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Marcelo G. Munhoz Setembro, 2006
Reações Nucleares Marcelo G. Munhoz Setembro, 2006
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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;
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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.
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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”.
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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-
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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
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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.
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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;
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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.
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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)
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Rutherford (1911) 2o passo: Qual a probabilidade de uma partícula interagir com o núcleo e ser espalhada em um ângulo ?
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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).
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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 m !!!
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Unidades nucleares
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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:
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Como podemos estudar o núcleo?
Interações eletromagnéticas: Campos eletromagnéticos; Elétrons; Observação do comportamento natural e dinâmico do núcleo; Reações nucleares;
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Reações Nucleares Conceitos básicos para o estudo de reações nucleares: Seção de choque Cinemática de reações Tipos de reações nucleares observadas;
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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.
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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;
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Seção de choque
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COLISÃO DISTANTE
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COLISÃO RASANTE
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COLISÃO FRONTAL
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ESPALHAMENTO ELASTICO
REAÇÕES DIRETAS ESPALHAMENTO INELASTICO “STRIPPING” TRANSFERENCIA DE NUCLEONS “PICK-UP” QUEBRA NUCLEAR (”BREAK-UP”) NUCLEO COMPOSTO FUSÃO COMPLETA FUSÃO FUSÃO INCOMPLETA FISSÃO
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antes depois A A A a A A Reações diretas (rápidas)
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antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)
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antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)
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antes depois A A A a A A Reações diretas (rapidas)
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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
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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
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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
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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...
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