Aula 21 Física Nuclear

Transcrição

1 Aula 21 Física 4 Ref. Halliday Volume4

2 Sumário Descobrindo o Núcleo; Algumas Propriedades Nucleares; Decaimento Radioativo; Decaimento Alfa; Decaimento Beta; Radiação Ionizante;

3 Analisando os dados, Rutherford concluiu que as dimensões do núcleo devem ser menores do que o diâmetro de um átomo segundo um fator de 104; O átomo é, em sua grade parte, um espaço vazio!!!

4 Propriedades dos Núcleos

5 Propriedades dos Núcleos Quando estamos interessados nas propriedades dessas partículas como espécies nucleares (e não como parte do átomo), elas são chamadas de Nuclídeos;

8 A Força Nuclear A força que controla a estrutura eletrônica e as propriedades do átomo é a familiar força de Coulomb; Porém, para manter o núcleo coeso, é necessário que exista uma força de atração forte de natureza nova agindo entre nêutrons e prótons, denominada Força Forte; A Força Forte tem o mesmo caráter entre qualquer par de constituintes nucleares, sejam eles nêutrons ou prótons; A Força Forte tem um alcance pequeno (~10 15 m). Assim, a atração entre pares de núcleons cai rapidamente a zero para uma separação entre núcleons maior do que um determinado valor crítico;

9 A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N) Já os nuclídeos estáveis pesados ficam situados bem abaixo desta linha (tem muito mais nêutrons do que prótons);

10 A figura abaixo mostra que os nuclídeos estáveis mais leves tendem a ficar situados próximos à linha de (Z=N) Porque os nuclídeos estáveis pesados possuem Z < N????

11 O número abaixo do símbolo químico indica a abundância relativa do isótopo no caso de nuclídeos estáveis e a meia-vida (medida da taxa de decaimento) no caso de radionuclídeos;

12 Existem mais de 3000 nuclídeos conhecidos, mas apenas 266 são estáveis (todos os outros são radioativos); Quando decaem, se transformam espontaneamente em outros em outros nuclídeos emitindo radiação. Essa radiação se refere tanto a partícula quanto a ondas eletromagnéticas; Não existem na Terra nuclídeos naturais com Z > 92; Porém, no início de 2007, nuclídeos com números atômicos até Z=118 tinham sido observados em laboratório ( Grande maioria dos nuclídeos pesados são extremamente instáveis e possuem uma meia-vida muito curta;

13 Massas Nucleares As massas atômicas são, normalmente, expressas em unidades de massa atômica (u). No SI; Às vezes, precisamos apenas de um valor aproximado de massa de um núcleo ou de um átomo neutro (número de massa A), que é a massa do nuclídeo expressa em unidades de massa atômica e arredondada para o número inteiro mais próximo;

14 Energias Nucleares A energia de ligação é uma medida da energia interna total do núcleo, devido em parte à Força entre os núcleons, à Força de Coulomb entre os núcleos e às energias cinéticas dos núcleons relativas ao centro de massa do núcleo;

15 Energias Nucleares

16 Energias Nucleares Região de maior energia significa que os núcleons estão mais firmemente ligados Veja que a energia de ligação diminui tanto para números de massa altos quanto baixos;

17 Energias Nucleares Região de maior energia significa que os núcleons estão mais firmemente ligados Podem sofrer fusão nuclear (dois núcleos se fundem formando um núcleo de massa intermediária Podem sofrer fissão nuclear (um núcleo se fragmenta em dois núcleos menores Porém, os átomos nas regiões com menor energia podem sofrer processo de fusão ou fissão nuclear para então alcançar a estabilidade

18 Energias Nucleares Veja que a energia de ligação diminui tanto para números de massa altos quanto baixos; A queda na curva de energia de ligação para os números de massa grande nos diz que os núcleons estão mais firmemente ligados quando reunidos em dois núcleos de massa média do que um único núcleo de massa pesada; Essa energia pode ser liberada na fissão nuclear de um único núcleo de massa elevada em dois fragmentos menores de massa intermediária. Esse processo ocorre espontaneamente; Exemplo: Ocorre espontaneamente em núcleos do Urânio. Também é possível induzir o Urânio ou Plutônio a sofrer fissão (armas nucleares);

19 Energias Nucleares Veja que a energia de ligação diminui tanto para números de massa altos quanto baixos; A queda na curva de energia de ligação para os números de massa pequenos nos diz que a energia será liberada se dois núcleos de número de massa pequeno combinem-se para formar um único núcleo de massa intermediária; Esse é o processo inverso da fissão nuclear, e é chamado de fusão nuclear. Neste caso dois núcleos de massa leve forma um único núcleo de massa média; Exemplo: Esse processo ocorre no interior do Sol e de outras estrelas e é o mecanismo através do qual o Sol gera a energia que nos é irradiada;

20 Decaimento Radioativo Como já citamos, a maioria dos nuclídeos são radioativo; Devido a sua instabilidade, esses nuclídeos sofrem decaimentos emitindo espontaneamente uma(algumas) partícula(s), transformando-se durante o processo em um nuclídeo diferente; Vamos agora discutir as duas situações mais comuns: a emissão de uma partícula (decaimento alfa) e a emissão de uma partícula (decaimento beta); Pode haver também o decaimento de raios gama;

21 Decaimento Radioativo O decaimento radioativo foi a primeira indicação de que as leis que governam o mundo subatômico são estatísticas;

22 Decaimento Radioativo Podemos expressar através de:

23 Decaimento Radioativo Já o tempo de meia-vida (T1/2) pode ser definido por:

24 Decaimento Alfa Quando um núcleo atômico instável emite uma partícula alfa transformando-se em outro núcleo atômico, porém, com número atômico duas unidades menor e número de massa 4 unidades menor (perde dois prótons (ex. U, 92 para 90) e dois nêutrons (ex. U, 146 para 144));

25 Decaimento Alfa Tunelamento

26 Decaimento Alfa a

27 Decaimento Beta O decaimento beta (β) ocorre quando um núcleo atômico emite um elétron (-e) ou um pósitron (+e) de alta energia; Quando ocorre um decaimento beta, ocorre juntamente a emissão de uma partícula chamada neutrino ( );

28 Decaimento Beta O decaimento beta (β) ocorre quando um núcleo atômico emite um elétron (-e) ou um pósitron (+e) de alta energia;

29 Decaimento Beta Como que os núcleos (com prótons e nêutrons) podem emitir elétrons, pósitrons e neutrinos???

30 Tanto o Decaimento Alfa quanto o Decaimento Beta envolvem a liberação de uma certa quantidade de energia; No decaimento alfa toda a energia vai para a partícula alfa; No decaimento beta menos (ou beta mais) a energia pode se dividir em proporções diferentes para o elétrons (ou pósitron) e o neutrino;

31 Curiosidades sobre o neutrino O neutrino é uma partícula que interage apenas fracamente com a matéria; Bilhões deles atravessam a cada segundo o corpo de cada habitante da Terra, sem deixar vestígios; Foi detectada pela primeira vez em laboratório por F. Reines e C. L. Cowan entre as partículas geradas por um reator nuclear de alta potência; Em 2015, físicos (Arthur B. McDonald e Takaaki Kajida) que descobriram a massa de neutrinos levam Prêmio Nobel!!!!

32 Curiosidades sobre o neutrino O primeiro detector de neutrinos do Sol foi construído na década de 60, no fundo de uma mina em Dakota do Sul. Uma área da mina estava cheia de cerca de 378 mil litros de solvente. Por dia, em média, um neutrino iria interagir com um átomo de cloro no líquido, transformando-o em um átomo de argônio. De uma forma incrível, o físico no comando do detector, Raymond Davis Jr., descobriu como detectar esses poucos átomos de argônio, e, quatro décadas mais tarde, em 2002, ele foi agraciado com o Prêmio Nobel de Física por esta proeza técnica incrível.

33 Curiosidades sobre o neutrino O primeiro detector de neutrinos só detectava o neutrino do elétron, mas não detectava o neutrino do múon e neutrino do tau. Assim, resultados experimentais e teóricos não convergiam nos valores; A única maneira de ter certeza era construir um detector que trabalha com os três tipos de neutrinos. Começando na década de 90, Arthur McDonald, da Queen s University, em Ontário, liderou uma equipe que construiu um, em uma mina, em Sudbury, Ontario. Ele continha toneladas de água pesada (óxido de deutério), fornecidas como empréstimo do governo canadense. A água pesada é uma forma de água rara que ocorre naturalmente na qual o hidrogênio, contendo um único próton, é substituído por seu primo mais pesado, o deutério, o qual contém um próton e um nêutron. O governo canadense estocou água pesada como um líquido de arrefecimento para uso em seus reatores nucleares. Todos os três tipos de neutrinos poderiam desmontar o deutério na água pesada, quebrando-o em pedaços de um próton e um nêutron, e os nêutrons poderiam, então, ser contados. O detector observou cerca de três vezes mais que o número de neutrinos encontrados por Davis em outras palavras, eles descobriram a quantidade prevista pelos melhores modelos solares. Isto sugeriu que neutrinos do elétron podem, de fato, oscilar em outros tipos de neutrinos.

34 Radiação Ionizante É a radiação que possui energia suficiente para ionizar átomos e moléculas. A energia mínima típica da radiação ionizante é de cerca de 10 ev; Exemplos de radiação ionizantes: raios gama, partículas alfa e beta e raios X; (Obs.: Os raios gama estão geralmente associados com a energia nuclear de reatores nucleares e a raios cósmicos) A radiação ionizante pode danificar células e afetar o material genético (DNA)

35 Radiação Ionizante Exemplos de radiação ionizantes: raios gama, partículas alfa e beta e raios X; OBS.: raios-x não são radiação nuclear! Pode danificar células e afetar o material genético (DNA)

36 Radônio (ou Rádon) Símbolo Rn. Foi descoberto por Robert Bowie Owens [1] e Ernest Rutherford em Curiosidade: ao contrário dos outros descendentes do urânio, o radônio é gasoso e pertence à família dos gases nobres; Se sofrer decaimento em nosso pulmão: O radônio geralmente apresenta decaimento alfa, transformando-se em polônio, mas seu isótopo mais pesado também pode sofrer decaimento beta, transformando-se em frâncio.

37 Radiação Ionizante - Aplicações Traçadores Radioativos Ref.: Apostila cnen