O ÂTOMO TIPOS DE RADIAÇÕES. TIPOS DE RADIAÇÕES As radiações podem ser classificadas da seguinte forma: Quanto à composição

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1 O ÂTOMO Prof. André L. C. Conceição DAFIS Curitiba, 27 de março de 2015 TIPOS DE RADIAÇÕES Radiação é energia em trânsito (emitida e transferida por um espaço). Do mesmo jeito que o calor (energia térmica em trânsito) ou o vento (ar em trânsito). Assim, radiação é uma forma de energia emitida por uma fonte e transmitida através do vácuo, do ar ou de outros meios materiais. TIPOS DE RADIAÇÕES As radiações podem ser classificadas da seguinte forma: Quanto à composição Eletromagnéticas Corpusculares Quanto à energia Não-ionizantes Ionizantes Diretamente Ionizantes Indiretamente ionizantes 1

2 Radiação Eletromagnética (REM) Revisão: Propriedades de uma onda v f Equação Fundamental da Ondulatória Revisão: Propriedades das REM 1. E e B perpendiculares à direção de propagação (transversal) 2. E e B perpendiculares entre si 3. E B sentido da propagação 4. E e B variam senoidalmente, mesma frequencia e em fase c = 2, m/s O espectro eletromagnético comp. de onda (em metros) tam. de um comp. de onda nome comum da onda longo campo de futebol casa ondas de rádio bola de baseball micro-ondas curto célula bactéria vírus proteína molécula de água infravermelho visível ultravioleta raios-x moles raios-x duros raios gama fontes freqüência (Hz) rádio AM cavidade rf rádio FM forno micro-ondas radar pessoas lâmpadas ALS elementos máq. de radiativos raios-x energia de um fóton (ev) baixa alta Não tem limites definidos e nem lacunas. 2

3 Algumas regiões conhecidas Espectro de Radiação Eletromagnética Região Comp. Onda (Angstroms) Comp. Onda (centímetros) Freqüência (Hz) Energia (ev) Rádio > 10 9 > 10 < 3 x 10 9 < 10-5 Micro-ondas x x Infra-vermelho x x x Visível x x x x Ultravioleta x x x Raios-X x x Raios Gama < 0.1 < 10-9 > 3 x > 10 5 Radiação Eletromagnética Ionizante Aquela que tem a capacidade de ionizar átomos e moléculas de um material irradiado. REM ionizante O fóton 1905 Einstein: REM é quantizada fóton (energia do fóton) Constante de Planck 6,63x10-34 J.s = 4,14x10-15 ev.s Átomos emitem ou absorvem fótons REM é gerada na forma de fótons REM é detectada na forma de fótons REM se propaga na forma de onda 3

4 Verificação Coloque as radiações a seguir em ordem decrescente da energia dos fótons correspondentes: (a) luz amarela de uma lâmpada de vapor de sódio; (b) raio gama emitido por um núcleo radioativo; (c) onda de rádio emitida pela antena de uma estação de rádio comercial; (d) feixe de microondas emitido pelo radar de controle de trafego aéreo de um aeroporto. b > a > d > c Exercício Calcule a energia transportada por um fóton produzido em um equipamento de raios X diagnóstico, cujo comprimento de onda é 10 pm. h = 4, ev. s c = 2, m/s E = hf = hc λ E = 4, , E = 124,31 kev Elétrons e ondas de matéria Ondas de matéria: (comprimento de onda de de Broglie) Louis de Broglie, 1924 VÍDEO 4

5 Exercício Calcule a energia cinética transportada por um elétron, cujo comprimento de onda é 10 pm. h = 6, J. s m = 9, kg 1ev = 1, J K = mv2 2 = mv2 2 m m = mv 2 2m = p2 2m λ = h p K = h2 2mλ 2 = 6, , = 2, J 15 kev Conceito de átomo e núcleo Z: número atômico A: número de massa N=A-Z= número de neutrons 1 uma = 1,6605 x10-27 kg =1/12 M( 12 C) E= mc 2-1uma 931,5MeV Partícula Próton Carga (C) Massa (uma) +1,6x ,00727 Neutron 0 1,00866 Elétron Pósitron -1,6x ,6x , , Classificação dos átomos Z N A Isótopos = Isótonos = Isóbáros = Isômeros = = = O ÁTOMO O núcleo é ocupado por prótons e nêutrons e existem duas forças atuantes nessas partículas: a força forte e a eletromagnética. Forte: força atrativa entre P-P, N-N e P-N. Eletromagnética: repulsiva entre P- P (partículas com cargas elétricas). Entretanto, a força forte (apesar de ser de curto alcance) consegue superar a eletromagnética. Por essa razão, as partículas mantêm-se unidas dentro dos núcleos. 5

6 Massa e Energia Massa como forma de energia Energia de repouso 1uma = 1, kg Energias de ligação dos núcleos A massa real de um núcleo é menor que a soma das massas dos nucleons que os constituem. A diferença de massa, corresponde à energia necessária para romper o átomo em suas partículas constituintes, denominada Energia de Ligação do Núcleo (E B ). (energia de ligações) (energia de ligação por núcleon) Energias de ligação dos núcleos 2 2 2, ( ) ncl (, ) E Z A Zm c A Z m c M Z A c B p n E 931,5 MeV 1uma E 0,0305uma 931,5MeV uma 28,41MeV 6

7 O ÁTOMO Um átomo é dito estável quando a força nuclear forte (atrativa) consegue superar a força eletromagnética (repulsiva). Isso ocorre quando: A quantidade de prótons e nêutrons for igual, em núcleos leves (baixo A): ; A quantidade de nêutrons supera a quantidade de prótons, nos átomos com o aumento de A. Força Forte Força Elétrica O ÁTOMO Carta de nuclídeos Exemplos de átomos estáveis: C 12 = 6 prótons e 6 nêutrons O 16 = 8 prótons e 8 nêutrons N 14 = 7 prótons e 7 nêutrons Au 197 = 79 prótons e 118 nêutrons W 184 = 74 prótons e 110 nêutrons O ÁTOMO Com o aumento do número de prótons do núcleo, chega um ponto em que o aumento do número de nêutrons não é suficiente para compensar a repulsão elétrica. O núcleo estável com maior número de prótons (Z = 83) é o bismuto, que contém 126 nêutrons. Todos os núcleos com mais de 83 prótons, como por exemplo, o urânio (Z = 92) são instáveis e com o tempo se desintegram, espontaneamente, até tornarem-se estáveis. RADIOATIVIDADE 7

8 Mecanismos de radiação de um átomo Quando temos transições eletrônicas entre estes níveis, ou seja, entre um estado excitado e outro, temos produção de REM (raios X característicos) Mecanismos de Radiação de um núcleo Níveis de Energia de um núcleo Quando um núcleo está em um estado excitado, ele decai ao estado de menor energia emitindo radiação γ. Núcleos Estáveis e Instáveis Radioatividade Natural Artificial 8

9 Radioatividade Natural vs Artificial Partículas nucleares em constante movimento colisões e transferência de energia de uma partícula para outra. Se E partícula > E b a partícula pode escapar do núcleo (Radioatividade Natural) Novos isótopos são produzidos pelo bombardeamento de núcleos estáveis com neutrons, prótons de alta energia, partículas alfa, raios gama, etc. (Radioatividade Artificial) Decaimento radioativo Atividade Não é possível dizer quando um dado átomo se desintegrará. Porém, na média, nós podemos prever que em um intervalo de tempo, chamado meia-vida, metade dos átomos iniciais terão se desintegrado. Atividade: número de desintegrações por unidade de tempo. (decaimento radioativo) Unidades 1 bequerel (Bq) = 1 desintegração por segundo 1 curie (Ci) = 3, Bq 9

10 Decaimento Exponencial Desintegração radioativa é a transformação de um nuclídeo pai para outro filho. Cada elemento possui uma constante de desintegração simbolizada por λ. Esta constante é característica do pai e independe de qualquer condição físico-química da amostra radioativa. (taxa de decaimento) cte. de decaimento (ou de desintegração) (decaimento radioativo) Meia-vida e vida-média Meia-vida T 1/2 N, R ½ N 0, ½ R 0 Vida-média t N, R 1/e N 0, 1/e R 0 Verificação O nuclídeo 131 I é radioativo, com uma meia-vida de 8,04 dias. Ao meio dia de primeiro de janeiro, a atividade de uma certa amostra é 600 Bq. Usando o conceito de meia-vida, determine, sem fazer cálculos por escrito, se a atividade da amostra ao meio dia de 24 de janeiro será um pouco menor que 200 Bq, um pouco maior que 200 Bq, um pouco menor que 75 Bq ou um pouco maior que 75 Bq. Um pouco maior que 75 Bq 10

11 Exercícios e problemas A meia-vida de um isótopo radioativo é 140 dias. Quantos dias são necessários para que a taxa de decaimento de uma amostra deste isótopo diminua para um quarto do valor inicial? Modos de Decaimento Decaimento Alfa ( ) Decaimento Beta ( - ) Decaimento Beta ( + ) Captura Eletrônica ( ) Decaimento Gama ( ) 11

12 Emissão Gama Processo onde o núcleo em um estado excitado emite um fóton, acabando em um estado de menor energia de excitação ou no seu estado fundamental * 240 Pu Pu F887 Física Nuclear, Aula 16 Decaimento Radioativo Decaimento α, β Captura Eletrônica Conversão Interna Decaimento α Notação: A Z X Y He Q A 4 4 Z 2 2 Energia Processo onde o núcleo emite espontaneamente um núcleo de 4 He. Normalmente ocorre para núcleos pesados (A>150) Normalmente é seguido por emissão e raios X característicos A alfa é partícula pesada e de baixo poder de penetração - (alguns cm no ar) Espectro de energia discreto Carga elétrica + 2e ; 4x mais pesada p ou n; 12

13 Decaimento α Ra Rn He MeV Decaimento β - n p e Notação: A Z X Y e Q A Z 1 Decaimento β - 13

14 Decaimento β + p energia n e A Notação: Z X Y e Q A Z 1 Decaimento β + Espectro Decaimento β - Espectro Contínuo + E max ( - ) 571 KeV Só pode ser certo se existe outro corpo, o neutrino ( ) E max ( + ) 657 KeV Energia Cinética de partículas (KeV) 14

15 A radioatividade e a carta de nuclídeos decaem emitindo pósitrons decaem emitindo elétrons Exercício Dado o decaimento β - abaixo e sabendo que o P-32 e o S-32 tem respectivamente 31, e 31, u.m.a., respectivamente, encontre o energia cinética entregue à partícula β - em termos de u.m.a. Dado: m e = 0, u.m.a Solução Massa do núcleo do P- 32 Massa do núcleo do S- 31, m e Massa do neutrino 0 Massa do β - 1m e 31, m e Massa total 31, , m e 15m e Energia entregue ao β - 0, u.m.a. (u.m.a.) 15

16 Exercício Dado o decaimento β + abaixo e sabendo que o N-13 e o C-13 tem respectivamente 13, e 13, u.m.a., respectivamente, encontre o energia cinética entregue à partícula β + em termos de u.m.a. Dado: m e = 0, u.m.a Solução Massa do núcleo do N- 13 Massa do núcleo do C , m e Massa do neutrino 0 Massa do β + 1m e m e Massa total 13, m e m e Energia entregue ao β + (u.m.a.) 0, u.m.a. - 2m e (2 x 0, u.m.a)= u.m.a. Captura de elétrons Decaimento por captura eletrônica (EC) é um processo alternativo de decaimento β +. e p n Geralmente ocorre em radionuclídeos deficientes em nêutrons. O elétron é normalmente capturado das camadas mais internas do átomo (K), mas pode também ser dos níveis de energia maior, como os níveis L, M ou N. Uma vez dentro do núcleo, o elétron interage (interação fraca) com um próton resultando em um nêutron e liberando um neutrino. Esquema do decaimento: A A Z X e Z 1Y e Transformação isobárica e Exemplo: 125 I e 125 Te * e 16

17 Captura de Elétrons Conversão Interna Durante um processo de emissão γ, esta radiação que está saindo do núcleo pode arrancar um e - (chamado de e - de conversão) que terá energia cinética K=hν-E b. Este processo ocorre mais comumente com átomos pesados do que com átomos leves. Acompanha sempre a este efeito a emissão de raios X característicos, produto do preenchimento da lacuna deixada pelo e -. Conversão Interna O processo de conversão interna é importante apenas quando a transição é de baixa energia, e para elétrons da camada mais interna K (n=1), em núcleos pesados. 17

18 Elétrons Auger Fenômeno análogo ao de conversão interna, porém acontece com raios X. Resultado: Espectro discreto de e - Auger. Resumo: Mecanismos de Decaimento Decaimento Alfa ( ) Decaimento Beta ( - ) Decaimento Beta ( + ) Captura Eletrônica ( ) Decaimento Gama ( ) Energia Absorvida no decaimento radioativo 18