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Conceitos Básicos da Física Nuclear Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ.

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Apresentação em tema: "Conceitos Básicos da Física Nuclear Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ."— Transcrição da apresentação:

1 Conceitos Básicos da Física Nuclear Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

2 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear2 Constituintes do Núcleo Atômico O núcleo atômico é composto por prótons e nêutrons, os nucleons. Número de prótons: Z (Número atômico) Número de nêutrons: N Número de nucleons: Z+N=A (Número de massa) Representação de um núcleo atômico: As diferentes espécies de núcleos são chamadas de nuclídeos.

3 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear3 Isótopos Isótopos do Hidrogênio: Isótopos Gadolínio: Isótopos do Urânio:

4 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear4 Estabilidade A cor verde representa os nuclídeos estáveis. A cor abóbora representa os radionuclídeos. Para Z>83 (Bismuto) só há radionuclídeos.

5 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear5 Núcleos Mágicos Os núcleos que contém 2, 6, 8, 14, 20, 28, 50, 82 ou 126 nêutrons ou prótons são especialmente estáveis. Estes núcleos são chamados de mágicos, pois o número de nucleons associado é dito ser um número mágico. Núcleos com número mágico de nêutrons quase não absorvem nêutrons. - usado como material estrutural em reatores nucleares - poderia ser usado (na forma líquida) como refrigerante

6 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear6 Raio e Massas Nucleares Raio Nuclear (considerado por ser uma esfera) Massas Nucleares Massa do nêutron: Massa do próton: Massa do núcleo:

7 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear7 Massa e Energia A unidade usada para as massas nucleares é a unidade de massa atômica (amu), que equivale a 1/12 da massa em gramas do Então: Equivalência entre massa e energia:

8 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear8 Energia de Ligação

9 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear9

10 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear10 Núcleos para os quais a energia média por nucleon é alta são particularmente estáveis ou firmemente ligados. Grande quantidade de energia deve ser suprida a estes núcleos para separá-los em seus constituintes. Quando tais núcleos são formados, a partir de seus constituintes, grande quantidade de energia é liberada. Por outro lado, núcleos com baixa energia de ligação por nucleon podem facilmente ser separado em seus nucleons constituintes. Estes núcleos liberam menos energia quando são formados.

11 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear11 Se for possível produzir uma configuração mais estável juntando núcleos menos estáveis, então energia é liberada. Este processo chama-se fusão nuclear. E se for possível produzir uma configuração mais estável dividindo- se um núcleo pesado em dois outros núcleos, também há liberação de energia. Este processo chama-se fissão nuclear.

12 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear12 Fontes de Energia Nuclear Fusão Nuclear: Fissão Nuclear:

13 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear13

14 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear14 Energia Produzida

15 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear15 Exercício Se você pudesse aproveitar toda a energia disponível em 1g de lixo, quanto de energia, em KWh, você teria? E se pudesse vendê-la a R$ 0,01 por KWh, quanto você ganharia? Dados: Cálculo da energia:

16 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear16 Em uma casa cujo consumo mensal de energia é de 695 KWh/mês, esta quantidade de energia daria para abastecer esta casa por ~36 mil meses. Cálculo dos rendimentos em reais: Rendimentos

17 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear17 Níveis de Energia do Núcleo Estado Fundamental Estados Excitados

18 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear18 Radioatividade A cor verde representa os nuclídeos estáveis. A cor abóbora representa os nuclídeos instáveis. Para Z>83 (Bismuto) só há radionuclídeos.

19 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear19 Radiações Nucleares Certos núcleos, mesmo em seu Estado Fundamental, são instáveis no sentido que podem se transformar, espontaneamente, em um nuclídeo diferente, usualmente acompanhado pela emissão de partículas energéticas (decaimento alfa e decaimento beta). Núcleos em Estados Excitados também podem decair de estados com maior energia para estados de menor energia e, neste caso, podem, por exemplo, emitir um nêutron ou um fóton (radiação eletromagnética).

20 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear20 Decaimento alfa Decaimento beta Decaimento de núcleos em estados excitados

21 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear21 Decaimento alfa Decaimento beta Obs.: A partícula tem a massa e a carga de um elétron e tanto o quanto o não possuem massa, mas carregam energia. Materiais Radioativos

22 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear22 Meia Vida É o intervalo de tempo necessário para que a quantidade de núcleos radioativos em uma amostra caia a metade. Constante de Decaimento A probabilidade, por unidade de tempo, que um núcleo radioativo decaia é uma constante e chama-se constante de decaimento. Relação:

23 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear23 Materiais Radioativos - Aplicações Para medidas de datação: e Para cura de câncer:

24 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear24 Decaimento alfa Decaimento beta 14 s 64 s 13 d 40 h Transmutações Nucleares

25 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear25 Seja N(t) a quantidade de núcleos radioativos, de uma espécie, numa amostra, no instante t. Então, podemos dizer que a taxa de variação no tempo de N(t) é igual a diferença entre a taxa de produção, R(t), e a taxa de perda por decaimento, λN(t). Obs.: λN(t) é também chamado de Atividade. Decaimento Radioativo

26 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear26 A taxa de variação no tempo de N(t) é igual a diferença entre a taxa de produção, R(t), e a taxa de perda por decaimento, λN(t). Matematicamente:

27 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear27 Equações de Decaimento

28 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear28 Exercício Um núcleo A decai em um núcleo B que por sua vez decai em um núcleo C que é estável. Se o núcleo A é produzido a uma taxa constante de R núcleos/seg e no instante t=0 não havia nenhum destes três núcleos, calcule a quantidade de cada um deles em um instante t>0. Equações de decaimento (ou transmutação):

29 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear29 Solução:

30 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear30 Método de Solução:

31 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear31

32 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear32


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