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A origem misteriosa do pósitron: por que a previsão de Dirac em 1928 revolucionou a comunidade científica?
Em 1928, o físico britânico Paul Dirac propôs uma teoria que não apenas mudou o panorama da física de partículas, mas também teve um impacto profundo no desenvolvimento da mecânica quântica. Neste artigo, ele introduziu a equação de Dirac, que nos permite entender que os elétrons não apenas têm soluções de energia negativa, mas também podem ter soluções de energia positiva. O impacto subsequente dessa descoberta levou à previsão do antielétron, ou pósitron.
Um pósitron é a antipartícula de um elétron, com a mesma massa e spin, mas uma carga de +1e. Quando ele colide com um elétron, ocorre uma reação de aniquilação.
Fundamentos teóricos
O nascimento da equação de Dirac é uma unificação histórica da mecânica quântica e da relatividade especial. Quando Dirac derivou a solução para a energia negativa, ele não a concluiu imediatamente até esclarecer seu significado em um artigo subsequente em 1929. Ele presumiu que todos os estados de energia negativa eram "preenchidos", o que significa que era impossível para os elétrons saltarem entre estados de energia positiva e negativa à vontade. Essa hipótese também introduziu uma ideia mais revolucionária: o espaço é um "oceano" cheio de elétrons de energia negativa.
Dirac afirmou em seu artigo: "...um elétron com energia negativa movendo-se em um campo eletromagnético externo se parece com um com carga positiva."
A ideia desencadeou um debate acadêmico que foi desafiado por cientistas de Oppenheimer a Weill, fornecendo importantes insights matemáticos para previsões de teorias futuras. Em seu artigo de 1931, Dirac previu a existência de uma partícula chamada "anti-elétron", que tem a mesma massa de um elétron, mas uma carga oposta. Outros experimentos provaram a credibilidade dessa teoria e revelaram o mistério da antimatéria. .
O alvorecer da descoberta experimental
A descoberta experimental do pósitron não foi simples. Embora Dmitri Skobeltsyn tenha observado pela primeira vez a possível existência do pósitron em 1923, ele não conseguiu determinar sua identidade. Em 1932, Carl David Anderson observou partículas carregadas em uma câmara de nuvens que foram posteriormente confirmadas como pósitrons, uma descoberta que lhe rendeu o Prêmio Nobel de 1936. Ele descobriu o antielétron colocando um campo magnético dentro de uma câmara de nuvem para discernir a carga das partículas. Este momento é considerado um marco na física de partículas e na pesquisa de antimatéria.
"A descoberta do antielétron me fez perceber que este não era apenas um conceito teórico, mas uma entidade real que existia na natureza", escreveu Anderson.
Positrons na vida
Os pósitrons não existem apenas em laboratórios; eles também podem ser encontrados na natureza. O decaimento beta de alguns isótopos radioativos (como o potássio-40) produz pósitrons, que naturalmente geram alguns pósitrons no corpo humano. Cerca de 4.000 pósitrons por segundo morrem no corpo humano e produzem elétrons por aniquilação. Raios gama. O processo está relacionado ao uso médico da tomografia por emissão de pósitrons (PET), que ajuda os médicos a obter imagens tridimensionais da atividade metabólica de um paciente.
A existência de pósitrons no universo
Além de serem produzidos na Terra, pesquisas astronômicas mostram que os pósitrons também existem no universo. Experimentos com satélites observaram pósitrons de raios cósmicos primordiais, o que gerou muita discussão sobre a origem da antimatéria. Alguns pesquisadores sugeriram que a geração de pósitrons pode estar relacionada à aniquilação da matéria escura, o que poderia aprofundar nossa compreensão do universo.
Cientistas especulam que a fonte dos pósitrons pode vir da interação entre raios cósmicos e matéria escura, em vez de áreas não detectadas de antimatéria.
Produção artificial de pósitrons e perspectivas futuras
Com o avanço da tecnologia, os cientistas começaram a conseguir produzir grandes quantidades de pósitrons em ambientes artificiais. Por exemplo, no Laboratório Nacional Lawrence Liverpool, nos Estados Unidos, cientistas usaram lasers potentes para irradiar um alvo e produzir mais de 100 bilhões de pósitrons. Além disso, a pesquisa colaborativa entre o CERN e a Universidade de Oxford alcançou um avanço na produção de 10 trilhões de pares elétron-pósitron no experimento. Esse progresso abriu uma nova maneira de estudar o comportamento de partículas em ambientes extremos no universo.
O estudo dos pósitrons não é apenas crucial para a exploração da física fundamental, mas também abrirá possibilidades ilimitadas em imagens médicas, ciência dos materiais e futuros experimentos em física de partículas. À medida que desvendamos gradualmente o mistério do pósitron, talvez também estejamos nos perguntando: quantos mistérios não resolvidos existem esperando para serem explorados neste oceano de antimatéria?
