Topicos Especiais em Física – Física Nuclear Prof. Dr. Arturo R. Samana Semestre: 2012.1

Conteúdo - Objetivos da Disciplina - Ementa curricular - Critérios de avaliação - Conteúdo programático - Programação

Objetivos da disciplina  Atendendo aos objetivos gerais do curso de Licenciatura Plena em Física na modalidade à distância, esta disciplina oferecerá aos futuros licenciados uma série de conhecimentos básicos associados ao estudo da Física Nuclear. A física nuclear estuda as propriedades e o comportamento dos núcleos atômicos e os mecanismos das reações nucleares. Esta área da ciência teve início a partir da evolução do conceito científico a cerca da estrutura atômica, pois até meados do século XIX acreditáva-se que os átomos eram esferas maciças indestrutíveis e indivisíveis. Esses conceitos estavam de acordo com a teoria atômica de John Dalton. Para extrair um elétron de um átomo, é necessária uma certa quantidade de energia. Da mesma forma, cada núcleo (próton ou nêutron) necessita também de grande quantidade de energia, que é da ordem de milhões de vezes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada física de alta energia.

Ementa Curricular Modelos atômicos: Thomson, Rutheford e Bohr; decaimento radiativo; modelos nucleares; descoberta da radioatividade artificial; fissão nuclear; fusão nuclear; geração de energia a partir da fissão e da fusão; interação da radiação com a matéria e com o corpo humano. A física nuclear tem como objeto de estudo o núcleo atômico e suas propriedades. Os núcleos possuem propriedades que podem ser classificadas como estáticas (carga, tamanho, forma, massa, energia de ligação, spin, paridade, momentos eletromagnéticos, etc.) e dinâmicas (radioatividade, estados excitados, reações nucleares, etc.). Estas propriedades são analisadas através de modelos nucleares que são baseados na mecânica quântica, relatividade e teoria quântica de campos. A descoberta de que os núcleons (prótons e nêutrons) são na realidade sistemas compostos, redirecionou o interesse dos físicos nucleares para a investigação dos graus de liberdade de quarks e, com isto, atualmente os domínios da pesquisa da física nuclear e da física de partículas se tornaram interligados.

Critérios de Avaliação   Quatro Provas Processais (40 %) Prova Final Presencial (60 %) Compreensão e interpretação de textos científicos. Uso de matemática elementar para problemas não comuns. Metodologia de ensino

Conteúdo Programático UNIDADE 1: Modelos atômicos Estrutura do mundo físico O átomo Evolução dos modelos atômicos Modelo de Thomsom Modelo de Rutherford Modelo de Bohr

Conteúdo Programático UNIDADE 2: Propriedades Nucleares Globais e Modelos Nucleares PROPRIEDADES NUCLEARES GLOBAIS Tamanho do núcleo. Energia de ligação Momento angular total do núcleo MODELOS NUCLEARES Introdução O modelo da Gota Líquida O modelo de Camadas Nuclear

Conteúdo Programático UNIDADE 3: Decaimento radioativo. Descoberta da radioatividade artificial. Fissão nuclear e fusão nuclear. Geração de energia. 1. PROCESSOS RADIOATIVOS 2. ESTATISTICA DA DESINTEGRAÇÃO RADIOATIVA 3. SERIES RADIOATIVAS 4. DESINTEGRACAO ALFA 4.1 Efeito túnel http://www.colegioweb.com.br/quimica/descoberta-da-radioatividade.html Descoberta da radioatividade Após a descoberta dos raios x houve uma revolução na Ciência. A partir desta importante descoberta, outro físico francês iniciou um estudo para tentar descobrir os raios x em substâncias fluorescentes. Antoine Henri Becquerel descobriu que o sulfato duplo de potássio e uranila emitia raios desconhecidos, que impressionavam chapas fotográficas após atravessar o papel negro, estes raios foram nomeados, inicialmente, de “raios Becquerel”.  Marie Sklodowska e Pierre Curie, um casal de cientistas, interessados pela descoberta de Becquerel acabaram descobrindo que todos os compostos que possuíam urânio tinham a propriedade de emitir esses raios, portanto ficou evidente que ele era o elemento responsável por emitir os raios desconhecidos. Assim, o casal nomeou este fenômeno como radioatividade, que significa emitir raios (do latim radius). O casal Curie iniciou um trabalho com amostras retidas do elemento urânio. Após medir as radiações emitidas em cada amostra, constataram que, quanto maior era a proporção de urânio na amostra, mais radioativa ela seria.  Ao estudar a pechblenda, um minério de urânio, mais uma descoberta inesperada aconteceu. Verificou-se que uma das partes de impureza extraídas do minério era muito mais radioativa do que o próprio urânio puro. Desse modo, o casal Curie desconfiou que houvesse outro elemento radioativo desconhecido. Em 1898, o casal descobriu o elemento que era 400 vezes mais radioativo do que o urânio, este elemento foi denominado “polônio”.  Mesmo com a descoberta do polônio, o casal não cessava as suas pesquisas, até que descobriram outro elemento mais radioativo que o polônio, este foi nomeado de “rádio”.  O rádio é um elemento que produz intensas emissões, capazes de atravessar as camadas de chumbo. Tal capacidade não pertence aos raios X. Marie Sklodowska e Pierre Curie

Conteúdo Programático UNIDADE 3: Decaimento radioativo. Descoberta da radioatividade artificial. Fissão nuclear e fusão nuclear. Geração de energia. 5. PROCESSOS SEMILEPTONICOS 5.1 Desintegrações betas 5.2 Captura de elétrons 6. DESINTEGRAÇÃO GAMA 7. REAÇÕES NUCLEARES E SEÇÃO DE CHOQUE 9. MODELO DE NUCLEO COMPOSTO 10. FISSÃO NUCLEAR 10.1 Reação em cadeia 10.2 Energia termonuclear 10.3 A bomba atômica 11. FUSÃO 1º - Partículas alfa   Posteriormente se verificou que a partícula alfa é um conjunto de dois prótons e dois nêutrons, isto é, é o núcleo do átomo de hélio. Possui carga elétrica igual a , e massa de 4,002764 unidades de massa atômica, isto é, praticamente 4 vezes a massa do átomo de hidrogênio. A velocidade, e portanto, a energia cinética com que são emitidas, depende da substância radioativa que as emite. Penetram nos corpos muito menos que as partículas beta e os raios gama, porque são muito pesadas e tem carga elétrica maior que as outras radiações. Em geral, uma ou duas folhas de papel de escrever são suficientes para barrá-las. Elas são emitidas pelo núcleo das substâncias radioativas. Quando um átomo emite uma partícula alfa, seu núcleo fica desfalcado de 2 prótons e 2 neutrons; então, seu número de massa diminui de 4 unidades, a carga elétrica do núcleo diminui de , e seu número atômico diminui de duas unidades. Exemplo: o urânio tem número de massa , e número atômico ; seu átomo emite uma partícula e se transforma em átomo de um outro metal, chamado urânio , que tem e .   2º - Partículas beta   Logo se constatou que a partícula beta é elétron emitido por substâncias radioativas. São elétrons emitidos com grande velocidade, em geral próxima da velocidade da luz. Como têm menor massa, menor carga elétrica e maior velocidade que as partículas alfa, são mais penetrantes que estas. As de maior velocidade atravessam 1mm de alumínio. Por terem massa menor que as partículas alfa, são mais desviadas que estas, quando colocadas em um campo elétrico ou magnético, como indica a figura 364. Quando um átomo emite uma partícula beta, seu número de massa não diminui, sua massa diminui pouquíssimo, e seu número atômico aumenta de uma unidade. Exemplo: o átomo de urânio tem e ; emite uma partícula beta e se transforma em átomo de um outro metal, chamado urânio , que tem e . 3º - Raio gama   Os raios gama não são desviados por campos elétricos nem magnéticos, porque são ondas eletromagnéticas. Já vimos, em Eletricidade - Classificação das Ondas Eletromagnéticas , que são os raios gama as ondas eletromagnéticas de menor comprimento de onda que conhecemos. São muito mais penetrantes que as partículas alfa e beta; podem atravessar vários metros de ar, ou vários centímetros de chumbo. Quando um átomo emite raio gama, não há variação em seu número de massa, nem em seu número atômico, porque não sai dele nenhuma partícula. Fusão na natureza - As estrelas produzem sua própria energia pela fusão nuclear de átomos leves. A fusão do hidrogênio, por exemplo, mantém o Sol brilhante fornecendo energia por bilhões de anos.

Conteúdo Programático   UNIDADE 4: Interação da radiação com a matéria e com o corpo humano. 1. INTERAÇÃO DE RADIAÇÃO FOTÓNICA COM A MATERIA 1.1 Efeitos fotoelétrico 1.2 Efeito Compton 1.3 Produção de pares 2. INTERAÇÂO DE PARTICULAS RAPIDAS CARGADAS COM A MATERIA 2.1 Partículas cargadas pesadas 2.2 Elétrons e pósitrons 3. INTERAÇÕES DE NÊUTRONS COM A MATERIA

Conteúdo Programático   UNIDADE 4: Interação da radiação com a matéria e com o corpo humano. 4. DETETORES 5. DOSIMETRIA 6. FONTES DE RADIAÇÃO 6.1 Aceleradores de partículas 6.2 Fontes de íons para aceleradores 6.3 Outros tipos de aceleradores 7. SEGURANCA DAS RADIACOES E LIMITES DE DOSE 7.1 Efeitos da radiação 7.3 Definições de quantidades 7.4 Fontes naturais e artificiais de radiação 7.5 Segurança das radiações 7.6 Isótopos radiativos no corpo humano

Programação SEMANA 1 (21/05) - Unidade 1. SEMANA 5(18/06) – Final. Avaliação Presencial.