FN3 Reações Nucleares

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2 FN3 Reações Nuleares Ua reação nulear oorre quando ua partíula interage o u núleo, produzindo u núleo residual, geralente radioativo, e ua partíula eergente. 8 7 F O H 4 7NHe A reação aia representa ua das prieiras eperiênias, nas quais se observa ua transutação nulear (Rutherford e 99). A reação nulear desrita aia tabé pode ser representada da seguinte fora: Nesta reação, u átoo de nitrogênio foi transforado e u átoo de oigênio. 8 7 F O p 4 7N N, p O

3 Reações Nuleares 8 7 F O H 4 7NHe Nesta equação, os síbolos usados à esquerda representa os reagentes: 4 He representa a partíula inidente e o 4 N representa o núleo alvo. O síbolo entre olhetes representa o núleo instável (altaente instável), forado oo resultado da aptura de ua partíula alfa pelo núleo de nitrogênio. Este núleo instável é haado de núleo oposto. Os síbolos usados à direita representa os produtos: H (o próton eitido) representa a partíula eergente e o 7 O representa o núleo produto.

4 Reações Nuleares As leis que governa as reações nuleares são: - onservação do núero de assa; - onservação da arga; - onservação de energia; - onservação da quantidade de oviento linear e angular. E 936, Bohr, estudando as reações nuleares, observou que elas oorre e duas etapas: I) Foração de u núleo oposto e u estado altaente eitado. II) Deoposição do núleo oposto, sendo que os produtos da reação independe do odo oo o núleo oposto foi forado.

5 Reações Nuleares Representação de ua reação nulear: X Y y onde reagentes produtos = partíula inidente X = núleo alvo Y = núleo produto y = partíula eergente Representação de ua reação nulear na fora reduzida: X, yy

6 Reações Nuleares antes depois Y X y

7 Reações Nuleares Ua reação nulear pode ser analisada quantitativaente e teros de energias e assas dos núleos e partíulas envolvidas. Considereos u projétil inidindo sobre u núleo alvo X, iniialente e repouso. Coo resultado da olisão, onsidereos que foi produzido u núleo residual Y e ua partíula y: Sabendo que a energia total de ua partíula ou átoo é a soa da energia de repouso e da energia inétia, do prinípio de onservação da energia, a energia total antes e depois deve ser igual. Assi teos: E ( ) E ( X) E ( Y) E ( y) onde E representa a energia inétia. X X Y y Y y A energia de repouso é dada pela equação de Einstein E =, sendo a assa de repouso.

8 Desde que o núleo X esteja e repouso, podeos onsiderar E (X) =. Se nós representaros as assas de repouso de X, Y e y por X, Y e y podeos esrever a equação anterior oo: Confore já vios anteriorente, ua quantidade iportante para o estudo das reações é o haado valor Q da reação, que é definido oo sendo a diferença entre a energia inétia dos produtos da reação e da partíula inidente. Desta fora teos: e A grandeza Q é tabé haada Balanço de Energia de ua Reação Nulear. Ela pode ser deterinada tanto pela diferença de energias oo pela diferença de assa. Reações Nuleares ) ( ) ( ) ( y E Y E E y Y X Q y Y X ) ( ) ( ) ( E y E Y E y Y X ) ( ) ( ) ( E y E Y E y Y X ) ( ) ( ) ( E y E Y E Q

9 Reações Nuleares - Se Q > Oorre liberação de energia inétia às ustas da assa reação eoenergétia (eotéria). Pode oorrer se estíulo eterno. A energia inétia dos produtos é aior que a dos reagentes. A assa total dos reagentes é aior que a dos produtos. - Se Q < reação endoenergétia (endotéria). Preisa energia etra, de fora do sistea, para induzir a reação. Para que ua reação endotéria possa oorrer, é neessária ua energia liiar (threshold), que é o enor valor da energia que a partíula inidente deve ter para que a reação nulear seja energetiaente possível: E liiar Eth Q X - Se Q = espalhaento elástio, tanto a energia total oo a energia inétia se onserva.

10 Reações Nuleares A probabilidade de ua reação oorrer depende: da energia de eitação e da posição dos níveis eitados do núleo oposto, da energia da partíula inidente e do tipo de núleo alvo. Seja a reação: 4 7 7NHe 8O 4 H O valor Q da reação é dado por: Q Q M M M M X 4,635 4,3745 6,99935, , 5 Q, ,5 Y y Q, 9MeV a reação é endotéria. A energia liiar para esta reação é dada por E th Q X 4,635 Eth,9 4, 3745 E th, 53MeV

11 Tipos de reações Espalhaento Elástio X X X, X A partíula inidente é do eso tipo que a partíula eergente, ou seja, os produtos finais da reação são idêntios aos iniiais. No espalhaento elástio só há transferênia de energia inétia entre projétil e alvo. A energia inétia total do sistea é a esa antes e após a olisão. Neste aso, o valor Q da reação é igual a zero. 6 6 p 8O 8O p 6 Op p O 6 8, 8

12 Tipos de reações Espalhaento Inelástio X X * X *, X A partíula inidente é do eso tipo que a partíula eergente, ou seja, os produtos finais da reação são idêntios aos iniiais. No espalhaento inelástio, o núleo alvo é deiado e u estado eitado (X * ). A energia inétia total do sistea é diinuída no valor orrespondente à energia de eitação edida ao núleo alvo, ou seja, parte da energia inétia do sistea é gasta na eitação do núleo alvo. 6 6 * n 8O 8O n 6 * n 6 8 O n, 8O

13 Tipos de reações As outras reações representa diferentes tipos de transutações nuleares, nas quais o núleo produto pode ser forado e seu estado fundaental ou e seu estado eitado. Os núleos produtos eitados usualente deae uito rapidaente para o estado fundaental por eio da eissão de radiação gaa. Reação (, n) 4 9 He4Be 6C 9 Be C n 9 Be n C 4, 6 n O nêutron foi desoberto por Chadwik e 93 bobardeando-se berílio o partíulas alfa. Reação (, p) He 7N 8O 4 7 N p O 7, 8 H A prieira reação nulear obtida por Rutherford e 99. A transutação do nitrogênio foi a prieira reação nulear induzida artifiialente.

14 Tipos de reações Reação (, n) reação fotonulear HH H n H, n Radiação gaa de alta energia pode arranar nêutrons do núleo. São os haados fotonêutrons. Reação (, n) 7 4 8O 6CHe 8 O,n 6C 7 n Reação (p, ) H 7 3 Li 8 4 Be Lip, 4 Be

15 Tipos de reações Reação (p, ) 6 3 H3LiHe Lip, He He Reação (d, n) 3 H 6C 7N 3 Cd n N 6, 7 n Reação (d, p) 3 H 6C 6C H 3 6 Cd, p 6C

16 Tipos de reações Reação (n, p) 6 6 n 8O 7N 6 On p N 6 8, 7 H Reação (n, ) Reação de aptura radioativa por nêutrons térios n 7 3 Al 8 3 Al Aln, 3 Al Reação (n, ) Reação utilizada para a deteção de nêutrons 7 n 5B3Li 7 5 Bn, 3 Li 4 He

17 Tipos de reações Fissão Nulear - reação nulear que oorre ediante inidênia de nêutrons o qualquer energia inétia e nulídeos físseis, por eeplo: U n 53I 39Y n Nulídeo nêutrons físsil nêutron produtos eitidos raios-gaa inidente de fissão prontos Raios gaa de deaiento ν antineutrinos β partíulas beta negativas

18 Tipos de reações

19 Tipos de reações Eissão de ~,5 nêutrons Reação (e édia) e adeia Fissão nulear Fonte de energia Liberação de ~ MeV (e édia) Energia elevada

20 Tipos de reações U nulídeo pode ser produzido através de diferentes reações nuleares: Mg Al Mg Al n d p Na n, n, p, Na d, p d, Mg, p , p Na Na Na Na 4 Na Na Na 4 Al,pn Na 4 Al,3pn Na

21 Tipos de reações Diferentes produtos pode ser obtidos a partir do eso núleo alvo e do eso projétil: 5 Mg 4 He 7 3 Al H 9 4 Si 8 3 Al 8 4Si H n 4 NaH 4 He

22 Tipos de reações Reação direta A partíula inidente e o núleo alvo tê ua interação de urta duração ( - s), podendo haver troa de energia ou de partíulas entre eles. Não há foração de núleo oposto e oorre interação entre partíula inidente e nuleons individuais do alvo; Nas reações de Stripping, u núleo é transferido do projétil para o alvo: d 9U 93Np d 9U 9U Nas reações pik-up oorre o proesso inverso. Coo eeplo na reação abaio, u dêuteron aptura u nêutron do alvo e eerge da reação oo u 3 H d 9U 9U p 3 n t

23 Tipos de reações Reações nuleares predoinantes para vários intervalos de energia

24 Seção de hoque A probabilidade de ua reação nulear oorrer é epressa e teros da seção de hoque da reação que desreve quantitativaente a interação do nêutron o a atéria. O diâetro do núleo é da orde de -. Assi, a área da seção geoétria do núleo é da orde de -4. A seção de hoque orresponde à área efetiva o que o projétil vê o núleo. Por onseguinte, a seção de hoque () é da orde de -4. barn = b = -4. O signifiado físio de é a probabilidade de u nêutron do feie interagir por eio desta reação. nêutrons/ 3 alvo átoos/ 3 Nêutrons espalhados

25 Seção de hoque Considereos u feie paralelo onoenergétio oliado inidindo sobre u alvo fino de espessura e área A. nêutrons/ 3 I I() alvo átoos/ 3 Nêutrons espalhados A intensidade de nêutrons (I ) inidindo no alvo é dado por: I nv nêutrons 3 s nêutrons s I

26 Seção de hoque Se N é o núero de átoos por 3 do alvo, Nd é o núero de átoos por para a espessura d. A variação na intensidade di = I - I (infinitesial desde que as partíulas passe através de ua espessura d) depende do núero de átoos por unidade de área (Nd), da intensidade (I I) e da seção de hoque (): di NdI O sinal negativo india que a intensidade diinui quando o feie de nêutrons passa através do alvo devido à reação das partíulas do feie o os átoos do alvo. di Nd I I I di I N d ln N I I I

27 Seção de hoque lni lni N ln I I N I I e N I I e N onde o produto N é haado seção de hoque arosópia (), sendo epressa e - e representa a probabilidade do nêutron sofrer interação o os átoos de u aterial de de espessura. N

28 Seção de hoque Seção de hoque (n, ) B Lei /v v / s E 5, 6eV o,8 A E kt v kt h E ( v v) v T 93, 6K ( E E) E

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