Cap. 42 Física Nuclear

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1 Radiação Fukushima (2011) Cap. 42 Física Nuclear A descoberta do núcleo. Propriedades do núcleo: Núcleons; Carta de nuclídeos; Raio; Massa; Energia de ligação; Força forte. Decaimento radioativo: Decaimento alfa; Decaimento beta; Datação radioativa. Medida de dose de radiação. 1

2 Introdução Até agora vimos: física quântica elétron confinado em um potencial estrutura eletrônica átomo/sólido propriedade físicas Núcleo: física quântica estudo do núcleo Engenharia aplicações práticas: Radiação para tratamento de câncer; Datação radioativa; NMR; MRI; Radiação Japão Fukushima A descoberta do núcleo Elétron ( J.J. Thomsom): carga negativa, por definição. Átomo é neutro: como está distribuída a carga positiva? J.J. Thomsom E. Rutherford (1911): sugeriu que carga positiva é concentrada no centro do átomo e responsável pela maior parte da massa do átomo. E. Rutherford 2

3 A descoberta do núcleo Experimento proposto por Rutherford e executado por H. Geiger e E. Marsden: Radônio: elemento radioativo que emite partículas alfa com energia ~ 5.5 MeV. Partículas alfa incidem em uma folha de ouro. Medir o espalhamento das partículas alfa em função do ângulo. A descoberta do núcleo Resultado: Poucas partículas eram espalhadas para ângulos grandes. Partículas alfa apresentando deflexão maior que 90 : força deveria ser consideravelmente alta. Única explicação: carga positiva concentrada em um núcleo ao invés de estar espalhada pelo átomo. Átomo: espaço vazio!!! ~ 2 3

4 Núcleo: prótons + nêutrons (núcleons) Terminologia: Z: número de prótons (número atômico) N: número de nêutrons A: número de massa Isótopos, isótonos e isóbaros. Carta de nuclídeos: Verde: estáveis Amarelos: radioativos Átomos leves: próximos à curva Z = N. Átomos pesados: excesso de nêutrons. 4

5 Carta de nuclídeos: ISÓBARO ISÓTONO ISÓTOPO Raio do núcleo: 1 femtometro = m = 1 fm = 1 fermi Determinado por espalhamento de elétrons de alta energia. Núcleo não tem superfície bem definida, porém define-se um raio efetivo: r 0 ~ 1,2 fm Volume do núcleo é proporcional a A!!! Fórmula não é válida para halonuclídeos. 5

6 Massa do núcleo: Unidade de massa atômica: # de massa A é, em geral, uma aproximação para a massa do núcleo, em unidades de u: Exemplo: 197 Au: (A = 197, m Au = 196,966 u) Energia de ligação do núcleo: massa do núcleo < massa dos seus componentes isolados: Formação do núcleo: liberação de energia!!! (E = mc 2 ) Energia de ligação: Energia de repouso dos componentes isolados Energia de repouso do núcleo E el M núcleo liberação de energia Energia de ligação por núcleon: energia média necessária para arrancar um núcleon. 6

7 Energia de ligação por núcleon E el M núcleo liberação de energia FUSÃO FISSÃO Força nuclear: Elétrons estáveis no átomo: força eletromagnética Força que mantém núcleo (prótons + nêutrons) estável deve: Mais intensa que repulsão eletromagnética; De curto alcance (~ fm). Efeito secundário da FORÇA FORTE: (mantém quarks unidos para formarem prótron e nêutrons) 7

8 Força nuclear: Elétrons estáveis no átomo: força eletromagnética Força que mantém núcleo (prótons + nêutrons) estável deve: Mais intensa que repulsão eletromagnética; De curto alcance (~ fm). Efeito secundário da FORÇA FORTE: (mantém quarks unidos para formarem prótron e nêutrons) Similar à força de van der Waals, que é efeito secundário da força EM 8

9 Decaimento radioativo núcleons devem ser tratados pela mecânica quântica: probabilidade de decaimento. Amostra com N núcleos radioativos. Taxa de decaimento deve ser proporcional ao número de núcleos. Taxa de decaimento: Decaimento radioativo Atividade da amostra: Soma das taxas de decaimento de todos os nuclídeos. No SI: 1 Becquerel = 1 Bq = 1 decaimento/segundo Mais antigo: 1 curie = 1 Ci = 3,7x10 10 Bq Meia vida: tempo p/ que N ou R caiam à metade de seu valor inicial. Vida média: tempo p/ que N ou R caiam à 1/e de seu valor inicial. 9

10 Exemplo (42.25) Considere uma amostra inicialmente pura de 3,4 g de 67 Ga, um isótopo com uma meia vida de 78 h. (a) Qual é a taxa de decaimento inicial? (b) Qual é a taxa de decaimento 48 horas depois? m Ga = 69,723 u (a) 2,61x10 20 h -1 (b) 1,70x10 20 h -1 Decaimento Alfa Núcleo se transforma em outro emitindo partícula alfa. α núcleo de hélio Ex.: 238 U 234 Th + α (Q = -4,25 MeV) Reação espontânea (lembre-se de eln ), porém a meia vida de 238 U é 4,5x10 9 anos. Por quê? 10

11 Decaimento Beta Núcleo se transforma em outro emitindoelétron (e ) ou pósitron (e + ). Decaimento β : elétron Ex.: Decaimento β + : pósitron Ex.: υ: neutrino Massa nula ou muito pequena; Carga neutra; Interage fracamente com a matéria. Datação radioativa Se soubermos o tempo de meia vida de um dado nuclídeo radioativo, podemos usar o processo de decaimento como relógio Ex.: 14 C (T 1/2 = 5730 anos) 1 14 C para cada C Fração em equilíbrio enquanto o ser estiver vivo. 11

12 Exemplo (42.60) Em uma amostra de 5,00 g de carvão vegetal, proveniente dos restos de uma antiga fogueira, o 14 C tem uma atividade de 63,0 desintegrações/min. Em uma árvore viva, o 14 C tem uma atividade de 15,3 desintegrações/g. min. O 14 C possui meia vida de 5730 anos. Qual é a idade da amostra? Medida da dose de radiação Dose absorvida: medida da dose absorvida por um corpo específico SI: Outra unidade: 1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg 1 Gy = 100 rad Dose Equivalente: dois tipos de radiação diferentes podem fornecer a mesma quantidade de energia. Radiação RBE raios-x SI: Outra unidade: 1 Sievert = 1 Sv 1 Sv = 100 rem RBE: relative biological effectiveness raios-γ 1 elétrons nêutrons lentos 5 partícula α 10 12

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