida de seu tamanho físico.

Ver também

• Partícula teste, modelo de uma partícula cuja presença não altera de forma apreciável o restante do sistema
• Carga, conceito físico geral que abrange a carga elétrica e outros tipos de carga
• Modelo Padrão, teoria das partículas elementares e de suas interações
• Dualidade onda-corpúsculo, comportamento ondulatório e corpuscular dos objetos quânticos

Referências

Bibliografia

Leitura adicional

• Cornish, F. H. J. (1965). «Classical radiation theory and point charges». Proceedings of the Physical Society (em inglês). 86 (3): 427–442. Bibcode:1965PPS....86..427C. doi:10.1088/0370-1328/86/3/301 
• Jefimenko, Oleg D. (1994). «Direct calculation of the electric and magnetic fields of an electric point charge moving with constant velocity». American Journal of Physics (em inglês). 62 (1): 79–85. Bibcode:1994AmJPh..62...79J. doi:10.1119/1.17716 

Ligações externas

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