Decaimento do Neutron
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Um neutron livre irá decair com uma meia-vida de cerca de 10,3 minutos, mas é estável se combinado num núcleo. Este decaimento é um exemplo de decaimento beta com a emissão de um electrão e de um antineutrino de electrões. O decaimento do nêutron envolve a fraca interação, como indicado no diagrama de Feynman à direita. |
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Um diagrama mais detalhado do decaimento do nêutron identifica-o como a transformação de um dos quarks inferiores do nêutron em um quark superior. É um exemplo do tipo de transformações de quark que estão envolvidas em muitos processos nucleares, incluindo o decaimento beta. |
O decaimento do nêutron é um bom exemplo das observações que levaram à descoberta do neutrino. Uma análise da energética do decaimento pode ser usada para ilustrar os dilemas que enfrentaram os primeiros investigadores deste processo.
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Usando o conceito de energia de ligação, e representando as massas das partículas pelas suas energias de massa em repouso, o rendimento energético da decomposição do neutron pode ser calculado a partir das massas das partículas. O rendimento energético é tradicionalmente representado pelo símbolo Q. Como a energia e o momento devem ser conservados na decomposição, será mostrado que o electrão mais leve transportará a maior parte da energia cinética. Com uma energia cinética desta magnitude, a expressão da energia cinética relativista deve ser utilizada. |
Por enquanto presumimos (incorrectamente) que a decomposição envolve apenas o protão e o electrão como produtos. O rendimento energético Q seria então dividido entre o protão e o electrão. O elétron receberá a maior parte da energia cinética e será relativista, mas o próton não é relativista. O balanço energético é então
No restante quadro do nêutron, a conservação do momento requer
e pcelectron pode ser expresso em termos da energia cinética dos electrões
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O balanço energético então torna-se
Quando você substitui os números para este valor de Q, você vê que o termo KEe2 é insignificante, por isso a energia cinética necessária do elétron pode ser calculada. A energia cinética do electrão necessária para este esquema de decomposição de duas partículas é
Likewise, o momento do electrão para esta decomposição de duas partículas é limitado a ser
Momento e energia para a decomposição de duas partículas são limitados a estes valores, mas esta não é a forma como a natureza se comporta. As distribuições de momento e energia observadas para o elétron são as seguintes.
O fato de que os elétrons produzidos a partir do decaimento dos nêutrons tiveram distribuições contínuas de energia e momento foi uma clara indicação de que havia outra partícula emitida junto com o elétron e o próton. Tinha que ser uma partícula neutra e em certos decaimentos transportava quase toda a energia e momento do decaimento. Isto não teria sido tão extraordinário excepto o facto de que quando o electrão tinha a sua energia cinética máxima, era responsável por toda a energia Q disponível para a decomposição. Portanto, não sobrou energia para contabilizar a energia da massa da outra partícula emitida. Os primeiros experimentadores foram confrontados com o dilema de uma partícula que podia transportar quase toda a energia e momento da decomposição mas que não tinha carga e aparentemente nenhuma massa!
A misteriosa partícula foi chamada de neutrino, mas foi vinte e cinco anos antes de uma observação experimental inequívoca do neutrino ser feita por Cowan e Reines. O entendimento actual da decomposição do neutrino é
Esta decomposição ilustra algumas das leis de conservação que governam a decomposição das partículas. O próton no produto satisfaz a conservação do número de bariões, mas o aparecimento do electrão desacompanhado violaria a conservação do número de leptões. A terceira partícula deve ser um antineutrino de elétron para permitir que a decomposição satisfaça a conservação do número de leptões. O electrão tem o número de leptão 1 e o antineutrino tem o número de leptão -1.
Detecção experimental de neutrinos
Estabilidade do neutrão no deuteron