O fato de muitos dos que estudam a natureza da matéria comum serem confusos pela primeira vez é que o núcleo de qualquer átomo é mais pesado que o hidrogênio contém prótons e nêutrons, mas ao mesmo tempo os nêutrons decaem (desintegram-se em outras partículas) em uma média de 15 minutos! Como os núcleos de carbono, oxigênio, nitrogênio e silício podem ser tão estáveis se os nêutrons de que são compostos não podem sobreviver por si mesmos?
A resposta a essa pergunta acaba sendo muito simples depois que você entende como a energia funciona: isso é pura contabilidade. Mas entender a energia está longe de ser fácil. Primeiro você precisa ler
um artigo sobre os tipos de energia . Antes disso, você precisa ler o
artigo sobre energia, momento e massa . Esses conceitos devem ser apresentados antes de entender a resposta à pergunta.
Se você lê um artigo sobre a energia de interação, sabe que um átomo de hidrogênio consiste em um próton e um elétron que, devido à energia negativa da ligação, não conseguem escapar um do outro - eles estão presos dentro do átomo. A energia de ligação negativa vem da energia de interação negativa, parcialmente equilibrada pela energia positiva de movimento do elétron (e um pouco - o próton). A energia de interação vem da ação de um elétron em um campo elétrico próximo a um próton (e vice-versa).
Neste artigo, explicarei por que um nêutron é estável no próximo núcleo atômico mais simples: um deuteron, um núcleo de "hidrogênio pesado" ou "deutério". Um deuteron consiste em um nêutron e um próton - em princípio é simples, e não muito diferente de um átomo de hidrogênio com um elétron e um próton. Entendendo por que um nêutron é estável em um deuteron, você entenderá o princípio básico pelo qual os nêutrons podem ser estáveis dentro de todos os núcleos estáveis. A linha inferior é: a energia de interação de prótons e nêutrons é negativa e, portanto, bastante grande, em alguns núcleos a decadência de um nêutron levaria a um aumento na energia do sistema (consistindo no restante do núcleo após sua decaimento e em todas as partículas emitidas durante a decaimento), o que violaria a lei da conservação de energia. Como a energia deve ser conservada, a deterioração não é possível.
Não descreverei a interação de um nêutron com um próton, uma vez que uma forte interação é responsável por isso, muito mais complexa do que as interações elétricas (e magnéticas) entre um próton e um elétron que compõem um átomo de hidrogênio. Parte dessa complexidade se deve à natureza composta da interação - é um pouco como a interação eletromagnética pode ligar dois átomos de hidrogênio a uma molécula de hidrogênio, embora ambos os átomos sejam eletricamente neutros. Mas alguns detalhes importantes não são cobertos por essa analogia. A física nuclear é uma questão separada.
Fig. 1Felizmente, não precisamos dessas dificuldades. Precisamos saber que essas forças criam energia de interação negativa para um sistema de prótons, nêutrons e vários campos complexos, permitindo que eles se influenciem. O resultado é um deuteron estável. Assim como um átomo de hidrogênio não pode decair repentinamente em um elétron e próton, um deuteron não pode decair repentinamente em um nêutron e um próton.
Isso não significa que um deuteron ou um átomo de hidrogênio não possam ser destruídos. Você pode "ionizar" um átomo de hidrogênio (nocautear um elétron em um próton) se adicionar energia externa - na forma de, por exemplo, um fóton bastante energético. O mesmo método pode ser usado para quebrar o deutério e nocautear um nêutron em um próton. Mas a energia para isso deve ser obtida fora do sistema; nem o hidrogênio nem o deuteron decairão por conta própria.
O nêutron pode decair
Vamos relembrar a condição necessária (mas não suficiente) para a deterioração de um objeto - a massa do objeto inicial deve exceder a soma das massas dos objetos nos quais ele decai. De onde vem essa condição? Da lei de conservação de energia. Em breve veremos como e por que (como de costume, em massa, quero dizer "massa de paz").
Fig. 2Vamos verificar se essa condição é satisfeita para um nêutron, que pode decair em próton, elétron e antineutrino. A deterioração é mostrada na Figura 2; o nêutron se transforma espontaneamente nessas três partículas. Na verdade, o nêutron e o próton são maiores que o elétron e o antineutrino - embora a imagem ainda não esteja em escala. O diâmetro de um nêutron ou próton é cerca de um bilionésimo de bilionésimo de trilhão de metro (100.000 vezes menor que um átomo) e, sobre o diâmetro de um elétron ou neutrino, sabe-se que é pelo menos 1.000 vezes menor que isso.
Na fig. 3 mostra a contabilidade de energia (veja a Fig. 1). Antes da decaimento de nêutrons, a energia de todo o sistema é igual à energia de massa (E = mc
2 ) do nêutron. A massa de nêutrons é de 0,939565 ... GeV / c
2 .
As reticências indicam que este não é um valor exato, mas até agora não precisamos de mais precisão. Portanto, a energia da massa de nêutrons
0,939565 ... GeV / c
2Após a decaimento de nêutrons, qual será a energia de todo o sistema? Como a energia é conservada, mas nenhuma energia foi fornecida de fora, a energia do sistema será igual à mesma - 0,939565 ... GeV!
Mas como é distribuído?
Em primeiro lugar, não teremos a energia da interação. Isso não é óbvio, mas muito importante. Quando um próton, elétron e antineutrino se separam, a energia de sua interação se torna insignificante.
Em segundo lugar, cada uma das partículas possui energia de massa. Quanto está aí?
• A energia de massa do próton é de 0,938272 ... GeV.
• A energia da massa de elétrons é 0,000511 ... GeV.
• A energia da massa antineutrina pode ser negligenciada, é muito pequena.
E isso é bom, já que a massa de neutrinos ainda não é conhecida por nós. Sabemos que é pelo menos muito menor que 0,000001 GeV.
A energia de massa resultante é igual a
(0,938272 ... + 0,000511 ... + 0,000000 ...) GeV = 0,938783 ... GeV
Que é menor que a energia de massa do nêutron com a qual começamos, em 0,000782 ... GeV. Até agora, não vemos como é preservado. A energia de massa de um nêutron não se transformou completamente na energia de massa de um próton, elétron e neutrino. O excesso de energia na Fig. 3 são mostrados em amarelo.
Fig. 3A diferença pode ser compensada com a energia do movimento. Ela é sempre positiva. Só precisamos distribuir 0,000782 ... GeV extra entre os movimentos das partículas para que o momento do sistema seja preservado (acredite, isso é possível). Então a energia será salva, uma vez que a energia da massa do nêutron se transformou na energia da massa e na energia do movimento do próton, elétron e neutrino.
Não indiquei a quantidade exata de energia do movimento que foi gasta para o próton, elétron e neutrino, pois em cada um dos casos de decaimento de nêutrons a energia será distribuída de diferentes maneiras, apenas aleatoriamente (como é a mecânica quântica). Somente a energia total do movimento será sempre a mesma, 0,000782 ... GeV.
Deuteron é estável
De volta ao deuteron. A energia total de um deuteron, como a de um átomo de hidrogênio, consiste na energia positiva da massa de seus dois componentes (próton e nêutron), na energia positiva de movimento dos dois componentes e na energia de interação negativa, mais do que na energia de movimento. Além disso, como em qualquer partícula ou sistema, a massa do deuteron será igual à sua energia total (mais precisamente - a energia total que você mede quando não se move em relação a você), dividida por c
2 , o quadrado da velocidade da luz. Assim, se o deuteron está descansando em relação a você, com base em sua massa medida igual a 1.875612 ... GeV / s
2 , podemos dizer que sua energia é
A energia de massa do deuteron = 1.875612 ... GeV =
• Energia de massa de prótons + energia de massa de nêutrons,
• A energia do movimento de prótons + a energia do movimento de nêutrons,
• A energia da interação (negativa e mais em magnitude do que a energia do movimento).
<energia de massa de prótons + energia de massa de nêutrons
= 0,938272 ... GeV + 0,939565 ... GeV = 1,877837 ... GeV
Portanto, a energia de ligação do deuteron é
1.875612 ... GeV - 1.877837 ... GeV = -0.002225 ... GeV
Fig. 4Energia de ligação negativa significa, como no caso de um átomo de hidrogênio, que um deuteron não pode simplesmente entrar em colapso em nêutron e próton, como mostra a Fig. 4. Isso violaria a conservação de energia, que afirma que uma partícula em decomposição deve ser mais massiva do que as partículas em que se decompõe. Como mostrado na fig. 5, você não pode economizar energia de nenhuma maneira. O nêutron e o próton têm mais energia de massa que o deuteron, e não há fonte de energia negativa capaz de absorver o déficit de energia, uma vez que não há energia de interação entre o próton e o nêutron e a energia negativa do movimento. Isto significa que o processo na Fig. 4 não pode acontecer.
Fig. 5
O nêutron dentro do deuteron não pode decair
Um passo permaneceu e, em comparação com os anteriores, é bastante simples. A questão é: por que um nêutron não pode decair dentro de um deuteron?
Digamos que terminou: o que resta? Então teremos dois prótons, um elétron e um antineutrino; ver foto 6. Dois prótons se repelem - eles têm uma carga elétrica positiva e a força elétrica os afasta. Uma forte interação nuclear, tentando uni-los, não é tão forte quanto a de um nêutron com um próton, e o efeito combinado das duas forças será repulsivo. Como resultado, essa interação repelirá prótons. Enquanto isso, o elétron e o antineutrino também sairão de cena.
Fig. 6Quando todas as quatro partículas estiverem afastadas (como mostrado na Figura 6, mas imagine que elas se espalharam ainda mais), não haverá energia de interação significativa entre elas. A energia do sistema consistirá apenas na soma das energias das massas de partículas e das energias do movimento. Como a energia do movimento é sempre positiva, a energia mínima que as partículas podem ter será igual à soma de suas energias de massa. Mas essa energia é maior que a energia da massa deuteroniana (Fig. 7)! Até a energia de massa de dois prótons, 1,876544 ... GeV já é maior que a energia de massa do deuteron. E um adicional de 0,000511 GeV apenas derrama sal na ferida.
Portanto, o nêutron dentro do deuteron não pode decair; a energia de interação que mantém o deuteron reduz sua massa - baixa o suficiente para que a decomposição de nêutrons dentro do deuteron viole a conservação de energia!
Fig. 7Outros núcleos atômicos
E assim é com todos os núcleos estáveis da natureza. Mas não pense que sempre que você combina nêutrons e prótons, o resultado é um núcleo estável! Núcleos estáveis são extremamente raros.
Se você pegar prótons Z e N nêutrons e tentar criar um núcleo a partir deles, então para a maioria das variantes Z e N você não terá sucesso. A maioria desses núcleos decairá instantaneamente; eles não se formarão. Grosso modo, a força atrativa entre os prótons Z e os nêutrons N é mais forte quando Z é aproximadamente igual a N. Por outro lado, os prótons se repelem devido à interação eletromagnética. Essa força aumenta com o aumento de Z. A competição desses dois efeitos sugere que o núcleo provavelmente será estável quando Z for ligeiramente menor que N; e quanto maior Z e N, maior deve ser a diferença entre Z e N. Isso pode ser visto na Fig. 8. Somente os núcleos marcados em preto são estáveis; eles estão localizados no que é poeticamente chamado de "vale da estabilidade".
E que tipo de núcleo é indicado pela cor? Acontece que existem alguns núcleos que ainda se deterioram, mas podem viver por algum tempo. Freqüentemente chamamos esses objetos de "instáveis", e aqueles que vivem o suficiente são "metaestáveis". O uso de palavras depende do contexto. O nêutron vive 15 minutos. Existem kernels que vivem por alguns milissegundos, dias, décadas, milênios e até bilhões de anos. Chamamos esses núcleos de radioativos; essas são as perigosas conseqüências de casos envolvendo radiação ou armas, e as ferramentas usadas nos detectores de fumaça e no combate ao câncer, entre outros.
Existem várias maneiras pelas quais esses núcleos podem decair, mas alguns deles decaem, transformando um nêutron em um próton dentro do núcleo. Sabemos disso aumentando a carga do núcleo e pelo fato de que um elétron voa dele junto com o antineutrino. Outros podem até decair, transformando um próton em nêutron! Sabemos disso porque a carga do núcleo diminui e um pósitron (anti-elétron) sai dela. A física nuclear muito complicada está envolvida no cálculo de quanto um determinado núcleo pode viver e como ele se deteriorará - aqui não darei um curso sobre ele (e não sou um especialista).
Fig. 8Basta dizer que a energia negativa da interação de partículas, combinada com a conservação de energia, pode mudar todo o jogo, impossibilitando certos processos possíveis sob condições comuns - e vice-versa.