Átomo nosso de cada dia: os átomos de núcleos estáveis e os de núcleos instáveis. Profa. Kátia Aquino

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1 Átomo nosso de cada dia: os átomos de núcleos estáveis e os de núcleos instáveis Profa. Kátia Aquino

2 Resumo da evolução do modelo atômico (fonte: 2

3 Modelo padrão / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 / c 2 Fonte: 3

4 Brasileiros e as partículas Alberto Santoro da Universidade Estadual do Rio de Janeiro. Em 1995 ajudou na descoberta do quark top (FERMILAB-Chicago). Cesar Lattes foi responsável pela comprovação do méson pi (ud). Foi ele o brasileiro que chegou mais perto do Nobel. Lattes faleceu em 2005 e o nome da plataforma Lattes do CNPq é em sua homenagem. Fonte: 4

5 As antipartículas Possuem a mesma massa da partícula, mas com a carga com mesmo valor em módulo e sinal oposto. Partícula/carga Antipartícula/carga quark up (u) + 2/3e antiquark up -2/3e (u) quark down (d) -1/3e antiquark down +1/3e (d) elétron (e - ) -1 pósitron (e + ) +1 5

6 Informação importante Lembre-se uma sub partícula como o quark não é encontrado livre, logo sua massa é obtida indiretamente e com a unidade em eletron-volt/(velocidade da luz) 2 (ev/c 2 ). Com a relação E=mc 2, pode-se calcular a massa associada a energia de uma partícula ou sub partícula. Um elétron-volt (ev), por definição, é a quantidade de energia cinética ganha por um único elétron quando acelerado por uma diferença de um volt e no vácuo. Partículas em geral possuem sua energia calculada em ev. 1 ev= 1,6 x J 6

7 Lembre-se Férmios possuem spin fracionário Ex: os quarks, os léptons e bárions. Bárions são constituídos por uma tríade de quarks ou de antiquarks. Ex: prótons (uud) e seu spin é ½ + ½ + ½ = 3/2 Bósons possuem spin inteiros Ex: fóton, glúons e mésons. Mésons são constituídos por um quark e um antiquark. Ex: méson pi (ud) e seu spin é ½ + ½ = 1 Bárions e Mésons são Hádrons Hádrons significa quarks confinados 7

8 Lista de Hádrons Bárions Mésons Fonte: 8

9 E os bósons? e - W - glúon Neutrino do elétron Em altas energias, as interações eletromagnética e nuclear fraca se unificam formando uma única interação (eletrofraca). Contudo a baixas energias (onde se enquadra as situações do dia-a-dia), ocorre o que se chama quebra espontânea de simetria. Isso faz com que existam não mais uma única interação e sim duas muito distintas: a interação eletromagnética e a interação nuclear fraca. Dois bósons mediam a interação fraca (Z e W) (ou interações fracas responsáveis pela radioatividade) enquanto a outra, o fóton (γ), media a interação eletromagnética. O fóton é responsável por fazer os elétrons orbitarem o núcleo atômico e pelas ligações intermoleculares (coesão dos corpos). Isso porque essa é a interação que faz com que corpos ou partículas eletricamente carregados se repulsem ou atraiam. Fontes: (figura) e 9

10 Aniquilação de partícula e anti partícula à serviço da sociedade Tomografia por Emissão de Pósitron PET (Positron Eletronic Tomography) Tomografia PET de sujeito portador da hiperatividade (direita) Cada fóton sai com uma energia de 0,511 MeV

11 Grande Colisor de Hádrons Large Hadron Collider (LHC) Possui 27 km de perímetro e está localizado entre a França e a Suiça Colisor de prótons Fonte: 11

12 detectores Estrutura do LHC CMS Bósons de Higgs LHCb Desintegração de matéria para entender a assimetria de partículas no universo CMS=Compact Muon Senoid ATLAS Analisa os choques entre partículas junto com CMS 12 ALICE Analisa resultados e existencia do plasma de quarks e gluons

13 Modelos nucleares A B C D E A-modelo pacotes compactos B-modelo de camadas Componentes se movem independentemente Camadas dos números mágicos: 2, 8, 20, 28, 50, 82 e 126 D-modelo de bósons interativos (unifica B e E) E- modelo gota (não explica energia de estados excitados) C-modelo de camadas fechadas (com nucleon de valência) Fonte: 13

14 Do núcleo estável ao núcleo instável 14

15 Fonte: 15

16 Como um núcleo se estabiliza? Decaimento alfa 6,203 MeV 0,040 MeV 0 Tl Bi212 Gama com 0,040 MeV Partícula com formada por 2 prótons e 2 nêutrons, ou seja, o núcleo do hélio. Possui carga +2 e sai do núcleo com aproximadamente 5% da velocidade da luz. Por causa do alto valor da energia de ligação da partícula alfa que é de 28,3 MeV, a emissão espontânea de uma partícula alfa é possível para o estado fundamental dos núcleos com massa atômica maior que 150. Alfa com 6,163 MeV Alfa com 6,203 MeV 1 Lei de Soddy 83 Bi Tl α 4 + γ 16 Nem todo decaimento alfa forma gama CUIDADO!

17 Decaimento beta: Um mecanismo proposto A partícula beta é na realidade um elétron produzido no núcleo a partir da transformação de um nêutron instável em próton. A transformação é mediada pelo bóson W -. n * p + e - + ν (núcleos com excesso de nêutrons) Fonte: e) 2 lei de Soddy 9 F20 10 Ne e 0 + ν + γ Nem todo decaimento beta gera gama A partícula beta tem energia menor do que a partícula alfa, contudo sua velocidade é aproximadamente 95% da velocidade da luz. Com esta velocidade, sua energia deve ter tratamento relativista (E r ). E r =(mc 2 y)-mc 2 onde: 17

18 Decaimento pósitron e captura eletrônica Núcleos com excesso de prótons decaem pela emissão de pósitrons ou captura eletrônica (ou ambas) 4,1 MeV 8 O14 2,30 MeV Emissão de pósitron p * n + e + + ν Ex: 23 V Ti48 + e + + ν Captura eletrônica 0 7 N14 Pósitron com 4,1 MeV Pósitron com 1,84 Mev Gama com 2,30 MeV p + e - Elétron da camada K ν 8 O14 7 Ni14 + e + + ν + γ Ex: 23 V 48 + e Ti48 + ν

19 Decaimento gama de radioisótopos meta instáveis 142 kev 43 Tc99m 294 kev 43 Tc kev Beta de 294 kev 0 43 Tc Ru99 estável Gama de 2 kev Gama de 140 kev O tecnécio meta instável, Tc 99m, é utilizado na medicina nuclear como contraste para diagnóstico de tumores. 19

20 Série Radioativa Fonte: No nosso dia-a-dia somos irradiados pelas partículas alfa do urânio pela ingestão de água e de alimentos. Sendo este elemento responsável pela maior parte da radioatividade natural. O Brasil é o 6 país com maior quantidade de urânio natural do mundo e apenas 30% do seu território foi explorado. A grande maioria do urânio do Brasil encontra-se no nordeste, sendo o Ceará o estado que possui maior quantidade de urânio natural. Em Pernambuco tem-se muito Urânio natural na região do Cabo de Santo Agostinho. Depois do urânio vem o potássio de massa 40, responsável por 15% da exposição dos seres vivos à radiação natural. 20

21 Urânio nosso de cada dia Alimentos Concentração de Urânio Água potável (Adulto) 4 mg.l -1 Água potável (Criança) 0,4 mg.l -1 Leite (0,7 L diários) 0,6 mg.l -1 Carne (200 g diárias) 0,2 mg.g -1

22 Via de exposição do indivíduo

23 A radioatividade artificial: Obra do homem Distribuição de Cs-137 em peixes

24 O que as pesquisas mostram sobre o Cs- 137 em alimentos? CNEN:600 Bq/Kg 1,1 Bq/Kg 0,04 Bq/Kg 200 Bq/Kg 1,0 Bq/Kg 0,07 Bq/Kg 0,29 Bq/Kg 3,0 Bq/Kg 2,8 Bq/Kg

25 Interação das radiações com a matéria Partículas carregadas: Excitação e ionização Ex: alfa + 2 e - (orbitais) hélio Representação de spurs 25

26 Radiação gama: indiretamente ionizante Efeito fotoelétrico ( número atômico alto) Efeito Compton (baixo número atômico) Produção de pares (energia superior 1,02 Mev) elementares.htm

27 Cinética das radiações Atividade A = λn onde: λ = constante radioativa N= n de átomos presentes na amostra N = N 0 e -λt equação da curva N(t) x t Equação de primeira ordem Tempo de meia-vida T 1/2 = 0,693 /λ Vida média (vm): tempo necessário para um radioisótopo decair. T 1/2 = 0,7 vm 27

28 Fissão Nuclear Reações nucleares Modelo Nuclear Gota líquida 28

29 Fusão Nuclear Reação que ocorre nas estrelas. Poucos centímetros cúbicos de deutério geram uma energia equivalente a 20 toneladas de carvão. Fonte: 29

30 Uma reação nuclear que é importante para nós No geral: partícula incidente núcleo bombardeado núcleo composto núcleo formado partícula ejetada fonte: 30

31 Bons estudos! 31