• 36 Elétrons e pósitrons são produzidos em reações nucleares envolvendo prótons e nêutrons. Essas reações são conhecidas pelo nome genérico de decaimento beta.
    Se um próton se transforma em um nêutron, é produzido um elétron ou um pósitron?

Passo 1

O enunciado diz: “Se um próton se transforma em um nêutron, é produzido um elétron ou um pósitron?”
Informações dadas:
  • Há a transformação de uma partícula: próton \to nêutron.
  • A pergunta é escolher qual partícula leptônica (elétron ou pósitron) surge nessa transformação.

Passo 2

Conservação de carga elétrica — a regra básica que sempre serve como primeiro filtro. Vou comparar a carga antes e depois da reação.
  • Carga do próton: \, +1 \, (unidade de carga elementar).
  • Carga do nêutron: \, 0 \,.
Para conservar carga, a soma das cargas no final deve ser igual à carga inicial. Logo, a partícula adicional produzida precisa ter carga
+1 - 0 = +1.
Entre elétron e pósitron, o elétron tem carga -1 e o pósitron tem carga +1. Portanto, pela conservação de carga, a partícula produzida deve ter carga +1, isto é, um pósitron.

Passo 3

Conservação do número leptônico — vou explicar por que, além do pósitron, aparece também um neutrino (isso não era pedido, mas ajuda a entender o processo físico completo).
Definição rápida: o número leptônico de elétrons ( L_e) atribui +1 a elétrons e neutrinos eletrônicos e -1 a seus antipartículas (posítrons e antineutrinos). Hadrões (prótons e nêutrons) têm L_e=0.
  • Se a reação produz um pósitron, este tem L_e = -1.
  • Para manter L_e total igual a zero (como no início), precisa surgir também uma partícula com L_e=+1 — isto é o neutrino eletrônico \nu_e.
Assim, a reação completa típica é
p \to n + e^{+} + \nu_e,
o que satisfaz conservação de carga e de número leptônico.

Passo 4

Explicação ao nível de quarks (intuição física simplificada). Isso mostra por que a transformação próton \to nêutron é natural via interação fraca.
  • Composição dos bárions:
    • Próton: p = u\,u\,d (dois quarks u e um d).
    • Nêutron: n = u\,d\,d (um u e dois d).
Cargas dos quarks:
\text{carga do }u=\tfrac{2}{3},\qquad \text{carga do }d=-\tfrac{1}{3}.
Soma das cargas:
\text{próton: }\tfrac{2}{3}+\tfrac{2}{3}-\tfrac{1}{3}=+1, \qquad \text{nêutron: }\tfrac{2}{3}-\tfrac{1}{3}-\tfrac{1}{3}=0.óê
A transformação necessária é então um quark u virando um d. Na interação fraca isso ocorre assim, de forma simplificada:
u \to d + W^{+},
e o bóson intermediário W^{+} decai em
W^{+} \to e^{+} + \nu_e.
Isso reproduz a reação do passo anterior e mostra por que surge um pósitron (o W^{+} carrega carga +1).

Passo 5

Nota sobre energia e em que situações isso ocorre (importante na prova e para não ficar confuso): um próton livre não se transforma espontaneamente em nêutron porque o nêutron é ligeiramente mais massivo que o próton, então a conversão exigiria energia adicional. Em núcleos ou em reações nucleares (ou em colisões de altas energias) há condições que permitem essa transformação — daí ocorrer o chamado decaimento beta positivo ( \beta^{+}) ou processos relacionados (como captura eletrônica). Mas isso não altera a conclusão sobre o sinal da carga da partícula emitida.

Resposta

Pósitron.

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