A descoberta de fato dos elétrons positivos ou pósitrons foi realizada independentemente daquele trabalho teórico, em conexão com observações efetuadas sobre os chamados Raios Cósmicos.

O que se observa à superfície da Terra não é decerto a radiação cósmica original, mas sim uma mistura de várias partículas secundárias, entre elas elétrons, ejetados das moléculas do ar por vários processos já referidos. O fato de a sua intensidade depender da latitude geográfica - é mais fraca no equador do que nos pólos - parece lançar alguma luz sobre a questão da natureza da radiação primária. Deve tratar-se, por essa razão, de partículas eletricamente carregadas que são desviadas no campo magnético da terra, pois uma nuvem de partículas carregadas lançadas sobre um magneto concentra-se principalmente em torno dos pólos fato conhecido já há muito pela explicação das auroras boreais dada por Störmer (desde 1903). Além disso, pode também determinar-se o sinal da carga das partículas incidentes, visto que as partículas positivas e negativas são desviadas em sentidos diferentes pelo campo magnético terrestre. As partículas positivas são desviadas para Oeste e as negativas para Leste. A partir desta assimetria leste-oeste, foi possível demonstrar que pelo menos a maioria das partículas dos Raios Cósmicos que chegam até nos são carregadas positivamente. Está agora bem estabelecido que a maior parte das partículas são prótons. Contudo, observam-se também núcleos de hélio, compostos do grupo CNO e alguns núcleos pesados como o ferro. Especula-se ainda bastante sobre a origem dos Raios Cósmicos embora pareça poder concordar-se em que retiram a energia ou da dispersão caótica por grandes nuvens magnéticas (Fermi) ou por aceleração do tipo síncrotron, por exemplo, na nebulosa de Caranguejo. No primeiro caso as partículas ganham energia à custa das nuvens magnéticas que provocam a dispersão; o processo é muito parecido com a diminuição de velocidade dos nêutrons num moderador de baixa temperatura, exceto em que, neste caso, os nêutrons perdem em vez de ganharem energia. O mecanismo de Fermi tem a vantagem de fornecer uma explicação natural de espectro de energia observado nas partículas dos Raios Cósmicos primários. Contudo parece haver poucas dúvidas de que a nebulosa de Caranguejo é também uma fonte de Raios Cósmicos mas, infelizmente, desse fato não resulta qualquer explicação simples do espectro de energia.

Ao viajarem através da atmosfera os prótons primários produzem partículas secundárias, entre elas numerosos elétrons, por um processo a ser discutido a seguir.

Anderson foi o primeiro a notar que numa mesma fotografia apareciam freqüentemente duas espécies de trajetórias, de curvaturas opostas, embora ambas semelhantes às trajetórias dos elétrons. Por conseguinte, se não acreditarmos na existência de elétrons positivos, devemos supor que uma doas trajetórias é percorrida em sentido contrário da outra. Esta possibilidade foi eliminada da maneira que vamos indicar. Numa câmara foi colocada uma placa de chumbo, tendo-se encontrado trajetórias devidas a partículas que tinham atravessado a placa. Mas uma tal partícula, depois de passar pela placa, deve ter necessariamente velocidade menor e portanto trajetória de maior curvatura do que antes; deste modo pode determinar-se o sentido em que as trajetórias são descritas. A existência dos pósitrons ficou assim provada.

Do ponto de vista teórico a descoberta do pósitron é da maior importância, pois confirma a teoria de Dirac já mencionada, cujo significado é o seguinte: que nem os elétrons nem os pósitrons são permanentes e indestrutíveis, podendo aniquilar-se uns aos outros, se colidirem, com emissão de energia sob a forma de ondas de luz; e, inversamente, que uma onda luminosa de energia elevada pode em certas circunstâncias ser origem de um par elétron-pósitron. Há certeza experimental para ambos os fenômenos. O fato de preponderarem os elétrons negativos no nosso mundo real é incoerente com a teoria.

Se através de um átomo ou molécula passar um elétron muito rápido será defletido pelo campo elétrico do núcleo atômico. Sempre que um elétron rápido sofre a variação da velocidade ou da direção do movimento há emissão de luz. Quanto mais rápido é o elétron mais curto é o comprimento de onda das ondas emitidas. Para os elétrons mais rápidos produzidos pelos meios usuais no laboratório o comprimento de onda é o dos raios X.

No caso dos elétrons dos Raios Cósmicos o comprimento de onda é mesmo mais curto que o dos raios gama . Tanto as investigações teóricas como experimentais revelaram que a intensidade dos raios ultra g é tão elevada que o elétron ao passar pela matéria transformam-se em pares de elétrons como se disse acima. Os elétrons positivos e negativos que constituem estes pares, têm, evidentemente, menos energia que o elétron original, mas se a energia deste último for suficientemente elevada, a energia de cada elétron secundário positivo e negativo pode ser suficientemente grande para produzir outra vez raios ultra g . E, assim, vai-se repetindo o processo, produzindo mais e mais pares, até que a energia se esgote e que a energia de cada elétron individual seja demasiado pequena para dar origem a qualquer outra multiplicação. A grandeza de tal girândola pode ir desde 2 a vários milhares de partículas, conforme a energia do elétron que a inicia.

Contudo, as experiências com Raios Cósmicos revelaram a existência de partículas com um poder penetrante muito maior excedendo 1m de chumbo e mesmo mais (Bothe e Kohlhörster, 1928). A natureza destas partículas penetrantes constituiu um enigma para os físicos durante muito tempo. É claro que se a explicação que demos do processo de formação das girândolas for aceita - e as experiências não dão lugar a dúvidas de que seja correta - as partículas penetrantes não poderão ser elétrons. Este dilema conduziu ao reconhecimento de partículas elementares de nova espécie, chamadas mésons.

Não é difícil ver que propriedades deve ter uma partícula para que possa emitir menos energia sob a forma de raios ultra g do que os elétrons e tenha por isso maior poder penetrante. O desvio que a partícula sofre ao passar através de um átomo depende evidentemente de sua massa. Uma partícula pesada será menos desviada, e portanto perderá menos energia, do que uma partícula leve. Surgiu naturalmente a idéia de que as partículas penetrantes dos Raios Cósmicos são mais pesadas que os elétrons. Podia conjeturar-se que se tratava de prótons. Mas então todas deviam ser positivas o que não é o caso. Foi só depois de 1938 (Williams e Pickup, Nishina e outros) que pode ser avaliada experimentalmente a massa dessas partículas. (Para este fim deve medir-se a curvatura da trajetória num campo magnético, que permite calcular a razão mv/e e, simultaneamente, a sua ionização da qual se deduz indiretamente v). O resultado foi este: a massa das partículas penetrantes é cerca de 200 vezes a do elétron ou 1/10 da massa do próton. Por esta razão deu-se o nome de méson a esta partículas; méson pi significa médio.

O núcleo atômico é constituído por duas espécies de partículas, prótons e nêutrons. Têm uma arrumação muito apertada, visto que o raio do núcleo, determinado por diferentes métodos, varia apenas entre 2 e 9.10^-13 cm.

O que é que mantém, perguntar-se-á, tão intimamente unidos os prótons e nêutrons? Deve existir qualquer espécie de força atrativa entre eles. Esta não pode ser de natureza elétrica, porque o nêutron não tem carga e não é, portanto, sensível aos campos elétricos. Assim Yukawa concluiu que deve existir uma nova espécie de campo, análogo ao campo eletromagnético mas de natureza diferente e responsável pela atração entre o próton e o nêutron (campo mesônico). Em estreita analogia com o caso vulgar de uma partícula carregada, admitimos que, tanto o próton como o nêutron, possuem uma carga mesônica que designamos por f e produz essa campo mesônico. Um próton e um nêutron atrair-se-ão um ao outro, por conseguinte, como duas partículas eletricamente carregadas, havendo entre eles um potencial mútuo análogo ao potencial de Coulomb -e²/r, existente entre duas cargas elétricas de sinais contrários. Contudo o campo mesônico difere flagrantemente dos campos eletromagnéticos em dois aspectos. Como explicamos acima, as forças nucleares têm um alcance muito pequeno (2 a 3.10^-13 cm). Por esta razão Yukawa supôs que o potencial entre duas partículas nucleares não é -f²/r, mas sim

Os mésons devem ser considerados como partículas elementares, isto é, como não formados por outras partículas. Diferem, contudo, dos elétrons e das partículas nucleares (prótons e nêutrons) pois não aparecem na estrutura da matéria ordinária. Porquê assim? A resposta foi já dada na primeira comunicação de Yukawa: os mésons não são partículas estáveis. Abandonado a si mesmo, um méson desintegra-se em outras partículas elementares. Os diferentes modos possíveis de declínio são indicados na Tabela 01.

Por serem instáveis, os mésons não podem ser as partículas primárias da radiação cósmica. Devem ter sido produzidos em algum lugar na atmosfera terrestre. Viajando com suficiente rapidez poderiam ter tempo de atingir o nível do mar antes de se desintegrarem. Sabemos que as partículas primárias vindas do espaço interestelar são provavelmente prótons. Podemos agora compreender como os mésons são produzidos pelos prótons primários. Quando um próton primário rápido entra na atmosfera pode acontecer que colida com um núcleo de oxigênio ou de ozônio que, como sabemos, é também constituído por prótons e nêutrons. Cada uma destas partículas, assim como o próton primário, é rodeada por um campo mesônico. Num choque violento entre em elétron e outra partícula carregada ( o qual é o verdadeiro processo que inicia uma girândola).

Os mésons associados com estas ondas desintegrar-se-ão mais cedo ou mais tarde e produzirão elétrons. Muitos deles desintegram-se de fato na camada superior da atmosfera e só os rápidos atingem o nível do mar. Aparece por isso um grande número de elétrons - como produto da desintegração de mésons - na radiação cósmica. O seu número aumentará em seguida por multiplicação em cascata. É esta a origem dos elétrons na radiação cósmica. As idéias de Yukawa ajudaram-nos, assim, a ordenar e a compreender uma grande variedade de observações. No entanto investigações recentes mostraram que os fatos são muito mais complexos do que se pensava até então.

Algumas discrepâncias entre a teoria e a observação, por exemplo entre os valores calculados para a vida média e os valores medidos, atrás mencionados, levaram Marshak e Bethe (1947) a sugerirem a idéia de que existiriam duas espécies diferentes de mésons. A primeira prova deste fato foi dada pela escola de Bristol dirigida por Powell (Lattes, Muirhead, Occhialini e Powell, 1947) e confirmada no ano seguinte por este grupo e em Berkeley, Califórnia (1948). Este resultado foi conseguido elevando o método das trajetórias fotográficas a um alto grau de perfeição. Concluiu-se que os mésons primários dos Raios Cósmicos, chamados mésons pi , têm uma massa de cerca de 273m_e, se carregados positivamente ou negativamente, e 264m_e, quando neutros. Os mésons pi carregados (positivos ou negativos) desintegram-se dando um méson mi com mesma carga e de massa 207m_e e um neutrino sendo o período das partículas primárias, para este processo de desintegração, de cerca de 2,5.10^-8segundos. Os mésons pi negativos, contudo, têm pequena probabilidade de desintegrar-se espontaneamente e são geralmente atraídos pelos núcleos positivos dos átomos vizinhos e capturados por eles, produzindo violentas explosões nucleares. Os mésons mi secundários, por sua vez, dando um elétron e um pósitron, (conforme a carga) e dois neutrinos; o período é 2,20.10^-6 segundos. Por outro lado, os mésons pi neutros (p ⁰) desintegram-se dando dois quanta de raios gama. O fato de as explosões nucleares serem em geral provocadas por mésons pi (negativos) indica que é este tipo mais pesado de méson que está relacionado com as forças nucleares consideradas por Yukawa. Todavia, embora a sua teoria relativamente simples pareça ser qualitativamente correta, não explica os pormenores das interações entre partículas nucleares.

Experiências levadas a efeito em Berkeley confirmaram os resultados da escola de Bristol. Gardner e Lattes anunciaram em 1948 que tanto os mésons pi como os mi são produzidos bombardeando alvos de vários materiais com partículas alfa de mais de 300MeV obtidas no cíclotron da Califórnia. As massas dos mésons pi e mi foram determinadas por muitos investigadores, sendo

Além dos mésons pi e mi está atualmente bem estabelecida a existência doutro grupo (mésons K) cujas massas estão situadas na zona de 1000m_e. Todos eles se desintegram dando combinações de mésons pi e nêutrons e carregados, ou de mésons pi e leptons (lepton é uma designação que abrange o elétron, o neutrino e o méson mi ). Estes declínios têm períodos da ordem de 10^-8 a 10^-10s, muito lentos se considerarmos uma escala de tempo nuclear (tendo em consideração as dimensões poderá escrever-se t = R/c como um tempo nuclear típico, sendo R uma grandeza característica, igual a cerca de 10^-15 cm. Obtém-se t aproximadamente igual 10^-23 segundos.) Por esta razão a interação básica responsável por estes processos de declínio tem o nome de interação fraca. Foi identificada e está hoje bem estabelecida a existência de outro grupo de partículas com massas superiores à do núcleo. Estas partículas são designadas por hiperons e desintegram-se dando origem a nêutrons e prótons, e a mésons pi ou a leptons, com períodos da ordem de 10^-10 a 10^-11s. Também aqui os processos de declínio são muito lentos sendo uma antipartícula que em muitos casos foi identificada experimentalmente.

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