1) conceituar radiação; 2) aplicar radiação; 3) explicar ... · partículas subatômicas...

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Radioatividade e Física Nuclear 1) Conceituar Radiação; 2) Aplicar Radiação; 3) Explicar os efeitos da Radiação; 4) Definir Átomo; 5) Descrever algumas propriedades dos 6) Átomos; 7) Definir Átomo de Hidrogênio; 8) Definir Raio-X; 9) Definir Núcleo; 10) Descrever algumas propriedades do nucleo; 11) Definir Decaimento Radioativo, Alfa e Beta.

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Page 1: 1) Conceituar Radiação; 2) Aplicar Radiação; 3) Explicar ... · partículas subatômicas (elétrons, prótons, nêutrons, etc) quando atingem alta velocidade. Por Ex. emissão

Radioatividade e Física Nuclear

1) Conceituar Radiação;

2) Aplicar Radiação;

3) Explicar os efeitos da Radiação;

4) Definir Átomo;

5) Descrever algumas propriedades dos

6) Átomos;

7) Definir Átomo de Hidrogênio;

8) Definir Raio-X;

9) Definir Núcleo;

10) Descrever algumas propriedades do

nucleo;

11) Definir Decaimento Radioativo, Alfa e Beta.

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RADIOATIVIDADE

E

FÍSICA NUCLEAR

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O começo...

1895 – Wilhelm Conrad Roengten descobre a radiação X

1896 – Antoine Henri Bequerel descobriu que

determinado material (sais de urânio) emitia radiações

espontâneas – radioatividade natural

Em 1898 o casal Curie descobre o elemento radioativo

Polônio e, em 1903, o Rádio

Em 1899 Ernest Rutherford constatou que as radiações

provenientes destes elementos eram de 3 espécies

diferentes, as quais denominou de: alfa, beta e gama.

Em 1960 surgi a ultra-sonografia que passa a ser usado

como diagnóstico.

Em 1970 Godfrey (britânico) e Comack (Africa do Sul)

desenvolveram a tomografia computadorizada (TC). Por

esse feito receberam o Prêmio Nobel (1979)

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RADIAÇÕES IONIZANTES

• Fenômeno pelo qual a energia é transportada através do

espaço em forma de raios.

• São consideradas Radiações Ionizantes aquelas que

possuem energia suficiente para atravessar a matéria e

remover elétrons, ionizando os átomos e moléculas.

• Essa radiação é normalmente dividida em dois grupos:

1- Radiação Corpuscular: é um feixe formado por

partículas subatômicas (elétrons, prótons, nêutrons, etc)

quando atingem alta velocidade. Por Ex. emissão alfa ou

beta de um elemento radioativo. Possui massa e

velocidade sendo calculada por: E =1/2. m.v2.

2- Radiação Eletromagnética: consiste de pacotes de

energia transmitidos em forma de movimento ondulatório.

Por ex. Ondas de rádio, luz visível, Raios X. Não possui

massa

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• Entende-se por Radiações Eletromagnéticas a todas

radiações que possuem oscilações elétricas e magnéticas;

são ondas que viajam numa velocidade e diferem somente

no comprimento de suas ondas (λ).

• As radiações corpuscular e eletromagnética solucionam

uma série de problemas.

• A refração: quando uma onda se propaga passando de um

meio para outro, ela sofrerá uma mudança de velocidade e

direção de propagação.

• Difração: é a propriedade que a onda possui de contornar o

obstáculo e se propagar. Quanto maior o comprimento da

onda, mais fácil será sua difração, já que em alguns casos

de ondas muito pequenas, elas provavelmente não

conseguirão se difratar.

• Polarização: a polarização de uma onda eletromagnética é

o plano no qual se encontra a componente ELÉTRICA

desta onda.

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• Aplicações: 1ª- Pesquisa: laboratórios de pesquisa,

aceleradores de partículas e de reatores nucleares são

utilizados para descobrir novas partículas, conhecer

melhor a estrutura de compostos químicos, o metabolismo

de certos alimentos e na produção de fontes de radiações

ionizantes.

2ª- Medicina: Isótopos(átomos que possuem a mesma

quantidade de prótons, mas não a mesma de neutrons)

radioativos são utilizados no tratamento de doenças e em

pesquisa médica e biológicas. São utilizados na pesquisa

de metabolismo de certos alimentos, no diagnóstico e

tratamento de doenças. Ex. os raios-x identificam,

localizam e combatem doenças.

3ª- Indústria: detecção de impurezas, desgastes, pesquisa

de corrosão e difusão de metais. Emprego dos raios-x

industrial na verificação de falhas em estrutura metálicas e

identificação de soldas defeituosas.

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• Radioatividade: propriedade que os núcleos atômicos possuem de

emitir partículas e radiações eletromagnéticas para se transformarem

em outros núcleos. Este fenômeno espontâneo é denominado de

desintegração radioativa ou reação de decaimento.

• O processo radioativo é uma alteração de caráter subatômico

processando-se no interior do átomo (menor partícula que ainda

caracteriza um elemento químico), em seus núcleos instáveis (

elementos de número atômico >82 -chumbo), desintegrando-se e

transformando-se em elementos radioativos (filhos) emitindo radiações

penetrante. Esses filhos podem ter o mesmo processo até seus núcleos

ficarem estáveis (elementos de número atômico <82, menos os

isótopos radioativos – Ru-RUTÊNIO,Sn-ESTANHO, Lu-LUTÉCIO etc.).

• A radiação corpuscular é constituída de partículas eletrizadas positivas:

raios Alfa e Beta mais e negativas: Beta menos. Essas radiações não

ocorrem simultaneamente num mesmo elemento, porém as radiações

Gama vem sempre acompanhadas de uma radiação Alfa ou Beta. Os

raios Beta menos, são originados quando um núcleo aumenta seu peso

atômico em uma unidade, porém seu número de massa não se altera,

admitindo-se que um nêutron se transforma num próton. Os prótons e

os nêutrons são chamados “núcleons”. Cada nuclídeo é constituído do

símbolo do elemento, no. atômico e do no. de massa

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• RAIOS-X: É a radiação decorrente de choque de elétrons em alta

velocidade com qualquer tipo de matéria. São ondas eletromagnéticas,

como os raios Gama, diferem quanto à origem: Gama, origina-se de

dentro do núcleo atômico e o Raio-X, de fora. Características iguais.

• Características do Raios-X: propagação retilínea – dentro de 20Kev a

400Kev, não podem se acelerados ou desviados por campos

magnéticos ou eletrostáticos; movimentam-se em linhas retas no vácuo;

no ar de pouca densidade, uma pequena porção do pacote interagem

com as moléculas do ar; atravessam um corpo tanto melhor quanto for

sua energia; ionizam gases; exercem efeitos biológicos; saem em linha

reta da pista focal do ânodo(pólo negativo de uma fonte eletrolítica) para

todas as direções, etc.

• RAIOS GAMA: em muitos casos, após a emissão da partícula pelo

núcleo, o processo radioativo se completa, mas, em outros casos, o

núcleo filho permanece energizado, podendo emitir o excesso de

energia em forma de fótons chamados “Raios Gama, que são de

natureza eletromagnética, como os raios-X. Os raios Gama por serem

mais penetrante do que os raios Alfa e Beta, são menos ionizantes. A

capacidade de ionização é inversamente proporcional a penetração.

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• RAIOS ALFA E BETA: surgem da desintegração radioativa do núcleo

do átomo

• Partículas Alfa são de carga positiva e de massa muito maior quanto a

dos elétrons. São núcleos atômico de Hélio, constituídos por 2 prótons

e 2 nêutrons. A distância percorrida por uma partícula Alfa até parar é

denominada de ALCANCE. Essas partículas são produzidas

principalmente nos decaimentos de elementos pesados como o Urânio,

Rádio, etc. Usualmente são acompanhadas por radiação Beta e Gama.

• Partícula Beta ocorre nos núcleos que têm excesso, ou falha, de

nêutrons para ter estabilidade. Na desintegração Beta, o número de

massa não se altera, enquanto o número atômico ou aumenta ou

diminui de uma unidade, (β+) ou (β-) respectivamente.

β+: O núcleo apresenta um excesso de prótons em relação ao número de

nêutrons podendo alcançar estabilidade pela conversão de um próton

em um nêutron e uma partícula beta positiva.

β-: Núcleos que possuem um excesso de nêutrons podem alcançar a

estabilidade pela conversão de um nêutron em um próton e uma

partícula beta negativa

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• BIOIMAGEM: apresenta um setor constituído por vários serviços de

diagnóstico. Existem diversas formas e aparelhos na obtenção de

imagens de partes do corpo, órgãos e sistemas do paciente que irão

ajudar num diagnóstico mais preciso.

• Ultra-som e a Ressonância Magnética não emitem ou utilizam

Radiação Ionizante, contudo, os Tomógrafos Computadorizados,

mamógrafos e aparelhos de raios-X convencionais, sim.

• A Medicina Nuclear obtém as imagens utilizando radioisótopos como

fontes de radiação onde o aparelho irá captar esta radiação que foi

introduzida no organismo do paciente formando assim as imagens.

• Na tomografia computadorizada, a imagem é formada por meio do

processamento das informações obtidas pelos detectores dispostos ao

redor do paciente, que captam a radiação emitida pelo conjunto de

ampolas, após a interação com o paciente. Essa informação é

transformada em impulso elétrico e transmitida ao computador, que

processa os dados e forma a imagem. Um corte termográfico é

representado na tela do monitor por pontos bidimensionais chamados

pixels.

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• Os raios-X ao penetrarem no corpo humano, dependendo da

intensidade dos tecidos que penetram (ossos, gorduras, líquidos), são

absorvidos em maior ou menor intensidade. Além disso, o número

atômico dos elementos químicos também determina o grau de absorção

dos raios-X, sendo os de maior número atômico melhores

absorvedores. Por exemplo, os ossos diminuem intensamente os raios-

X em virtude do elemento Cálcio neles contidos.

• Tomografia Computadorizada (TC) com técnica Helicoidal ou Espiral: é

uma revolução do exame tomográfico em que o tubo de raios-X

desenvolve movimento em espiral ao redor do paciente, e a emissão

dos raios-X e o movimento da mesa ocorrem ao mesmo tempo. Esse

exame (pode ser usado em um episódio de apnéia ou mais)

proporcionou uma grande melhora na qualidade de imagens e no

rendimento diagnóstico. Essas imagens podem ser reconstruídas em

diferentes planos ou em uma única imagem tridimensional.

• Efeitos da Radiação: estamos expostas à radiação de fontes naturais

em decorrência de gases radioativos (radônio) presentes na atmosfera.

A dose média de radiação natural é de 2,4 mSv por ano (milésimos de

Siervet, unidade que mede os efeitos biológicos da radiação). Para

comparar, em torno de Fukushima-1, o governo informou que o nível de

radiação alcançou 0,6 mSv por hora.

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Radiação

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Com a utilização de

um campo magnético,

foram identificados

três tipos de radiação

emitida por elementos

radioativos: a partícula

, a partícula e a

radiação .

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Partícula alfaÉ constituída por 2 prótons e 2 nêutrons (núcleo de hélio).

Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico fica reduzido de duas unidades, e seu número de massa, de quatro unidades.

O urânio-238 é um emissor alfa. Com a emissão de uma partícula alfa, o urânio-238 transforma-se no elemento tório-234.

Normalmente provocam ionização no meio com o qual interagem e apresentam baixo poder de penetração – uma folha de papel pode blindar.

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Partícula beta

Pode ser um elétron ou um pósitron (partículaelementar que possui a mesma massa do elétron,mas carga elétrica positiva).

No decaimento beta negativo, o número atômicoaumenta de uma unidade e no decaimento betapositivo, o número atômico diminui de umaunidade – em ambos os casos o número de massanão é alterado.

Produz menos ionização que a partícula alfa, logo,apresenta o poder de penetração muito maior.

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Raios gama

Os raios gama são ondas eletromagnéticas.

Quando um núcleo emite uma radiaçãogama, o número atômico e o número demassa não sofrem alteração

Não possuem massa e são extremamenteenergéticos.

Tem alto poder de ionização e são muitopenetrantes.

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Raios XEm 1895, Wilhelm Conrad Roengten, usando umtubo com vácuo, um filamento incandescente ealta voltagem, acelerou os elétrons emitidos dofilamento.

Ao atingir a tela do tubo, grande parte da energiadesses elétrons era transformada em energiatérmica, mas uma parte se transformava emenergia radiante.

A radiação emitida, muito mais penetrante do quea luz, não era percebida pelo olho humano, maspodia sensibilizar uma chapa fotográfica.

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Primeira radiografia, da mão

da esposa de Roentgen, com

seu anel de casamento.

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Radiações x saúde

Partículas alfa – em relação ao tecido humano,

sua penetração é de décimos de centímetros, não

constituindo riscos para a saúde. Mas a ingestão

ou a inalação de partículas alfa podem acarretar

sérios problemas à saúde.

Partículas beta – em relação ao tecido humano,

os efeitos se limitam à pele. À semelhança das

partículas alfa, quando ingeridas, as partículas beta

são extremamente perigosas.

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Raios X – Permite importantesdiagnósticos médicos.

A exposição excessiva aos raios X édanosa aos tecidos humanos. Podeprovocar lesões, manchas de pele e atécâncer.

Raios gama – São muito utilizados nocombate ao câncer, pois podem destruircélulas com má formação.

A interação dos raios gama com os tecidoshumanos pode provocar mutaçõescelulares.

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Capacidade de penetração

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• O átomo é formado por um núcleo de carga elétrica positiva, entorno

das quais se movimentam partículas de massa muito pequenas e

negativamente eletrizadas: os elétrons. No núcleo há dois tipos de

partículas: prótons, que são eletricamente positivos, e nêutrons, que

não tem carga elétrica. Há tantos elétrons quantos são os prótons.

• Modelo de Dalton

• Em 1803, John Dalton acreditava que a matéria seria constituída por

átomos indivisíveis e espaços vazios. Ele imaginou o átomo como

uma pequena esfera, com massa definida e propriedades

características. Dessa forma, todas as transformações químicas

podiam ser explicadas pelo arranjo de átomos. Toda matéria é

constituída por átomos. Esses são as menores partículas que a

constituem; são indivisíveis e indestrutíveis, e não podem ser

transformados em outros, nem mesmo durante os fenômenos

químicos. Os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos

em massa e se comportam igualmente em transformações químicas.

As transformações químicas ocorrem por separação e união de

átomos. Isto é, os átomos de uma substância que estão combinados

de um certo modo, separam-se, unindo-se novamente de uma outra

maneira.

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• O modelo atômico de Thomson

• O modelo atômico do "pudim de passas" de Thomson

• O britânico Joseph John Thonmson descobriu os elétrons em 1897 por

meio de experimentos envolvendo raios catódicos em tubos de crookes

(tubo em forma de ampola que contém apenas vácuo e um dispositivo

elétrico que faz os elétrons de qualquer material condutor saltar e formar

feixes, que são os próprios raios catódicos). Ele, ao estudar os raios

catódicos, descobriu que estes são afetados por campos elétrico e

magnético, e deduziu que a deflexão dos raios catódicos por estes

campos são desvios de trajetória de partículas muito pequenas de carga

negativa, os elétrons.

• Thomson propos que o átomo era, portanto, divisível, em partículas

carregadas positiva e negativamente, contrariando as idéias anteriores.

O átomo consistiria de vários elétrons incrustados e embebidos em uma

grande partícula positiva, como passas em um pudim. O modelo atômico

do "pudim com passas" permaneceu em voga até a descoberta do

núcleo atômico por Ernest Rtherford.

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• O modelo atômico de Rutherford

• Em 1911, realizando experiências de bombardeio de lâminas de ouro

com partículas alfa (partículas de carga positiva, liberadas por

elementos radioativos), Rutherford chegou às seguintes conclusões:

• No átomo existem espaços vazios; a maioria das partículas o

atravessava sem sofrer nenhum desvio.

• No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso;

algumas partículas alfa colidiam com esse núcleo e voltavam, sem

atravessar a lâmina.

• O núcleo tem carga elétrica positiva; as partículas alfa que passavam

perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetória.

• Pelo modelo atômico de Rutherford, o átomo é constituído por um

núcleo central, dotado de cargas elétricas positivas (prótons),

envolvido por uma nuvem de cargas elétricas negativas (elétrons).

• Rutherford demonstrou, ainda, que praticamente toda a massa do

átomo fica concentrada na pequena região do núcleo.

• Niels Bohr, completou o modelo de Rutherford dizendo que: os

elétrons giravam em órbitas circulares, ao redor do núcleo. Com isso

ceiou o que hoje é chamado modelo planetário.

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FÍSICA NUCLEAR

FISSÃO E FUSÃO

Força nuclear forte – força de curtíssimo

alcance, mas que, dentro do seu raio de ação, é

muito mais intensa que a gravitacional e a

eletromagnética.

Quando um nêutron atinge o átomo, a ligação se

rompe, o núcleo se divide em dois, libera radiação

e calor.

Nas reações que envolvem núcleos, as

transformações de massa em energia e vice-versa

estão sempre presentes.

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Fissão nuclear

A fissão nuclear é uma reação em que um

núcleo, geralmente pesado, se fragmenta

depois de ser atingido por um nêutron,

liberando grande quantidade de energia.

Na fissão novos nêutrons são liberados e

vão provocar a fissão de outros núcleos; e

assim sucessivamente, estabelecendo uma

reação em cadeia.

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A fissão nuclear libera grande quantidade

de energia. Se for descontrolada, a reação

será explosiva; é o que acontece nas bombas

atômicas.

Num reator nuclear, a reação em cadeia é

controlada com o uso de barras de

substâncias moderadoras, como, por

exemplo, a grafite.

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Reator nuclear

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Lixo atômico

Depois da fissão nuclear na usina, o que resta são

átomos radioativos de plutônio, iodo, césio e

dezenas de outros elementos.

O plutônio emite radiação alfa que, quando

absorvida pelos ossos humanos, causa câncer em

poucos dias

O plutônio precisa ser armazenado em câmaras de

concreto e chumbo até que pare de oferecer tanto

risco – cerca de 24 000 anos!

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Fusão nuclear

A fusão nuclear é uma reação em cadeia em que núcleos leves se fundem para formar núcleos mais pesados, ocorrendo grande liberação de energia.

A energia liberada pelas estrelas provém de reações de fusões nucleares.

No Sol, o hidrogênio se transforma em hélio com liberação de energia.

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A massa de hélio formada é

menor do que a do

hidrogênio envolvida. A

diferença de massa é

transformada em energia.

A fusão é cerca de 8 vezes

mais energética que a

fissão.

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Devido à repulsão eletrostática entre os núcleos de hidrogênio, são necessárias temperaturas da ordem de milhões de kelvins para a aproximação dos núcleos.

Este valor corresponde à temperatura no núcleo das estrelas, onde a matéria é uma “gás” de íons positivos e elétrons, chamado de plasma.

A temperatura é tão alta que não existe material que possa constituir um recipiente capaz de suportar uma reação envolvendo plasma.

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– são

reatores que

conseguem suportar

essas temperaturas

mantendo um delgado

filete de plasma, longe

das paredes, durante

um curto intervalo de

tempo e usando a

técnica do

confinamento

magnético.

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Energia nuclear e o aquecimento global

Das fontes mais utilizadas de energia,

apenas três não contribuem com a emissão

de gases que causam o efeito estufa:

Nuclear

Eólica

Solar

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Energia eólica: como o vento não pode ser

represado, é uma energia imprevisível,

vulnerável a oscilações climáticas;

Energia solar: necessita de grandes

extensões para a produção de pouca energia,

e só faz sentido em locais com forte

incidência de luz solar;

Energia nuclear: Com controle rígido dos

reatores, a energia atômica e ecológica já é

uma realidade

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ENERGIA NUCLEAR NO MUNDO(percentual)

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Referências

• CARRON e GUIMARÃES, As Faces da Física. Volume

único. 2 ed. São Paulo: Moderna, 2002.

• GASPAR, Alberto. Física. Volume único. São Paulo:

Ática, 2005.

• Superinteressante. Ed. Abril. Edição 241, julho/2007.

• http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/moderna

• www.dositech.com.br/nuclear/oqe.htm

• www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php...

• astro.if.ufrgs.br/estrelas/node12.htm