A Carga É Conservada

21.23 Conhecer as definições de número de massa e número atômico em termos do número de

prótons, nêutrons e elétrons de um átomo.

Ideias-Chave

• A carga elétrica total de um sistema isolado é conservada. • Para que duas partículas carregadas se aniquilem mutuamente, é preciso que tenham cargas de sinais opostos.

• Para que duas partículas carregadas sejam criadas, é preciso que tenham cargas de sinais opostos.

A Carga É Conservada

Quando esfregamos um bastão de vidro com um pedaço de seda, o bastão fica positivamente carregado. As medidas mostram que uma carga negativa de mesmo valor absoluto se acumula na seda. Isso sugere que o processo não cria cargas, mas apenas transfere cargas de um corpo para outro, rompendo no processo a neutralidade de carga dos dois corpos. Essa hipótese de conservação da carga elétrica, proposta por Benjamin Franklin, foi comprovada exaustivamente, tanto no caso de objetos macroscópicos como no caso de átomos, núcleos e partículas elementares. Até hoje não foi encontrada uma exceção. Assim, podemos acrescentar a carga elétrica a nossa lista de grandezas, como a energia, o momento linear e o momento angular, que obedecem a uma lei de conservação.

Exemplos importantes da conservação de carga são observados no decaimento radioativo dos núcleos atômicos, um processo no qual um núcleo se transforma em um núcleo diferente. Um núcleo de urânio 238 (238U), por exemplo, se transforma em um núcleo de tório 234 (234Th) emitindo uma partícula alfa, que é um núcleo de hélio 4 (4He). O número que precede o símbolo do elemento químico é chamado de número de massa e é igual ao número total de prótons e nêutrons presentes no núcleo. Assim, o número total de prótons e nêutrons do 238U é 238. O número de prótons presentes em um núcleo é o número atômico Z, que é fornecido, no

Apêndice F, para todos os elementos. Consultando o Apêndice F, vemos que, no decaimento o núcleo pai 238U contém 92 prótons (uma carga de +92e), o núcleo filho 234Th contém 90 prótons (uma carga de +90e), e a partícula alfa emitida, 4He, contém 2 prótons (uma carga de +2e). Como a carga total é +92e antes e depois do decaimento, a carga é conservada. (O número total de prótons e nêutrons também é conservado: 238 antes do decaimento e 234 + 4 = 238 depois do decaimento.)

Outro exemplo de conservação da carga ocorre quando um elétron e– (cuja carga é –e) e sua antipartícula, o pósitron e+ (cuja carga é +e), sofrem um processo de aniquilação e se transformam em dois raios gama (ondas eletromagnéticas de alta energia):

Ao aplicar a lei de conservação da carga, devemos somar as cargas algebricamente, ou seja, levar em conta o sinal de cada uma. No processo

de aniquilação da Eq. 21-14, por exemplo, a carga total do sistema é zero antes e depois do evento; a carga é conservada.

Na produção de um par, o inverso da aniquilação, a carga também é conservada. Nesse processo, um raio gama se transforma em um elétron e um pósitron:

A Fig. 21-10 mostra a produção de um par no interior de uma câmara de bolhas. (Câmara de bolhas é um instrumento no qual um líquido é aquecido bruscamente acima do ponto de ebulição. Se uma partícula carregada atravessa o instrumento nesse instante, pequenas bolhas de vapor se formam ao longo da trajetória da partícula.) Um raio gama entrou na câmara, proveniente da parte inferior da fotografia, e se transformou em um elétron e um pósitron ao interagir com uma partícula presente na câmara. Como as partículas criadas tinham carga elétrica e estavam em movimento, elas deixaram uma trilha de pequenas bolhas. (As trilhas são curvas porque existe um campo magnético no interior da câmara.) Uma vez que é eletricamente neutro, o raio gama não produz uma trilha, mas sabemos que o par de partículas foi produzido no ponto onde começam as trilhas do elétron e do pósitron.