Cap. 42 Física Nuclear.

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1 Cap. 42 Física Nuclear

2 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

3 42.2 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. J.J. Thomsom E. Rutherford

4 42.2 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.

5 42.2 A descoberta do núcleo Resultado: Átomo: espaço vazio!!!
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!!!

6 Exemplo Um núcleo de ouro tem um raio de 6,23 fm e uma partícula alfa tem um raio de 1,80 fm. Que energia cinética deve ter uma partícula alfa incidente para “encostar” na superfície do núcleo de ouro? K = 28,3 MeV

7 42.3 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 42.3 Propriedades dos núcleos
Carta de nuclídeos: Verde: estáveis Amarelos: radioativos Átomos leves: próximos à curva Z = N. Átomos pesados: excesso de nêutrons.

9 42.3 Propriedades dos núcleos
Carta de nuclídeos: ISÓBARO ISÓTONO ISÓTOPO

10 42.3 Propriedades dos núcleos
Raio do núcleo: 1 femtometro = 10-15m = 1 fm = 1 fermi Determinado por espalhamento de elétrons de alta energia. Núcleo não tem superfície bem definida, porém define-se um raio efetivo: r0 ~ 1,2 fm Volume do núcleo é proporcional a A!!! Fórmula não é válida para halonuclídeos.

11 42.3 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: 197Au: (A = 197, mAu = 196,966 u)

12 42.3 Propriedades dos núcleos
Energia de ligação do núcleo: massa do núcleo < massa dos seus componentes isolados: Formação do núcleo: liberação de energia!!! (E = mc2) 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 DEel Mnúcleo liberação de energia 

13 42.3 Propriedades dos núcleos
Energia de ligação por núcleon DEel Mnúcleo liberação de energia  FUSÃO FISSÃO

14 Exemplo (42.14) Uma moeda pequena tem uma massa de 3,0 g. Calcule a energia que seria necessária para separar todos os nêutrons e prótons da moeda. Para facilitar, suponha que a moeda é feita inteiramente de átomos de 63Cu (m = 62,930 u). As massas do próton e do nêutron são, respectivamente, 1,0078 u e 1,0087 u.

15 42.3 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)

16 42.3 Propriedades dos núcleos

17 42.3 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) Similar à força de van der Waals, que é efeito secundário da força EM

18 42.4 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:

19 42.4 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 = 3,7x1010 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.

20 Exemplo (42.25) Considere uma amostra inicialmente pura de 3,4 g de 67Ga, 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?

21 42.5 Decaimento Alfa Núcleo se transforma em outro emitindo partícula alfa. a → núcleo de hélio Ex.: 238U → 234Th + a (Q = -4,25 MeV) Reação espontânea (lembre-se de Deln), porém a meia vida de 238U é 4,5x109 anos. Por quê?

22 42.6 Decaimento Beta Núcleo se transforma em outro emitindo elétron (e–) ou pósitron (e+). Decaimento b–: elétron Ex.: Decaimento b+: pósitron u: neutrino Massa nula ou muito pequena; Carga neutra; Interage fracamente com a matéria.

23 42.7 Datação radioativa Se soubermos o tempo de meia vida de um dado nuclídeo radioativo, podemos usar o processo de decaimento como relógio Ex.: 14C (T1/2 = 5730 anos) 1 14C para cada C Fração em equilíbrio enquanto o ser estiver vivo.

24 Exemplo (42.60) Em uma amostra de 5,00 g de carvão vegetal, proveniente dos restos de uma antiga fogueira, o 14C tem uma atividade de 63,0 desintegrações/min. Em uma árvore viva, o 14C tem uma atividade de 15,3 desintegrações/g . min. O 14C possui meia vida de 5730 anos. Qual é a idade da amostra?

25 42.8 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 Radiação RBE raios-X 1 raios-g elétrons nêutrons lentos 5 partícula a 10 RBE: relative biological effectiveness