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Neste vídeo, vamos falar sobre a conservação do número leptónico. Vamos aprender o que é o número leptónico, como se relaciona com as partículas chamadas leptões e também com as suas antipartículas. E também veremos como este número é conservado em reações nucleares.
Antes de falarmos sobre o número leptónico, vamos recordar-nos dos leptões. Estas são partículas subatómicas elementares que não participam na força nuclear forte. Se olharmos para um átomo, sabemos que os átomos em geral são compostos por um núcleo, o seu núcleo, e eletrões a orbitar esse núcleo. Os protões e neutrões constituem esse núcleo. E sabemos que nenhuma destas partículas é elementar. E, além disso, estes são mantidos juntos nesta bola fortemente compactada pela forte força nuclear.
Tudo isto para dizer que tudo o que encontramos no núcleo de um átomo não é um leptão. Mas quando olhamos para as partículas fora do núcleo, os eletrões, descobrimos que satisfazem as condições de um leptão. E, de facto, os eletrões são um dos seis tipos de partículas classificadas como leptões. Para nos lembrar o que são estas partículas subatómicas elementares que não se envolvem na força forte, vamos abrir um pouco de espaço no ecrã e, em seguida, escrever os seis tipos de leptões. Estes são o eletrão, o muão, o tau e, em seguida, os três tipos de neutrinos, neutrinos do eletrão, neutrinos mu e neutrinos do tau.
Quando falamos sobre a carga elétrica relativa dos leptões, os três primeiros têm uma carga relativa de menos um, enquanto todos os neutrinos, fiéis ao seu nome, que soam como neutro, têm uma carga relativa de zero. Mais importante para a nossa aula, porém, queremos concentrar-nos no facto de que cada partícula subatómica tem o que é chamado de número leptónico. O número leptónico de qualquer leptão, de qualquer partícula desta lista, é um. E o número leptónico de qualquer partícula não-leptão, digamos um protão ou um neutrão, é zero. Isso é claro o suficiente. Mas não vamos esquecer que todas as partículas, incluindo os leptões, têm antipartículas correspondentes. As antipartículas dos leptões são o positrão, o antimuão, o antitau e três antineutrinos.
A carga elétrica relativa do primeiro destes três antileptões é positiva. E os antineutrinos, como os neutrinos, não têm carga. Ainda mais do que isso, porém, é importante notar que o número leptónico dos antileptões é menos um. Portanto, em geral, para qualquer partícula elementar, o número leptónico desta partícula é um positivo, zero ou um negativo. E no nosso ecrã agora, vemos todas aquelas partículas que têm um número leptónico de mais ou menos um. A propósito, se formos capazes de lembrar a lista de leptões e que cada um deles tem um número leptónico mais um, então podemos ser ajudados na identificação dos antileptões procurando por este prefixo anti- no nome de uma partícula. Se o encontrarmos lá e esta antipartícula corresponder a um leptão, então deve ter um número leptónico menos um.
Observe que a única exceção a isso é o primeiro antileptão, o positrão. Mas, caso contrário, esta regra de procurar por este prefixo anti- é válida. Agora, toda esta discussão sobre o número leptónico entra em jogo quando consideramos as equações nucleares. Por exemplo, digamos que começamos com um muão, representado por este símbolo. E imagine ainda que este muão decaia noutras partículas, em particular, um eletrão, um antineutrino do eletrão e um neutrino mu. Se considerarmos esta reação na perspetiva do número leptónico, podemos identificar que um muão, de acordo com a nossa tabela, possui um número leptónico mais um. O mesmo acontece com um eletrão, enquanto um antineutrino de eletrão tem um número leptónico de menos um. E, em seguida, a última partícula, o neutrino mu, tem um número leptónico de mais um.
Se considerarmos o reagente no lado dos produtos desta reação como dois lados de uma equação, então observe que, se somarmos os números leptónicos das partículas à direita, isso é igual a um em geral. E assim, o número leptónico total no lado dos reagentes é igual ao número leptónico total no lado dos produtos. Podemos dizer então que nesta equação, o número leptónico é conservado. Estamos apenas a olhar aqui para uma única equação nuclear, mas descobrimos que esta conservação do número leptónico é muito geral. Na verdade, é uma regra que se aplica a qualquer equação nuclear. Deve acontecer sempre que o número leptónico total no lado dos reagentes seja igual ao do lado dos produtos.
Esta é uma regra tão estrita que os cientistas a utilizam para determinar quais são equações nucleares possíveis e quais as que não são. Se uma equação nuclear potencial violasse a conservação do número leptónico, então esta é considerado impossível. Sabendo tudo isto sobre o número leptónico e a sua conservação, vamos praticar agora por meio de um exemplo de exercício.
Qual das seguintes partículas tem número leptónico um? Muão, antitau, tau neutrino, eletrão antineutrino, tau, tau antineutrino.
Tudo bem, a primeira coisa que podemos perceber é que qualquer partícula que tem um número leptónico de um é ela próprio um leptão. Um leptão é uma partícula elementar subatómica que não participa na força nuclear forte. Existem seis tipos de leptões, o eletrão, o muão, o tau e três tipos de neutrinos. E como dissemos, todas as seis destas partículas têm um número leptónico de um. Olhando para as nossas opções de resposta, então, vemos que o muão, o neutrino do tau e o tau são todos leptões e, portanto, têm um número leptónico de um, enquanto o resto das opções de resposta têm uma palavra com este prefixo anti- nalgum sítio.
Isso diz-nos que são antipartículas. Em particular, são antileptões. O número de leptões de qualquer antileptão é menos um. Portanto, não incluiremos nenhum destes na nossa resposta. Podemos dizer então que é o muão, o neutrino tau e o tau que todos têm um número leptónico um.
Vejamos agora um segundo exercício de exemplo.
A seguinte equação mostra um muão e um antimuão sendo produzidos através da produção de pares de um fotão de raios gama. Qual é o número total de leptões antes que a interação ocorra? Qual é o número leptónico total depois da interação ocorrer?
Olhando para esta equação, vemos de facto um fotão de raios gama aqui no lado dos reagentes, produzindo um muão e um antimuão. Isto é chamado de produção de pares porque o muão e o antimuão são antipartículas uma da outra. A primeira parte da nossa questão pergunta: qual é o número leptónico total antes da interação ocorrer, isto é, antes do muão e o antimuão terem sido gerados? Esta é outra maneira de perguntar: qual é o número leptónico total deste fotão de raios gama que é tudo o que existia antes da interação? Quando consideramos o número leptónico de uma partícula ou grupo de partículas, a regra para isto é a seguinte. Se uma partícula é um leptão, então o seu número leptónico é mais um. Se for um antileptão, então o seu número leptónico é menos um. E se a partícula não for um leptão nem um antileptão, então o seu número de leptões é zero.
Quando se trata de classificar este fotão, podemos lembrar que todos os leptões, e há seis deles, têm massa; ou seja, nenhum deles são partículas sem massa. Um fotão, no entanto, não tem massa. E a partir disso, podemos dizer que não é um leptão. Mas também não é um antileptão, porque estas antipartículas têm a mesma massa que o seu leptão correspondente. Isso diz-nos que um fotão não é um leptão nem um antileptão. E, portanto, tem um número leptónico igual a zero. Uma vez que esta é a única partícula envolvida na nossa interação antes que a interação ocorra, sabemos que o número leptónico total antes de acontecer é, portanto, zero.
A segunda parte da nossa questão pergunta: qual é o número leptónico total depois da interação ocorrer? Existem duas maneiras de descobrirmos isto. Um é lembrar que o número leptónico é conservado em qualquer equação nuclear. Isto significa que o número leptónico total antes de uma interação deve ser igual ao número leptónico total após uma interação. Uma segunda maneira de obter a mesma resposta é reconhecendo que um muão é um leptão e, portanto, tem um número leptónico mais um, enquanto um antimuão é um antileptão e, portanto, tem um número leptónico menos um. O número leptónico total após a interação seria então mais um menos um ou zero. Portanto, antes e depois desta interação, o número leptónico total envolvidos é zero.
Vejamos agora um último exemplo de exercício.
Qual das seguintes equações mostra uma interação de partículas que violaria a conservação do número leptónico? (A) Um fotão de raios gama produz um muão e um antimuão. (B) Um muão decai num eletrão, num antineutrino de eletrão e num neutrino mu. (C) O carbono-14 decai em nitrogénio-14 e um eletrão. (D) Um tau e um antitau combinam-se para formar um fotão de raios gama. E (E) oxigénio-15 decai em nitrogénio-15 mais um positrão mais um neutrino de eletrão.
Considerando estas cinco interações, queremos identificar qual delas violaria a conservação do número leptónico. O número leptónico, podemos lembrar-nos, é uma propriedade das partículas elementares. Se uma determinada partícula é classificada como leptão, isso significa que o seu número leptónico é mais um. As partículas que compõem esta classe são o eletrão, o muão, o tau e três tipos diferentes de neutrino. Agora, por outro lado, quaisquer antipartículas de leptões, isto é, antileptões, têm um número leptónico menos um. Estas partículas incluem o positrão, o antimuão, o antitau e, em seguida, o antineutrino do eletrão, o mu antineutrino e o tau antineutrino.
Claro, é possível que uma partícula não seja nem um leptão nem um antileptão. Neste caso, o seu número leptónico é simplesmente zero. Esta lista inclui partículas como fotões, neutrões e protões. Todos têm um número leptónico igual a zero. Qualquer partícula que pudéssemos determinar tem um número leptónico de mais ou menos um ou zero. E isso encaixa-se no que é chamado de conservação do número leptónico. Esta conservação é uma lei física que diz que em qualquer reação nuclear, o número leptónico total antes da interação deve ser igual ao número leptónico total depois dela.
Então, para descobrir qual das nossas cinco opções de resposta mostra uma interação de partícula que violaria esta conservação, o que precisaremos de fazer é, para cada interação, descobrir o número leptónico total nos lados esquerdo e direito. Vamos começar com esta primeira interação, um fotão de raios gama a produzir um muão e um antimuão. Uma vez que um fotão não é um leptão nem um antileptão, tem um número leptónico zero, enquanto do lado dos produtos, um muão, sendo um leptão, tem um número leptónico mais um e um anti muão tem um número leptónico menos um. Um menos um é zero. Portanto, podemos dizer que o número leptónico total em cada lado desta interação é o mesmo e, portanto, é conservado.
Esta primeira interação, então, não violaria a conservação do número leptónico. Considerando a próxima interação, aqui temos um muão, que vemos ser um leptão e portanto tem um número leptónico mais um, a decair num eletrão, que também possui um número leptónico mais um, então um antineutrino eletrónico, que como um antileptão tem um número leptónico menos um, mais um neutrino mu, que podemos ver na nossa lista é um leptão e, portanto, tem um número leptónico mais um. Olhando para todos os números no lado dos produtos, temos um menos um mais um. Isto soma um. E assim, mais uma vez, temos uma conservação do número leptónico nesta interação.
Agora, vamos olhar para a opção (C) com o carbono-14 a decair em nitrogénio-14 e um eletrão. Esta interação envolve dois núcleos atómicos, carbono e nitrogénio, sem os seus eletrões. E portanto, além deste eletrão aqui, tudo o que estamos a considerar são os protões e neutrões que constituem o carbono-14 e o nitrogénio-14. Vimos que tanto protões quanto neutrões não são leptões nem antileptões e, portanto, têm um número leptónico igual a zero. Isso significa que todo o nosso núcleo de carbono tem um número leptónico zero, assim como o nosso núcleo de nitrogénio.
Isto acontece porque todas as partículas que compõem estes núcleos têm números leptónicos iguais a zero. Um eletrão, por outro lado, é um leptão e, portanto, tem um número leptónico mais um. E isto mostra-nos que, nesta interação potencial, não temos uma conservação do número leptónico. Portanto, esta interação viola esta lei. Vamos continuar e ver se alguma das interações restantes também viola esta lei da conservação.
Na nossa próxima interação, temos um tau a combinar com um antitau para formar um fotão de raios gama. E da nossa tabela, vemos que um tau, sendo um leptão, tem um número leptónico mais um, enquanto um antitauão tem um número leptónico menos um. E, em seguida, um fotão tem um número leptónico igual a zero. Um menos um é igual a zero. Portanto, esta interação não viola a conservação do número leptónico.
Por último, considerando a interação (E), aqui temos o oxigénio-15 a decair em nitrogénio-15 mais um positrão mais um neutrino do eletrão. Mais uma vez, os símbolos atómicos que vemos, oxigénio e nitrogénio, referem-se aos núcleos destes átomos; sem eletrões incluídos. Portanto, estes são compostos inteiramente de protões e neutrões. E, portanto, cada um tem um número total de leptões igual a zero.
Porém, o nosso positrão, sendo um antileptão, tem um número leptónico de menos um, enquanto o neutrino do eletrão, sendo um leptão, tem um número leptónico de mais um. No lado dos produtos desta interação, então, temos zero menos um mais um, que é simplesmente zero. Portanto, esta interação não viola a conservação do número leptónico. Portanto, a única interação que viola esta conservação é o carbono 14 a decair em nitrogénio 14 mais um eletrão. E o facto de que esta interação violaria a conservação do número de leptões significa que não é uma interação possível. Ou seja, o carbono-14 não pode decair apenas num núcleo de nitrogénio-14 e um eletrão. Como vimos, isto é porque viola a conservação do número leptónico.
Vamos resumir agora o que aprendemos sobre a conservação do número leptónico. Nesta aula, vimos que o número leptónico é uma propriedade de todas as partículas elementares. Para todos os leptões, simbolizados aqui, o número leptónico é um positivo. Para todos os antileptões, as antipartículas dos leptões, este número leptónico é menos um. E para qualquer partícula que não seja um leptão nem um antileptão, o seu número leptónico é zero. E, por último, vimos que em qualquer interação nuclear possível, o número leptónico é conservado. Isso significa que o número leptónico total antes da interação deve ser igual ao total após a interação. Se não for este o caso, esta interação dada é considerada impossível. Isto é um resumo da conservação do número leptónico.
