EXERCÍCIOS FÍSICA NUCLEAR

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1 EXERCÍCIOS FÍSICA NUCLEAR 01. (FUVEST SP/2017) Reatores nucleares não são exclusivamente criações humanas. No período précambriano, funcionou na região de Oklo, África, durante centenas de milhares de anos, um reator nuclear natural, tendo como combustível um isótopo do urânio. Para que tal reator nuclear natural pudesse funcionar, seria necessário que a razão entre a quantidade do isótopo físsil ( 235 U) e a do urânio 238 U fosse cerca de 3%. Esse é o enriquecimento utilizado na maioria dos reatores nucleares, refrigerados a água, desenvolvidos pelo homem. O 235 U decai mais rapidamente que o 238 U; na Terra, atualmente, a fração do isótopo 235 U, em relação ao 238 U, é cerca de 0,7%. Com base nessas informações e nos dados fornecidos, pode-se estimar que o reator natural tenha estado em operação há a) 1, anos. b) 1, anos. c) 2, anos. d) 2, anos. e) 2, anos. Note e adote: M(t) =M(0) 10 t ; M(t) é a massa de um isótopo radioativo no instante t. descreve a probabilidade de desintegração por unidade de tempo. Para o U, 238 0,8 10 ano. Para o U, 4, ,23 log10 0, ano 02. (UEL PR/2017) No modelo padrão da física das partículas elementares, o próton e o nêutron são partículas compostas constituídas pelas combinações de partículas menores chamadas de quarks u (up) e d (down). Nesse modelo, o próton (p) e o nêutron (n) são compostos, cada um, de três quarks, porém com diferentes combinações, sendo representados por p = (u; u; d) e n = (u; d; d). Os prótons e os nêutrons comportam-se, na presença de um campo magnético, como se fossem minúsculos ímãs, cujas intensidades são denominadas de momento magnético e medidas em magnetons nucleares (mn). Para o próton, o momento magnético é dado por 4 1 p u d 3 3 enquanto que, para o nêutron, o momento magnético é dado por 4 1 n d u 3 3 O momento magnético dos quarks u e d são dados por e u u M e e d d M 2 1 em que e u e e d. 3 3 A partir dessas informações, responda aos itens a seguir. a) Determine o valor da razão entre o momento magnético dos quarks u e d. n b) Determine o valor adimensional da razão. 03. (PUC RS/2017) Utilize as partículas (beta-mais), lacunas dos decaimentos radioativos abaixo: p (beta-menos) e (alfa) para completar as

2 Física Marengão Considerando que e são, respectivamente, as representações do anti-neutrino do elétron e do neutrino do elétron, o correto preenchimento das lacunas, de cima para baixo, é a) b) c) d) e) 04. (UEM PR/2017) No quadro abaixo, encontra-se a energia aproximada liberada em alguns processos. Sabendo-se que 1 quiloton é o equivalente energético à explosão de mil quilos de TNT, assinale o que for correto. 01. A fusão nuclear é o processo de quebra de núcleos grandes em núcleos menores, liberando energia. 02. Uma bomba de TNT de uma tonelada tem a mesma energia da combustão de 10 mil quilos de etanol. 04. Para uma bomba atômica (baseada na fissão de urânio-235) de 20 quilotons de energia, é necessário menos de um grama de urânio. 08. Uma das vantagens da fusão nuclear em relação à fissão nuclear é a abundância de hidrogênio na natureza. 16. Se uma bomba baseada na fusão de hidrogênio tem 58 quilotons, então ela é equivalente à queima de mais de 5,8 toneladas de hidrogênio. 05. (UNICAMP SP/2017) Era o dia 6 de agosto de O avião B-29, Enola Gay, comandado pelo coronel Paul Tibbets, sobrevoou Hiroshima a metros de altitude e, quando os ponteiros do relógio indicaram 8h16min, bombardeou-a com uma bomba de fissão nuclear de urânio, com 3 m de comprimento e 71,1 centímetros de diâmetro e 4,4 toneladas de peso. A bomba foi detonada a 576 metros do solo. Um colossal cogumelo de fumaça envolveu a região. Corpos carbonizados jaziam por toda parte. Atônitos, sobreviventes vagavam pelos escombros à procura de comida, água e abrigo. Seus corpos estavam dilacerados, queimados, mutilados. Cerca de 40 minutos após a explosão, caiu uma chuva radioativa. Muitos se banharam e beberam dessa água. Seus destinos foram selados. (Adaptado de Sidnei J. Munhoz, O pior dos fins. Revista de História da Biblioteca Nacional, maio Disponível em Acessado em 23/08/2016.) A explosão da bomba mencionada no texto a) ocorre a partir da desintegração espontânea do núcleo de urânio enriquecido em núcleos mais leves, liberando uma enorme quantidade de energia. Esse bombardeio significou o início da corrida armamentista entre EUA e União Soviética. b) ocorre devido à desintegração do núcleo de urânio em núcleos mais leves, a partir do bombardeamento com nêutrons, liberando uma enorme quantidade de energia. Esse ataque é considerado um símbolo do final da II Guerra Mundial. c) ocorre a partir da combinação de núcleos de urânio enriquecido com nêutrons, formando núcleos mais pesados e liberando uma enorme quantidade de energia. Esse bombardeio foi uma resposta aos ataques do Japão a Pearl Harbor. d) ocorre devido à desintegração do núcleo de urânio em núcleos mais leves, a partir do bombardeamento com nêutrons, liberando uma enorme quantidade de energia. Esse ataque causou perplexidade por ser desferido contra um país que havia permanecido neutro na II Guerra Mundial. 2

3 Exercícios Complementares 06. (UFRGS/2017) Os seres, quando vivos, possuem aproximadamente a mesma fração de carbono-14 ( 14 C), isótopo radioativo do carbono, que a atmosfera. Essa fração, que é de 10 ppb (isto é, 10 átomos de 14 C para cada bilhão de átomos de 12 C), decai com meia-vida de anos, a partir do instante em que o organismo morre. Assim, o 14 C pode ser usado para se estimar o tempo decorrido desde a morte do organismo. Aplicando essa técnica a um objeto de madeira achado em um sítio arqueológico, a concentração de 14 C nele encontrada foi de 0,625 ppb. Esse valor indica que a idade aproximada do objeto é, em anos, de a) b) c) d) e) (UNIOESTE PR/2017) Uma técnica muito conhecida para se estimar a idade de um fóssil é através da quantidade de Carbono-14 contida nele. Este isótopo radioativo decai espontaneamente para o elemento Nitrogênio-14 através da emissão de uma partícula beta. Uma curva típica de decaimento do Carbono-14 é mostrada na figura abaixo. Pesquisadores desejam estimar a idade de uma concha marinha encontrada em um sítio arqueológico. Se eles determinam que ela contém aproximadamente 3,13% de Carbono-14 em relação à quantidade presente em um organismo vivo do mesmo tipo, assinale a alternativa que indica CORRETAMENTE a idade estimada para o fóssil. a) 5700 anos. b) anos. c) anos. d) anos. e) anos. 08. (UEL PR/2016) O desastre de Chernobyl ocorreu em 1986, lançando grandes quantidades de partículas radioativas na atmosfera. Usinas nucleares utilizam elementos radioativos com a finalidade de produzir energia elétrica a partir de reações nucleares. Eduardo Kac, GFP Bunny, 2000 Com base nos conhecimentos sobre os conceitos de radioatividade, assinale a alternativa correta a) A desintegração do átomo de 83 Bi em 84 Po ocorre após a emissão de uma onda eletromagnética gama b) A desintegração do átomo 92 U em 90 Th ocorre após a emissão de uma partícula beta. c) A fusão nuclear requer uma pequena quantidade de energia para promover a separação dos átomos. d) A fusão nuclear afeta os núcleos atômicos, liberando menos energia que uma reação química. 235 e) A fissão nuclear do átomo de 92 Th ocorre quando ele é bombardeado por nêutrons. 3

4 Física Marengão 09. (PUC RS/2016) Considere as informações a seguir. Em Física de Partículas, uma partícula é dita elementar quando não possui estrutura interna. Por muito tempo se pensou que prótons e nêutrons eram partículas elementares, contudo as teorias atuais consideram que essas partículas possuem estrutura interna. Pelo modelo padrão da Física de Partículas, prótons e nêutrons são formados, cada um, por três partículas menores denominadas quarks. Os quarks que constituem tanto os prótons quanto os nêutrons são dos tipos up e down, cada um possuindo um valor fracionário do valor da carga elétrica elementar e (e = 1,6x10 19 C). A tabela abaixo apresenta o valor da carga elétrica desses quarks em termos da carga elétrica elementar e. Assinale a alternativa que melhor representa os quarks que constituem os prótons e os nêutrons. Próton Nêutron a) up; up; down up; up; up b) down; down; down up; down; down c) up; down; down up; up; down d) up; up; down up; down; down e) up; down; down down; down; down 10. (UniRV GO/2016) Na natureza existem quatro forças, ou interações, fundamentais: a força forte, a força fraca, a força gravitacional e a força eletromagnética. De acordo com os conceitos desses tipos de forças, assinale V (verdadeiro) ou F (falso) para as alternativas. a) A força fraca se dedica à explicação dos processos de decaimentos radioativos. b) A força eletromagnética é responsável pelos fenômenos que ocorrem a curta distância no interior do núcleo atômico. c) A força gravitacional é a mais fraca de todas, pode ser de caráter atrativo ou repulsivo e age através de grandes distâncias. d) É a força forte que segura os elétrons nas suas órbitas, mantendo a existência dos átomos. 11. (UFRGS/2016) Considere as afirmações sobre radioatividade nuclear. I. Todos os núcleos atômicos são radioativos. II. Todos os núcleos radioativos em uma dada amostra, depois de duas meias-vidas, já se desintegraram. III. No decaimento, um núcleo em um estado excitado decai para um estado de menor energia pela emissão de um fóton. Quais estão corretas? a) Apenas I. b) Apenas II. c) Apenas III. d) Apenas I e II. e) I, II e III. 12. (UEL PR/2015) De onde vem o mundo? De onde vem o universo? Tudo o que existe tem que ter um começo. Portanto, em algum momento, o universo também tinha de ter surgido a partir de uma outra coisa. Mas, se o universo de repente tivesse surgido de alguma outra coisa, então essa outra coisa também devia ter surgido de alguma outra coisa algum dia. Sofia entendeu que só tinha transferido o problema de lugar. Afinal de contas, algum dia, alguma coisa tinha de ter surgido do nada. Existe uma substância básica a partir da qual tudo é feito? A grande questão para os primeiros filósofos não era saber como tudo surgiu do nada. O que os instigava era saber como a água podia se transformar em peixes vivos, ou como a terra sem vida podia se transformar em árvores frondosas ou flores multicoloridas. (Adaptado de: GAARDER, J. O Mundo de Sofia. Trad. de João Azenha Jr. São Paulo: Companhia das Letras, p ) Desde a elaboração dos modelos atômicos por Dalton, Thomson, Rutherford e Bohr, cientistas como Murray Gell- Man (EUA) e Georg Zweig (Alemanha) têm desvendado os segredos subatômicos da matéria. Assinale a alternativa que apresenta, corretamente, as subpartículas que constituem as partículas atômicas conforme os modelos de Gell-Man e Georg Zweig. a) Quarks, léptons e bósons. b) Elétrons, nêutrons e prótons. c) Neutrinos e pósitrons. d) Núcleo e eletrosfera. e) Fótons. 4

5 Exercícios Complementares 13. (PUCCAMP SP/2015) A bomba atômica, também chamada de bomba nuclear, tem como constituinte físsil átomos de urânio-235, 92 U, emissores de partículas alfa 2. Cada átomo de U-235, ao emitir uma partícula alfa, transforma-se em outro elemento, cujo número atômico é igual a a) 231. b) 233. c) 234. d) 88. e) (PUC RS/2015) Associe os itens da coluna A às informações da coluna B. Coluna A 1. Fissão Nuclear 2. Fusão Nuclear Coluna B ( ) Processo cujos produtos são radioativos de longa duração. ( ) Processo de conversão de energia que ocorre no Sol. ( ) Processo de funcionamento da usina de Fukushima, onde, em 2011, houve um acidente nuclear. A numeração correta, de cima para baixo, é a) b) c) d) e) (UEM PR/2015) Com relação aos conceitos associados à radioatividade, assinale o que for correto. 01. Quando um átomo emite radiação e/ou partículas e/ou partículas, diz-se que ele sofre decaimento radioativo. 02. Quando um núcleo atômico emite uma partícula, ele perde um próton e um nêutron. 04. A radiação gama é uma onda eletromagnética transversal. 08. O período de semidesintegração é o tempo necessário para que todos os átomos radioativos existentes em uma certa amostra transmutem-se em átomos estáveis. 16. A radioatividade consiste na emissão de partículas e radiações eletromagnéticas por núcleos atômicos instáveis. 16. (UNCISAL AL/2015) Um dos maiores acidentes com o isótopo 137 Cs aconteceu em setembro de 1987, na cidade de Goiânia, Goiás, quando um aparelho de radioterapia desativado foi desmontado em um ferro velho. O desastre fez centenas de vítimas, todas contaminadas através de radiações emitidas por uma cápsula que continha 137 Cs, sendo o maior acidente radioativo do Brasil e o maior ocorrido fora das usinas nucleares. O lixo radioativo encontra-se confinado em contêineres (revestidos com concreto e aço) em um depósito que foi construído para este fim. Se no lixo radioativo encontra-se 20 g de 137 Cs e o seu tempo de meia vida é 30 anos, depois de quantos anos teremos aproximadamente 0,15 g de 137 Cs? a) 90 b) 120 c) 150 d) 180 e) 210 5

6 Física Marengão 17. (UFRGS/2015) Considere as figuras abaixo. Nuclídeo é um átomo de um elemento X, identificado por um número atômico Z e por um número de A massa A: Z X. A carta de nuclídeos é uma construção gráfica que organiza todos os nuclídeos existentes, estáveis e instáveis, em função dos números atômicos Z e de nêutrons N que eles apresentam. A distribuição dos nuclídeos está representada pela região cinza da Figura 1 acima. Nessa construção, isóbaros, isótopos e isótonos são facilmente identificados, assim como os produtos de decaimentos radioativos. 226 A Figura 2, excerto da Figura 1, destaca o nuclídeo 89 Ac, que decai principalmente por emissão de partículas e por emissão de elétrons. Usando a Figura 2, podem-se identificar os produtos desses dois tipos de decaimento como, respectivamente, a) 87 Fr e 90 Th b) 87 Fr e 88 Ra c) 87 Fr e 90 Th d) 87 Fr e 88 Ra e) 87 Fr e 87 Fr. 18. (UFT TO/2014) A energia nuclear pode ser liberada em processos de fissão e de fusão. No processo de fissão, utilizado nas usinas nucleares, um átomo de 235 U absorve um nêutron e se fissiona em dois fragmentos mais três nêutrons, e uma quantidade E de energia é liberada na forma de radiação. Nas usinas nucleares, essa radiação gama: a) é absorvida pelos prótons, que alteram a orientação do spin. b) incide sobre uma placa metálica, extraindo elétrons para a produção da energia elétrica. c) incide sobre a água, que é aquecida, gerando vapor que movimenta a turbina de um gerador elétrico. d) é absorvida pelos elétrons, que sofrem alteração nos seus níveis de energia para a produção de energia elétrica. e) incide sobre outro átomo de 235 U, provocando uma reação em cadeia que permite a continuação do processo. 19. (UFT TO/2014) Na transmutação do bismuto-210 para o polônio-210, ocorre o decaimento beta, ou seja, a emissão de uma partícula beta juntamente com um neutrino 83 Bi 84 Po e v e assim a conservação da energia do sistema é mantida. O fenômeno descrito está associado à interação. a) Gravitacional b) Nuclear fraca. c) Hidrogênio d) Van der Waals e) Eletromagnética 6

7 Exercícios Complementares 20. (Unifacs BA/2014) Marie Curie é considerada uma das mais proeminentes cientistas do século 20 e também a pioneira da radiologia, ganhadora do prestigiado Prêmio Nobel, duas vezes em vida. Infelizmente, após passar a vida lidando com substâncias radioativas cujos perigos mortais ainda não eram conhecidos, foi vítima de leucemia e morreu aos 66 anos, em 1934, em Passy, na França. Marie Curie é conhecida por sua descoberta e pesquisa com o polônio e com o rádio. Também cunhou o termo radioatividade, processo pelo qual o núcleo atômico de um átomo instável perde energia, emitindo partículas ionizantes. Junto com o marido Pierre Curie, descobriu o rádio ao separar 0,1 g de cloreto de rádio, através de cristalização fracionada, de uma tonelada de uraninita. O processo, permitiu o isolamento do rádio puro, metálico, em Os trabalhos de Marie Curie e de Pierre Curie possibilitaram o desevolvimento da radioterapia, atualmente usada no tratamento de células tumorais através de feixes de radiação ionizante. MARIE CURIE, Heróis da Ciência: O trabalho de uma vida. Como Funciona, n 07. ano 1. ed. On line (MARIE CURIE p ). Sobre as propriedades físicas de raios gama,, produzidos na desintegração de um núcleo atômico de isótopo radioativo, é correto afirmar: 01. As emissões radioativas são constituídas de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e ondas eletromagnéticas. 02. A partícula alfa, 4 0 2, núcleos de átomos de hélio, e a partícula beta, 1, carregada negativamente e sem massa, possuem o mesmo poder de penetração nos tecidos orgânicos. 03. As emissões de radionuclídeos são formas de radiação eletromagnética de alta energia. 04. A dose de radiação absorvida inferior a 0,35 Gy/h, admitida como sendo inofensíva à saúde humana, expressa no SI é, aproximadamente, 1, J/kg.s, sendo Gy igual a 1J/kg. 05. O núcleo atômico que emite radiação gama, libera uma quantidade de energia igual a h c, sendo h a constante de Planck, é o comprimento de onda e c, o módulo da velocidade da luz no vácuo. 21. (UEM PR/2014) Com relação às partículas fundamentais da natureza, assinale o que for correto. 01. Os bósons e os léptons são formados por uma combinação apropriada de quarks up e de quarks down. 02. Fótons são bósons e possuem massa de repouso nula. 04. O elétron, o neutrino e o múon são exemplos de léptons. 08. A categoria dos hádrons se divide em mésons e em bárions. 16. O próton e o nêutron são classificados como bárions e pertencem à categoria dos hádrons. 22. (UFG GO/2014) Em 1989, foi anunciada a realização em laboratório da assim chamada "fusão a frio", um processo de fusão nuclear à temperatura ambiente realizada por meio de uma célula eletroquímica. Apesar do clamor inicial suscitado por esse resultado, experimentos sucessivos não conseguiram reproduzi-lo. De acordo com o que foi divulgado à época, núcleos de deutério 2 H se fundiam por meio das reações: 2 H + 2 H 3 He + n + E1 2 H + 2 H 3 He + 1 H + E2 Para a situação apresentada, considere uma célula eletroquímica que possibilite o processo de fusão a frio gerando uma potência de 11,2 W. Na hipótese de que as duas reações aconteçam com a mesma frequência, conclui-se que os neutrons liberados durante 1 segundo seriam: Dados: E1 3,0 MeV E2 4,0 MeV 1 ev = 1, J a) b) c) d) e)

8 Física Marengão 23. (UFRGS/2014) Escolha a opção que associa as colunas da tabela abaixo, de modo a completar corretamente as lacunas pontilhadas nas reações nucleares indicadas na coluna da esquerda. a) (h) (d) (b) (g) b) (c) (d) (e) (g) c) (h) (f) (b) (a) d) (c) (f) (e) (a) e) (h) (d) (b) (a) 24. (ITA SP/2015) Considere as quatro proposições seguintes: I. Os isótopos 16 O e 18 O do oxigênio diferenciam-se por dois neutrons. II. Sendo de anos a meia-vida do 239 Pu, sua massa de 600 g reduzir-se-á a 200 g após anos. III. Um núcleo de 27 Mg se transmuta em 28 Al pela emissão de uma partícula. IV. Um fóton de luz vermelha incide sobre uma placa metálica causando a emissão de um elétron. Se esse fóton fosse de luz azul, provavelmente ocorreria a emissão de dois ou mais elétrons. Então, a) apenas uma das proposições é correta. b) apenas duas das proposições são corretas. c) apenas três das proposições são corretas. d) todas elas são corretas. e) nenhuma delas é correta. GABARITO 01. C 02. a) -2 b) -2/ B 06. E 07. E 08. E 09. D 10. VFFF 11. C 12. A 13. E 14. C E 17. A 18. C 19. B A 23. C 24. A 8