UNICAMP 2002 (2ª fase) — questão 4 de Física

Enunciado em texto
Utilize g = 10 m/s² sempre que necessário na resolução dos problemas.
A existência do neutrino e do anti-neutrino foi proposta em 1930 por Wolfgang Pauli, que aplicou as leis de conservação de quantidade de movimento e energia ao processo de desintegração β. O esquema abaixo ilustra esse processo para um núcleo de trítio, H³ (um isótopo do hidrogênio), que se transforma em um núcleo de hélio, He³, mais um elétron, e⁻, e um anti-neutrino, . O núcleo de trítio encontra-se inicialmente em repouso. Após a desintegração, o núcleo de hélio possui uma quantidade de movimento com módulo de kg m/s e o elétron sai em uma trajetória fazendo um ângulo de 60º com o eixo horizontal e uma quantidade de movimento de módulo kg m/s.
a) O ângulo α que a trajetória do anti-neutrino faz com o eixo horizontal é de 30º. Determine o módulo da quantidade de movimento do anti-neutrino.
b) Qual é a velocidade do núcleo de hélio após a desintegração? A massa do núcleo de hélio é kg.
(Figura: o núcleo H³ no centro, sobre um eixo horizontal tracejado. O núcleo He³ sai para a esquerda, ao longo do eixo horizontal. O elétron e⁻ sai para cima e para a direita, numa trajetória que forma 60° com o eixo horizontal. O anti-neutrino sai para baixo e para a direita, numa trajetória que forma o ângulo α com o eixo horizontal.)
(Enunciado e figura: Vestibular Unicamp 2002, 2ª fase — Comvest/Unicamp.)
Transcrição do enunciado original da prova, reproduzido para fins de estudo. Todos os direitos do enunciado pertencem à UNICAMP.
Resolução comentada
O que a questão pede: (a) a quantidade de movimento do anti-neutrino; (b) a velocidade do núcleo de hélio.
Item (a) — o que se conserva. O trítio estava parado, então a quantidade de movimento total antes era zero. A desintegração é causada só por forças internas, logo a soma vetorial das quantidades de movimento das três partículas depois também é zero. Vale separar em duas direções.
Na vertical, só o elétron (para cima) e o anti-neutrino (para baixo) têm componente. O hélio anda na horizontal. As componentes verticais têm de se cancelar:
(Com , dá kg·m/s, ou seja, cerca de kg·m/s.)
Conferindo na horizontal: elétron e anti-neutrino vão para a direita e têm de equilibrar o hélio, que vai para a esquerda:
Bate exatamente com o valor do hélio: os dados são coerentes.
Item (b) — da quantidade de movimento à velocidade. Como :
⚠️ A armadilha: somar os módulos como se fossem números comuns (, dando ). Quantidade de movimento é vetor: a conservação vale componente por componente. Outro tropeço é trocar seno e cosseno: o elétron faz 60° com a horizontal, então sua componente vertical usa o seno de 60°.
A ideia em uma frase: partindo do repouso, a soma vetorial das quantidades de movimento continua zero — foi exatamente esse “balanço que não fechava” só com o elétron que levou Pauli a propor o neutrino.
Resposta: (a) kg·m/s; (b) m/s.
Vídeo em breve
A resolução em vídeo desta questão ainda não foi gravada. A explicação escrita acima está completa, passo a passo. Novos vídeos saem no canal do Professor Filatte.
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