Dona Fifi aos 19.

Apostilas eletrônicas de Dona Fifi
O NEUTRINO

A CRISE DO DECAIMENTO BETA
Onde Niels Bohr chegou a duvidar da conservação da energia.

A essa altura do campeonato, como dizem meus netos, vocês já devem conhecer bem os produtos da radioatividade: partículas alfa, partículas beta e raios gama.
(Veja A radioatividade e o decaimento do núcleo.)

Nossa conversa começa com o chamado "decaimento beta", processo no qual um núcleo radioativo cospe um elétron (a beta) e vira núcleo de outro elemento. Esse processo, como vimos antes, consiste no "decaimento" de um nêutron que resolve virar próton. Para isso, o nêutron emite uma carga negativa, a partícula beta. Do ponto de vista do balanço de massas e cargas, a reação pode ser escrita como:

1n0 --> 1p1 + 0e-1

Vemos claramente que a carga se conserva na reação: era nula antes e permanece nula depois, pois gera duas cargas opostas e iguais. E a energia? A energia também deve se conservar, isto é, deve ser a mesma no total, antes e depois da reação. Ora, como a reação parece envolver apenas dois objetos, o nêutron que vira próton e o elétron (a beta) que é ejetado, a energia dos elétrons que saem do núcleo deve ser sempre a mesma, com um valor que depende só das massas das partículas e da força envolvida na reação.

Pense no caso simples de duas bolas ligadas por uma mola comprimida. Quando a mola é solta, as bolas são lançadas em direções opostas. Se uma das bolas for muito mais leve que a outra, praticamente toda a energia que estava armazenada na mola é transferida para a bolinha leve que sai com velocidade e energia bem determinadas.

Em princípio, isso também deveria acontecer com o decaimento beta. Quando o nêutron decai em um próton, alguma força interna do núcleo joga o elétron para fora com grande velocidade. Espera-se, portanto, que todos os elétrons emitidos tenham, aproximadamente, a mesma energia.


Bola lançada por uma mola.


Beta lançada por um núcleo.

Digamos que alguém coloque um detetor de elétrons na frente do material radioativo e fique contando os elétrons e medindo suas energias. Como todos os elétrons devem sair do núcleo com (aproximadamente) a mesma energia, essas medidas resultariam em um gráfico parecido com esse que é visto ao lado. Nele, N é o número de elétrons correspondentes a cada energia medida. Na deliciosa gíria dos físicos, esse gráfico é um "espectro" com um único "pico" bem determinado. Era esse tipo de espectro que os físicos esperavam obter quando começaram a observar o decaimento beta.
Pois tiveram uma surpresa. Em vez de um "pico" bem definido, o espectro observado no decaimento beta mostrava uma distribuiçao contínua e espalhada, onde eram contados elétrons com todas as energias possíveis até um valor máximo que dependia só do núcleo radioativo estudado. Como todo mundo acreditava que o processo envolvia apenas duas partículas, o nêutron e a beta, ninguém conseguia entender esse resultado das experiências.

O grande dinamarquês Niels Bohr, meio no desespero, chegou a sugerir que a lei da conservação da energia talvez não valesse para o processo de decaimento beta, a não ser em média. Realmente, como veremos na próxima apostila, verificou-se que a energia média das betas coincide com a energia gasta pelo núcleo para emití-las. E veremos também como, após várias controvérsias, surgiu um palpite feliz de Wolfgang Pauli que resolveu o mistério do espectro de energia do decaimento beta.

O palpite de Pauli e o neutrino de Fermi.

A descoberta do neutrino.

Os neutrinos e o Modelo Padrão.

O enigma do déficit de neutrinos solares.

A tripla personalidade dos neutrinos.

O neutrino tem massa?

A nova crise do neutrino.