Conceitos Básicos da Física Nuclear

Apresentação em tema: "Conceitos Básicos da Física Nuclear"— Transcrição da apresentação:

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

2 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. CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

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

5 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

7 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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: CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

8 Conceitos Básicos da Física Nuclear
Energia de Ligação CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

9 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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10 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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. CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

11 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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. CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

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14 Conceitos Básicos da Física Nuclear
Energia Produzida CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

15 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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: CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

16 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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 CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

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

19 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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). CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

21 Materiais Radioativos
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. CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

22 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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: CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

24 Transmutações Nucleares
Decaimento alfa Decaimento beta 14 s s d h CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

25 Decaimento Radioativo
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. CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

26 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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: CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

27 Equações de Decaimento
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28 Conceitos Básicos da Física Nuclear
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): CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

29 Conceitos Básicos da Física Nuclear
Solução: CPM 2010 Conceitos Básicos da Física Nuclear

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

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