Marcelo G. Munhoz Setembro, 2006 Reações Nucleares Marcelo G. Munhoz Setembro, 2006

Um pouco da história da Física Nuclear Como o núcleo atômico foi descoberto? Virada do século XIX para o século XX: Mecânica; Termodinâmica; Eletromagnetismo. Disputa entre atomistas e energeticistas;

Radioatividade Através de trabalhos de vários físicos, como Röentgen, Becquerel, os Curies, etc. sabia-se que certos materiais podiam emitir partículas como elétrons (radiação β) e partículas-; Não demorou muito para os físicos perceberem que uma maneira muito útil de estudar a estrutura atômica da matéria era através do “bombardeamento” dessas radiações em diversos materiais.

1904 - O Modelo Atômico de Thomson Philosophical Magazine, 7 (1904), 237 A partir da descoberta dos elétrons (carga negativa corresponde a corpúsculos), Thomson propõe um modelo atômico, chamado de “pudim de passas”.

Como testar o modelo de Thomson? Através do “bombardeamento” do átomo com diferentes partículas; No caso do modelo de Thomson, se espera que as deflexões sejam pequenas: massa do elétron << massa da partícula-

Dados observados Geiger e Marsden (1909) observam o resultado do bombardeamento de elétrons e partículas- em finas folhas de certos materiais; Para a surpresa de todos, eles observam partículas espalhando em ângulos bastante traseiros

1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico Rutherford demonstra quantitativamente que os resultados de Geiger e Marsden seriam obtidos a partir de novas hipóteses para o modelo atômico. A partir dessas novas hipóteses, ele calcula quantas partículas- deveriam ser vistas em função do ângulo de espalhamento.

1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico As hipóteses para o modelo atômico e a sua interação são: O átomo contém um núcleo de carga +Ze e Z életrons orbitando a sua volta; O núcleo alvo não sofre recuo; A mecânica clássica é válida; O núcleo e a partícula incidente são pontos; Somente a força Coulombiana agindo; Nenhuma mudança ocorre no estado do alvo ou da partícula incidente;

Rutherford (1911) Objetivo: calcular o número de partículas espalhadas em função do ângulo. 1o passo: o ângulo de espalhamento da partícula incidente depende da proximidade da colisão. Portanto, é preciso calcular o ângulo de espalhamento em função da proximidade, ou parâmetro de impacto, da colisão.

Mecânica Clássica (H. Goldstein, capítulo 3) Força central que varia com o inverso da distância: órbita hiperbólica, onde O é o centro e S é o foco (localização da força central)

Rutherford (1911) 2o passo: Qual a probabilidade de uma partícula interagir com o núcleo e ser espalhada em um ângulo ?

Dados observados Geiger e Marsden, em nova e mais precisa medida (1911), observaram que: A distribuição angular variava com 1/sen4(/2), para 5o< <150o; A intensidade de partículas espalhadas era proporcional a espessura da folha; A intensidade de partículas espalhadas era proporcional a ao quadrado do peso atômico (medido para Al, Cu, Ag, Sn e Au).

Dimensões nucleares A partir deste trabalho, Rutherford foi capaz de estimar o raio do núcleo, a partir da distância de maior aproximação: Ele obteve valores da ordem de 10-15 m !!!

Unidades nucleares

Este é o fim da história? O modelo de Rutherford é apenas uma aproximação; O núcleo como um sistema quântico: Em experiências com Al, Rutherford já observa que seu modelo não é mais válido:

Como podemos estudar o núcleo? Interações eletromagnéticas: Campos eletromagnéticos; Elétrons; Observação do comportamento natural e dinâmico do núcleo; Reações nucleares;

Reações Nucleares Conceitos básicos para o estudo de reações nucleares: Seção de choque Cinemática de reações Tipos de reações nucleares observadas;

Seção de choque A seção de choque ( ) é tal que: N = Número de partículas espalhadas ; I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área; ou seja, ela fornece o número de partículas espalhadas na interação.

Seção de choque A seção de choque diferencial (d/d) fornece o número de partículas espalhadas em um dado elemento de ângulo sólido d , ou seja: I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área;

Seção de choque

COLISÃO DISTANTE

COLISÃO RASANTE

COLISÃO FRONTAL

ESPALHAMENTO ELASTICO REAÇÕES DIRETAS ESPALHAMENTO INELASTICO “STRIPPING” TRANSFERENCIA DE NUCLEONS “PICK-UP” QUEBRA NUCLEAR (”BREAK-UP”) NUCLEO COMPOSTO FUSÃO COMPLETA FUSÃO FUSÃO INCOMPLETA FISSÃO

antes depois A A A a A A Reações diretas (rápidas)

antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)

antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)

antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)

a antes depois N.C A+a A A A N.C´ A+x F1 N.C A+a Fusão completa N.C A+a A Fusão Incompleta A A N.C´ A+x a F1 N.C A+a Processos estatísticos (lentos) via Núcleo Composto (N.C.) Fissão F2

a antes depois N.C A+a A A A N.C´ A+x F1 N.C A+a Fusão completa N.C A+a A Fusão Incompleta A A N.C´ A+x a F1 N.C A+a Processos estatísticos (lentos) Fissão F2

a antes depois N.C A+a A A A N.C´ A+x F1 N.C A+a Fusão completa N.C A+a A Fusão Incompleta A A N.C´ A+x a Fissão F1 N.C A+a Processos estatísticos (lentos) F2

Sumário O estudo de reações nucleares é a melhor maneira se investigar e compreender o núcleo atômico e seus constituintes; O entendimento de como ocorrem as reações nucleares pode elucidar muitos fenômenos que ocorrem na natureza, como aqueles ligados a astrofísica; Ainda existem muitos problemas para serem resolvidos...