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Vídeo da aula: Leptões com Carga Física • 9º Ano

Neste vídeo, vamos aprender como descrever as propriedades de eletrões, muões e taus e as suas antipartículas.

11:31

Transcrição do vídeo

Neste vídeo, discutiremos leptões com carga. Isto inclui o leptão mais famoso que provavelmente já conhecemos, o eletrão, bem como os seus primos, o muão e o tau. Descreveremos as propriedades destas partículas, como carga e massa, juntamente com as propriedades das suas antipartículas.

Eletrões, muões e taus pertencem a um grupo de partículas conhecido como leptões. Mais especificamente, estas partículas são conhecidas como leptões com carga, pois cada uma das partículas tem uma carga. Devemos lembrar que um eletrão, representado pela letra e, tem uma carga relativa de menos um, o que significa que o valor tem a intensidade de uma carga elementar. Portanto, a carga seria menos 1.6 vezes 10 elevado a menos 19 coulombs. Como é que esta se compara à dos seus primos, o muão e o tau, representados pelo símbolo mu e o tau, respetivamente?

Ambas as partículas também têm uma carga relativa de menos um, então podemos dizer que todas as três das nossas partículas têm uma carga relativa de menos um, razão pela qual os símbolos para o eletrão, o muão e o tau têm cada um sinal negativo no canto superior direito, como se mostra aqui. Mas e quanto às suas massas? Devemos lembrar que a massa de um eletrão é 9.11 vezes 10 elevado a menos 31 quilogramas. E como é que esta se compara com a do muão e a do tau? Acontece que as suas massas são um pouco maiores. Na verdade, a massa do muão é aproximadamente 200 vezes maior do que a massa do eletrão. E o tau é aproximadamente 3500 vezes maior que a massa do eletrão.

Olhando para as nossas partículas, organizámo-las por ordem crescente de massa do topo do ecrã até a parte inferior do ecrã. Para incluir adequadamente todos os leptões com carga, devemos também adicionar à nossa lista as antipartículas do eletrão, muão e tau. Estas serão designadas positrão, antimuão e antitau, respetivamente. Juntas, estas seis partículas representam o grupo conhecido como leptões com carga. Cada antipartícula tem a mesma massa da sua partícula correspondente. O positrão tem uma massa de 9.11 vezes 10 elevado a menos 31 quilogramas. O antimuão tem massa de 1.88 vezes 10 elevado a menos 28 quilogramas. E a antitau tem massa de 3.17 vezes 10 elevado a menos 27 quilogramas.

No entanto, cada um dos antileptões tem uma carga elétrica relativa mais um, como representado pelo sinal positivo no canto superior direito dos seus símbolos. Por este motivo, desenhámos todas as partículas negativas a azul e todas as antipartículas positivas a vermelho. Estes seis leptões com carga interagem por meio de três das quatro forças fundamentais, incluindo a força eletromagnética, a força gravitacional e a força nuclear fraca. A única força fundamental não envolvida nas suas interações é a força nuclear forte.

Nesta altura dos nossos estudos, devemos estar bem familiarizados com o eletrão, mas provavelmente não tanto com o muão e o tau. Em certa medida, isto pode ter por base a instabilidade destes dois leptões. Na verdade, os muões permanecem por cerca de dois microssegundos antes de decair. E os taus irão decair 10 milhões de vezes mais rápido que o muão. O que acontece com estes então? Muões e taus decairão em partículas mais leves e estáveis. Por exemplo, um muão irá decair num eletrão e dois neutrinos correspondentes — para os fins deste vídeo, não precisamos de nos preocupar com o que são neutrinos, mas simplesmente que o muão decai numa partícula mais estável, neste caso, o eletrão — enquanto o tau pode decair num eletrão e dois neutrinos ou num muão e dois neutrinos.

Mais uma vez, não nos vamos preocupar com neutrinos neste vídeo, mas sim nos concentrar no decaimento do tau num muão ou num eletrão, ambos mais estáveis. Se o tau decair num muão, esperaríamos mais uma vez que o muão decaísse num eletrão. Partículas mais pesadas em geral decaem mais rápido do que partículas mais leves. Portanto, o resultado final é que o eletrão será mais estável porque não há leptão com carga que seja mais leve do que o eletrão. Como as antipartículas para muões e taus também são partículas mais pesadas, estas também irão decair e são consideradas relativamente instáveis quando comparadas ao positrão.

Ao lidar com partículas e antipartículas, precisamos de ter em mente a aniquilação dos pares. Quando uma partícula e a sua antipartícula colidem, estas aniquilam-se e libertam um fotão. Em muitos casos, mais do que um fotão é libertado. Vejamos o que acontece quando um eletrão colide com a sua antipartícula, o positrão. Depois do eletrão e do positrão colidirem, estes libertam dois fotões de raios gama. O mesmo conceito é verdadeiro ao contrário. Um fotão que interage com a matéria pode criar um par de produção de uma partícula e a sua antipartícula. Isto é conhecido como produção em pares. Um exemplo é um fotão, neste caso, um fotão de raios gama, que chega com energia suficiente para produzir um par de eletrões e positrões.

Agora que discutimos as propriedades dos leptões com carga, vamos fazer alguns exemplos.

Organize as seguintes partículas partindo da de menor massa para a de maior massa: tau, fotão, protão, eletrão, muão, neutrão.

Iremos classificar as nossas seis partículas da menor massa à maior massa. Das seis partículas listadas, sabemos que um fotão é considerado sem massa. Portanto, teria a menor massa de todas. E assim podemos colocá-la no topo da nossa lista. Quando comparamos as massas dos nossos três leptões com carga, o tau, o eletrão e o muão, o eletrão tem a menor massa e o tau a maior, estando o muão no meio. Na verdade, a massa do eletrão é tão pequena que vem a seguir na nossa lista. E sendo o muão 200 vezes maior que o eletrão, é o terceiro da nossa lista, o que nos deixa com as três partículas mais maciças da nossa lista, o tau, o protão e o neutrão.

As suas massas estão realmente muito próximas. Com o neutrão a ultrapassar ligeiramente a massa de um protão, podemos colocar a nossa próxima partícula na nossa lista. O protão é a próxima partícula mais maciça. O protão é seguido de perto pelo neutrão, deixando apenas o tau, que por acaso tem cerca de duas vezes a massa do neutrão. Ao classificar as partículas na nossa lista da de menor massa para a de maior massa, fica fotão, eletrão, muão, protão, neutrão, tau.

Qual das seguintes partículas tem carga elétrica positiva? Fotão, eletrão, antimuão, tau, protão, neutrão, antitau, muão.

Podemos começar por eliminar as partículas com as quais estamos mais familiarizados, o eletrão e o neutrão. Queremos apenas partículas com carga elétrica positiva. E sabemos que o eletrão tem carga negativa. Portanto, esta não pode ser uma das nossas partículas. Também sabemos que um neutrão é neutro ou tem carga zero. Portanto, podemos eliminar neutrão da nossa lista também. Junto com o eletrão e o neutrão, também devemos estar bem familiarizados com o protão. Um protão tem uma carga elétrica positiva e, portanto, é uma das partículas que procuramos. Olhando para trás na nossa lista, a primeira partícula, o fotão, a partícula de natureza da luz, não tem nenhuma carga e, portanto, pode ser eliminada da nossa lista.

Isto deixa-nos com partículas que são consideradas leptões com carga, antimuão, tau, antitau e muão. Podemos lembrar-nos dos seis leptões com carga. O eletrão, que já eliminamos, o muão e o tau, todos têm carga negativa. E os seus antileptões associados, o positrão, o antimuão e o antitau, têm todos cargas de mais um. Voltando à nossa lista, todas as partículas que se enquadram na coluna menos um, o tau e o muão, agora podem ser eliminadas. O antimuão e o antitau são leptões com carga com um valor positivo de uma carga. As partículas da lista que têm carga elétrica positiva são o antimuão, o protão, o antitau.

Qual das seguintes equações mostra a produção de pares de um tau e um antitau a partir de um raio gama de alta energia? (A) 𝜏 menos mais 𝜏 mais seta para 𝛾. (B) 𝛾 seta para 𝜏 menos mais 𝜏 mais. (C) 𝛾 seta para 𝑡 mais anti 𝑡. (D) 𝑡 mais a anti 𝑡 seta para 𝛾. (E) 𝛾 seta para 𝜇 menos mais 𝜇 mais.

O nosso problema refere-se a tau, antitau e raios gama. Portanto, podemos eliminar qualquer escolha de resposta que não inclua estas três partículas. Precisamos de lembrar que um tau é representado pelo símbolo 𝜏 com menos no canto superior direito. E o antitau é representado por 𝜏 com um símbolo mais no canto superior direito. Cada uma das opções de resposta possui um raio gama representado pelo símbolo 𝛾. Poderíamos eliminar as opções de resposta (C), (D) e (E), pois nenhuma das três tem um tau ou antitau.

O problema diz-nos que a nossa equação é a produção de um par que pega num raio gama de alta energia e o transforma num tau e num antitau. Observando as nossas duas equações restantes, apenas a opção de resposta (B) tem um raio gama sendo transformado num tau e num antitau. Na verdade, a opção de resposta (A) é a que chamaríamos de aniquilação de um par, onde um tau e um antitau colidem e libertam um fotão de raios gama. Das equações apresentadas, a única que mostra a produção de um par de um tau e um antitau a partir de um raio gama de alta energia é a opção de resposta (B) .

Pontos chav.

O eletrão, muão, tau e as suas antipartículas são conhecidas como leptões com carga. O eletrão, muão e tau têm uma carga relativa negativa. O eletrão tem uma massa de 9.11 vezes 10 elevado a menos 31 quilogramas. O muão tem uma massa de 1.88 vezes 10 elevado a menos 28 quilogramas. E o tau tem massa de 3.17 vezes 10 elevado a menos 27 quilogramas.

As antipartículas, o positrão, o antimuão e o antitau, todos têm uma carga relativa positiva. O muão, o tau e as suas antipartículas são instáveis e decaem em partículas mais leves. A aniquilação de pares entre uma partícula e uma antipartícula produz um fotão. Um fotão pode emparelhar-se para produzir um par partícula-antipartícula de artigos. Os leptões com carga interagem por meio da força eletromagnética, força nuclear fraca e gravidade.

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