2.ª Parte Escola Secundária de José Saramago FQA 0º ano 20/2 Marília Peres A origem dos Elementos Químicos Marília Peres 2
A matéria surgiu a partir dos fotões! Hoje sabemos que um fotão pode originar uma partícula de matéria e outra de antimatéria. fotão matéria antimatéria Quando uma partícula de antimatéria colide com a sua oposta de matéria, aniquilam-se mutuamente sendo convertidas num fotão (energia). Fonte: http://atlas.ch/angels-demons/3.html 3 Por que razão a matéria não foi toda aniquilada pela antimatéria? Os físicos pensam que num estádio inicial do Universo houve uma quebra espontânea de simetria na transformação dos fotões em matéria e antimatéria, tendo resultado um excesso muito pequeno de matéria. Felizmente vivemos num mundo de matéria!! É possível criar antimatéria na Terra. O CERN já o fez! A antimatéria é utilizada, em medicina, na tomografia por emissão de positrões (PET). Adaptado de Amélia Fabião 4 Fonte: http://algol.fis.uc.pt/quark/viewtopic.php?f=7&t=72 2
A propósito de matéria e antimatéria O Modelo Padrão Fonte: http://www.lip.pt/~pedros/aux/psilva_lhc.pdf Adaptado de Amália Fabião 5 Como é que se formaram os primeiros átomos? A formação dos núcleos atómicos no Universo foi resultado de reações nucleares nas estrelas. FUSÃO NUCLEAR: Processo de produção de energia nas estrelas Em segundo o sol (t =5 MºC) produz mais energia que o homem consumiu nos últimos 0.000 anos Fonte: JET 3
As reações nucleares Reações químicas Reações nucleares Os núcleos dos átomos não são alterados. Os elementos químicos mantêm-se. Os núcleos dos átomos são alterados. Há transformação de uns elementos noutros diferentes. Outra diferença importante! A energia posta em jogo nas reações nucleares é milhões de vezes superior à que é posta em jogo na reações químicas. Marília Peres 7 Quais são as partículas subatómicas? Como se representam? Partícula Símbolo Notação Protão Neutrão p n Eletrão e - ou β - Positrão e + ou β + Neutrino ν p ou 0n H 0-0 e ou 0 0 e ou 0 0 A x q Z Antipartícula do eletrão Adaptado de Amélia Fabião Lê-se niú 8 Vamos pensar para preencher a coluna. 4
As reações nucleares Na escrita das equações correspondentes às reações nucleares deve-se ter em conta: a lei da conservação do número de nucleões a soma dos números de massa deve ser igual nos dois membros da equação. a conservação da carga total a soma dos números atómicos deve ser igual nos dois membros da equação. 7 3 Li p 2 Marília Peres 9 4 2 He Energia A origem dos elementos químicos Big Bang origina Universo de: Espaço Tempo Energia por expansão e consequente arrefecimento origina Energia o g a Partículas elementares: Quarks, neutrinos e electrões Primeiros átomos H 2/3 He /3 sempre expandindo e arrefecendo, aparecem Núcleos atómicos Electrões livres em contínua expansão e arrefecimento, surgem expandindo, arrefecendo e por acção da gravidade surgem Marília Peres 0 5
A origem dos elementos químicos Marília Peres A origem dos elementos químicos Fase principal da vida da Estrela 2 2 3 H H 2He 0 n 3 4 H p He 2 Marília Peres 2 6
A origem dos elementos químicos Big Bang origina Universo de: Espaço Tempo Energia por expansão e consequente arrefecimento origina Energia o g a Partículas elementares: Quarks, neutrinos e electrões Primeiros átomos H 2/3 He /3 sempre expandindo e arrefecendo, aparecem Núcleos atómicos Electrões livres em contínua expansão e arrefecimento, surgem expandindo, Nuvens arrefecendo e por Galáxias acção da Enxames de galáxias gravidade surgem Primeiras estrelas Marília Peres 3 evoluindo as estrelas para Estrelas tipo Sol Estrelas gigantes A origem dos elementos químicos expandindo, arrefecendo e por acção da gravidade surgem Nuvens Galáxias Enxames de galáxias Primeiras estrelas evoluindo as estrelas para Estrelas tipo Sol Estrelas gigantes Núcleo contrai-se e aquece Estrela expande-se quando o H acaba no núcleo da estrela Reacções Nucleares H He nas quais se dão originando Gigantes vermelhas Marília Peres 4 7
A origem dos elementos químicos Fase de estrela gigante vermelha (Corrêa; 2007) Marília Peres 5 Gigantes vermelhas e fusão nuclear do hélio 3 4 He 2 C + 7,03 x l0 9 kj /mol 6 Química A - Ano 8
A origem dos elementos químicos Estrela tipo Sol ocorrem Reacções nucleares (M < 8 Mo) He C,,O Gigantes vermelhas se for evolui para Anã branca Estrela gigante (M > 8 Mo) ocorrem Reacções nucleares He C, O Ne, Mg Si, S, Fe Acabam as reacções no núcleo da estrela Marília Peres 7 A origem dos elementos químicos Fase de estrela supergigante vermelha Marília Peres 8 9
A formação estelar de elementos químicos Mais tarde, outras estrelas nascem a partir de nuvens de hidrogénio, enriquecidas agora com os elementos resultantes de estrelas já desaparecidas, e nessas novas estrelas sintetizam-se, por sua vez, os restantes elementos químicos. Nucleossíntese primordial Nucleossíntese estelar Nucleossíntese interestelar Do Big Bang até às proto-estrelas Durante a vida das estrelas Depois da morte das supernovas 9 A origem dos elementos químicos Supernova evolui para Estrela gigante (M > 8 Mo) Explosão da superfície Contracção do núcleo Estrela gigante inicial (M < 25 Mo) evolui para Pulsar Reacções nucleares na superfície durante a explosão Formação de todos os elementos com Z > 26 (Fe) se Marília Peres 20 Estrela gigante inicial (M > 25 Mo) evolui para Buraco negro 0
Os elementos que formam o nosso corpo, como o cálcio dos ossos, o ferro do sangue e todos os outros elementos, foram gerados no interior das estrelas, na matéria que delas resultou. Marília Peres 2 Somos feitos de matéria cósmica; somos poeiras de estrelas. Carl Sagan Marília Peres 22
Distribuição dos elementos químicos no Universo Oelementomais mais abundante é o hidrogénio, com 60,3% (88,6% em número de átomos) e em seguida o hélio, com 36,5% (,3% em número de átomos). 23 Química A - Ano Distribuição dos elementos químicos no Universo Consulte: http://media.open2.net/periodictable/preview-full/ 24 Química A - Ano 2
O que é a Fusão Nuclear? Junção de 2 núcleos pequenos com obtenção de um núcleo maior, demenor massa que o conjunto dos núcleos iniciais. Neutrão Protão 4 4 H 2 He 2 0 e Energia Marília Peres 25 O que é a Fissão Nuclear? Um núcleo grande, instável, divide-se em 2 núcleos mais pequenos, e mais estáveis. 93 40 92U 0n 36Kr 56Ba 3 235 0 n Energia Marília Peres 26 3
O que é a Fissão Nuclear? É uma reacção em que se bombardeiam os núcleos de átomos pesados com neutrões. Obtêm-se como resultados dois fragmentos de massa semelhantes e emissão de neutrões. Estes por sua vez voltam a bombardear outros núcleos, produzindo-se assim uma reacção em cadeia. Marília Peres 27 Consulte: http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fission A Energia Nuclear tem origem na conversão da massa dos núcleos em energia núcleo Fusão Ener rgia de ligação do Numero Atómico Fissão dos Núcleos Pesados Fusão D T n He n n Fissão U Fonte: JET 4
FISSÃO envolve neutrões que penetram no nucleo n + 235 U Ba + Kr + 3n Fonte: JET Energia do neutrão ~ 2 MeV Esquema de uma Central Nuclear de Fissão 30 Marília Peres (VARANDAS; s.d.) Consultar: http://wps.prenhall.com/esm_mcmurry_chemistry_5/73/8724/4793409.cw/index.html 5
Fusão Nuclear: que Futuro? O ITER ( International Thermonuclear Experimental Reactor ) é o primeiro reactor experimental de fusão, da configuração tokamak, concebido e projectado no âmbito de um Protocolo assinado entre a European Atomic Energy Community e os Governos do Japão, Estados Unidos e União Soviética. 3 Marília Peres Desenho esquemático do ITER (Fonte: IST) FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA reacções em laboratório Ciclo do Deuterão Viável Fonte: JET 6
FUSÃO TERMONUCLEAR CONTROLADA reacções em laboratório Fonte: JET m = 5-4.8 = 0.2 (u.a.) kg E = m.c 2 0.2 kg Energia para 675 pessoas por um ano (EUA) Fusão Nuclear: que Futuro? 34 Esquema de uma central de Fusão Nuclear (Varandas; s.d.) Marília Peres 7
As aplicações das reacções nucleares Marília Peres 35 36 8