Conservação da massa e da energia no núcleo atômico

28 de setembro, 2018 às 17:33 | Postado em Estrutura da matéria, Física Nuclear, Física de Partículas, Interações fundamentais

Nos processos nucleares, por exemplo no decaimento alfa, onde um núcleo de hélio é ejetado pelo núcleo, levamos em conta que a massa dos “reagentes” é igual a do produto, mas temos energia liverada, e e muito comum dizermos q a energia liberada vem da diferença de massa. Mas qual a massa q se transformou em energia se igualamos elas na reação?  Outra questao é: entre partículas subatômicas ouvimos q um neutro é um próton mais um elétron mais um antineutrino. Mas se fizermos a divisão entre quarks, como o nêutron sendo dois donw e um up, não compreendo da onde sai o elétron e o antineutrino…. Abs

Em relação à primeira parte, temos que lembrar que a formação do núcleo atômico envolve a aglutinação de núcleons (prótons e nêutrons), sendo necessária uma força intensa para mantê-los juntos, que vem a ser a força forte hadrônica. Em Física Nuclear e de Partículas, esta força é mediada pela troca de partículas chamadas “mésons”, proposta por Yukawa em 1935 e detectadas pela primeira vez (no caso, o méson pi) por César Lattes anos mais tarde. Logo, para manter o núcleo coeso ao se aglutinar prótons e nêutrons, associa-se uma “energia de ligação nuclear” entre os núcleons e é esta energia que é liberada durante um processo de decaimento. Na formação dos núcleos, haverá sempre uma energia ligada à atração nuclear e outra à repulsão eletromagnética, visto que prótons tem carga positiva e se repelem. Assim, a energia de ligação líquida é aquela relacionada à força atrativa menos a força repulsiva.

Como mundialmente conhecida, a relação da equivalência de massa e energia de Einstein, E₀=m.c², define aqui a relação entre massa e energia, e, particularmente, a relação entre a massa do núcleo e a massa dos produtos de seu decaimento. Na Relatividade Restrita, temos que a energia total, E, de um corpo (por exemplo, um núcleo) é a soma de seu energia cinética, E_c, e sua energia de repouso, E₀. A última está ligada à sua massa de repouso, tabelada e muito bem conhecida, enquanto a primeira pode ter caráter relativístico dependendo da velocidade com que o núcleo é acelerado.

Utiliza-se na Física Nuclear e de Partículas uma grandeza física chamada “elétron-Volt”, referente à energia cinética adquirida por um elétron acelerado entre duas placas com diferença de potencial de 1 volt, ou seja, 1eV=1,6021766208.10^-19joules. Com esta grandeza e com a relação de equivalência de Einstein, podemos associar ao próton uma massa de 1,6726219.10^-27kg ou uma energia de repouso de 0,938272081.10⁹ eV/c², que pode ser escrita como 0,938272081 GeV/c², onde GeV significa gigaelétron-Volt, 10⁹eV =1GeV.

Estes dados podem ser encontrados em “The Review of Particle Physics” editado pelo Particle Data Group, http://pdg.lbl.gov/.

De posse destas informações, podemos construir o gráfico da figura 1 relacionando a razão entre a energia de ligação nuclear e o número de núcleons que formam um determinado núcleo.

Nota-se que os núcleos atômicos possuem uma energia de ligação nuclear na faixa dos MeV, ou seja, megaelétron-volt. Esta é a energia liberada quando ocorre o decaimento alfa, pois a lei de conservação de energia deve ser obedecida: a energia total envolvida no núcleo inicial deve ser igual à energia total dos produtos de seu decaimento. Note que não são as massas que são iguais, mas as energias totais envolvidas antes e depois do processo de decaimento, energias estas relacionadas com as massas das partículas pela relação de equivalência de Einstein.

A segunda pergunta se confunde, talvez, pelo assunto ligado ao decaimento alfa, pois um nêutron não são um próton, um elétron e um antineutrino do elétron, mas sim o nêutron decai nestas partículas. O conhecido decaimento beta se refere a um decaimento parecido com o decaimento alfa, porém uma partículas beta (elétron ou pósitron) é emitida ao invés de um núcleo de Hélio. O decaimento beta, representado na figura 2, é compreendido hoje como sendo um caso da atuação da chamada força fraca, onde o nêutron decai por meio da troca de um bóson vetorial massivo chamado W, de carga negativa.

Este tipo de interação fraca é entendida como uma interação de troca de sabores: um quark down é convertido em um quark up. Portanto, o nêutron continua sendo formado pelo tripleto de quaks u-d-d e o próton formado pelo tripleto u-u-d, onde o elétron e o antineutrino do elétron surgem somente quando o nêutron decai em um próton. A conversão do nêutron e um próton surge da interação fraca envolvida no processo.