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Radiação Fukushima. Cap. 42 Física Nuclear A descoberta do núcleo. Propriedades do núcleo: Núcleons; Carta de nuclídeos; Raio; Massa; Energia de ligação;

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1 Radiação Fukushima

2 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.

3 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

4 A descoberta do núcleo Elétron ( J.J. Thomsom): carga negativa, por definição. Átomo é neutro: como está distribuída a carga positiva? E. Rutherford (1911): sugeriu que carga positiva é concentrada no centro do átomo e responsável pela maior parte da massa do átomo. E. Rutherford J.J. Thomsom

5 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.

6 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!!!

7 Propriedades dos núcleos Núcleo: prótons + nêutrons (núcleons) Terminologia: Z: número de prótons (número atômico) N: número de nêutrons A: número de massa Isótopos, isótonos e isóbaros.

8 Propriedades dos núcleos Carta de nuclídeos: Verde: estáveis Amarelos: radioativos Átomos leves: próximos à curva Z = N. Átomos pesados: excesso de nêutrons.

9 Propriedades dos núcleos Carta de nuclídeos: ISÓTOPO ISÓBARO ISÓTONO

10 Propriedades dos núcleos 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.

11 Propriedades dos núcleos 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)

12 Propriedades dos núcleos 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 ligação por núcleon: energia média necessária para arrancar um núcleon. Energia de repouso dos componentes isolados Energia de repouso do núcleo E el M núcleo liberação de energia

13 Propriedades dos núcleos Energia de ligação por núcleon E el M núcleo liberação de energia FISSÃOFUSÃO

14 Propriedades dos núcleos 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)

15 Propriedades dos núcleos

16 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

17 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:

18 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.

19 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

20 Decaimento Alfa Núcleo se transforma em outro emitindo partícula alfa. núcleo de hélio Ex.: 238 U 234 Th + (Q = -4,25 MeV) Reação espontânea (lembre-se de eln ), porém a meia vida de 238 U é 4,5x10 9 anos. Por quê?

21 Decaimento Beta Núcleo se transforma em outro emitindo elétron (e – ) ou pósitron (e + ). Decaimento – : elétron Ex.: Decaimento + : pósitron Ex.: : neutrino –Massa nula ou muito pequena; –Carga neutra; –Interage fracamente com a matéria.

22 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.

23 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?

24 Medida da dose de radiação Dose absorvida: medida da dose absorvida por um corpo específico SI:1 Gray = 1 Gy = 1 J/kg Outra unidade:1 Gy = 100 rad Dose Equivalente: dois tipo de radiação diferentes podem fornecer a mesma quantidade de energia. SI:1 Sievert = 1 Sv Outra unidade:1 Sv = 100 rem RBE: relative biological effectiveness RadiaçãoRBE raios-X 1 raios- elétrons nêutrons lentos5 partícula 10

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