Os Léptons (leves) e a liberdade

Os Léptons (leves) são partículas elementares que juntamente com os quarks constituem os Férmions chamados de "tijolos" da matéria; coisas são feitas de férmions e acontecem por causa dos bósons (Loos, P.).

São caracterizados por não sofrerem influência da força forte que mantém os prótons e nêutrons no núcleo do átomo, participando somente das interações eletromagnéticas e fracas.

Os léptons são partículas "livres" por não ficarem no núcleo do átomo podendo "viajar" por conta própria.

Existem seis tipos de léptons conhecidos e suas antiparticulas, agrupados em três gerações:

1. Primeira geração:

   • Elétron (e⁻): O elétron é a partícula mais conhecida da primeira geração de léptons. Ele possui uma carga elétrica elementar negativa (-1) e é encontrado em átomos, orbitando em torno do núcleo.
   • Neutrino do elétron (νe): O neutrino do elétron é uma partícula neutra sem carga elétrica que interage muito fracamente com a matéria. Ele é emitido em reações nucleares, como no Sol.

2. Segunda geração:

   • Muon (μ⁻): O múon é uma partícula semelhante ao elétron, mas é cerca de 200 vezes mais massiva. Ele também possui uma carga elétrica negativa.
   • Neutrino do múon (νμ): Assim como o neutrino do elétron, o neutrino do múon é neutro e interage fracamente com a matéria.

3. Terceira geração:

• Tau (τ⁻): O tau é a partícula mais massiva da família dos léptons. Ele também possui uma carga elétrica negativa.
• Neutrino do tau (ντ): O neutrino do tau é a contraparte neutra do tau e interage fracamente com a matéria.
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• Sobre suas principais propriedades quânticas:

1. Carga elétrica: Os elétrons, múons e táus possuem uma carga elétrica negativa (-1), enquanto os neutrinos são eletricamente neutros.

2. Massa: Os elétrons são os léptons mais leves, seguidos pelos múons e, por fim, os táus, que são os mais massivos. Os neutrinos têm massas muito pequenas, embora ainda não tenhamos uma medida precisa de suas massas.

3. Spin: Os léptons têm um spin intrínseco de ½, o que significa que eles são férmions e obedecem ao princípio da exclusão de Pauli, que impede que dois léptons idênticos ocupem o mesmo estado quântico simultaneamente.

Sobre a descoberta dos Léptons:

O elétron foi o primeiro lépton a ser descoberto, em 1897 pelo físico britânico Joseph John Thomson. Um elétron tem uma energia de massa de repouso de 0,511 MeV (Mega elétron-volt) (que equivale a 9,1 x 10-31 quilogramas). Os elétrons são componentes importantes dos átomos, orbitando o núcleo de um átomo composto de prótons e nêutrons.

Os Múons foram descobertos em 1936 por Carl Anderson e Seth Neddermeyer, que realizavam experimentos com raios cósmicos do espaço profundo (Anderson já havia descoberto a antipartícula do elétron, o pósitron, quatro anos antes).

As partículas Tau foram descobertas por experimentos de aceleradores de partículas de Martin Perl em 1975 e, como os múons, também são criadas apenas em violentas colisões de partículas. As partículas Tau são  cerca de 3.700 vezes mais massivos que um elétron.

        Sobre as diferenças entre os Léptons e Quarks:

Os léptons são férmions, o que significa que eles têm um spin de 1/2. Quarks, que são os blocos de construção de prótons e nêutrons que formam a base dos núcleos atômicos, também são férmions. 

Então, existe alguma diferença entre léptons e quarks?

Sim existe. Crucialmente, os quarks são as únicas partículas a experimentar todas as quatro forças fundamentais: A força nuclear forte, a interação fraca, a força eletromagnética e a gravidade. Por outro lado, os léptons experimentam apenas três delas: A interação fraca, a força eletromagnética e a gravidade.

A força forte é a cola que une os quarks para formar núcleos atômicos. Por causa disso, nenhum quark pode existir isoladamente. Como os léptons não sentem a força forte, eles são livres para existir sozinhos, fora dos átomos, flutuando no espaço. Embora as partículas de múons e tau não existam por tempo suficiente antes de decair por meio da interação fraca para aproveitar ao máximo sua liberdade, elétrons livres e neutrinos são componentes-chave do universo de partículas.

Sobre sua interação com as forças fundamentais da natureza:

1. Interacao eletromagnética: Todos os léptons possuem carga elétrica e, portanto, interagem com o campo eletromagnético. Essa interação é responsável por fenômenos como a repulsão entre elétrons devido à carga negativa.

2. Interacao fraca: Os léptons também interagem através da força fraca, que é responsável por certos processos de decaimento radioativo. Por exemplo, um nêutron pode se transformar em um próton, emitindo um elétron (decaimento beta).

3. Interacao gravitacional: Todos os léptons, assim como todas as outras partículas com massa, são afetados pela força gravitacional. A gravidade é a força mais fraca em comparação com as outras forças fundamentais, mas é responsável pela atração mútua entre as partículas.

4. Interacao forte: Ao contrário dos hádrons, os léptons não são afetados pela interação forte pelo motivo de não possuírem a carga de COR. A interação forte é a força responsável por manter os núcleos atômicos unidos e não afeta diretamente os léptons.

O comportamento livre dos léptons na natureza refere-se à forma como eles se movem e interagem quando estão isolados de outras partículas. Em condições normais, quando um lépton está livre, ou seja, não está próximo de outras partículas, ele segue princípios fundamentais da física, como o princípio da inércia e as leis de conservação.

1. Movimento livre: De acordo com o princípio da inércia, um lépton em movimento livre continuará a se mover em linha reta e com velocidade constante, a menos que seja afetado por uma força externa. Isso significa que um elétron, por exemplo, continuará a se mover em uma trajetória reta, a menos que uma força externa, como uma interação eletromagnética, atue sobre ele.

2. Conservação de energia e momento: Os léptons obedecem às leis de conservação de energia e momento. Isso significa que a energia total de um lépton isolado, composta de sua energia cinética e energia potencial (se houver), permanece constante, a menos que uma força externa realize trabalho sobre ele. Da mesma forma, o momento linear de um lépton, que é a quantidade de movimento associada a ele, também é conservado em uma interação livre.

3. Interações eletromagnéticas: Como mencionado anteriormente, os léptons interagem com o campo eletromagnético devido à sua carga elétrica. Isso significa que eles podem ser afetados por campos elétricos e magnéticos externos. Por exemplo, um elétron em movimento livre pode ser desviado ou acelerado em um campo magnético, de acordo com a força de Lorentz.

4. Interação fraca: Embora menos proeminente em condições normais, a interação fraca também pode afetar os léptons. A força fraca é responsável por processos como decaimentos radioativos e interações envolvendo neutrinos. No entanto, essas interações são geralmente raras e ocorrem em escalas de tempo mais longas.

5. Interferência e difração: Assim como outras partículas, os léptons também podem exibir fenômenos de interferência e difração quando sujeitos a condições adequadas. Por exemplo, os elétrons podem exibir padrões de interferência quando passam por uma dupla fenda, demonstrando sua natureza ondulatória.

Para saber mais ... COOPER, Keith. Leptons: The elementary particles explained. Space, Nova York, 20, jan. 2023. References. Disponível em: <https://www.space.com/leptons-facts-explained>. Acesso em: 25, jan. 2023.

TIRINHA DO DIA

Próximo tema: Os Bósons e a mediação das forças da natureza, espero você na segunda dia 19 de junho.