Parceria entre professor e centro de ciências...

Encontros II “Parte B”Tema 5

Pedro Donizete Colombo Juniorpedro.colombo@usp.br

Profa. Dra. Cibelle Celestino Silvacibelle@ifsc.usp.br

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Observatório Dietrich Schiel

http://blogs.edf.org/climate411/wp-content/files/2007/07/ElectromagneticSpectrum.png

Vamos trabalhar em nível de núcleo do átomo.

Trabalhar em nível de núcleo - energia extremamente grande (E = mc2);Multiplica-se a m radioativa por c2 e tem-se a grandeza proporcional de energia liberada ao se mexer em

núcleos instáveis de elementos radioativos.

Modelo atômico de Schrödinger: não é possível determinar a trajetória do

elétron em torno do núcleo, mas, a uma dada energia do sistema, obtém-se a região mais provável de encontrá-lo.

http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/nuclear/introducao.html

Caminhos...

Ao explodir um bomba de TNT... (nitrocomposto trinitrotolueno, seu nome químico é 2-metil-1,3,5-trinitrobenzeno).

A composição de quarks do Lítio-7

Se olharmos com mais detalhe, notaremos que os prótons e os nêutrons (nucleons) são feitos

de quarks interagindo via a troca de glúons.

http://www.profpc.com.br/evolu%C3%A7%C3%A3o_at%C3%B4mica.htm

Propriedades do núcleo

O mais abundante do Hélio é o 4He. O núcleo de 4He também é conhecido como partícula α.

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/fissao-e-fusao-nuclear/caracteristicas-gerais-do-nucleo.php

ISÓTOPOS: núcleo associado ao mesmo elemento da tabela periódica (mesmo Z).

Propriedades do núcleoTamanhos e forma dos núcleos

A partir do espalhamento de algumas partículas, Rutherford estimou o raio nuclear, considerando que este é

aproximadamente igual à distância mais próxima ao núcleo, atingida pela partícula α.

O raio nuclear pode ser dado aproximadamente por:

Volume nuclear, considerando forma esférica:

Propriedades do núcleo

Adaptado de: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucuni.html#c2

Átomo de Ouro

Sistema Solar

Terra

Plutão

Elétron mais extremo

Planeta mais extremo

O núcleo atômico é pelo menos 10 mil vezes menor do que a “nuvem” de elétrons que o circunda.

No interior do núcleo, os núcleons exercem uma força atrativa - interação nuclear forte ou hadrônica.

É mais intensa do que a força eletrostática de repulsão entre os prótons (100 milhões de vezes)

Propriedades do núcleo

Isto ocorre devido à instabilidade nuclear

O estudo experimental da radioatividade revelou que os núcleos instáveis emitem três tipos de “radiação” designadas por: alfa (α), beta (β) e gama (γ).

α e β são radiações sob a forma de partículas (como um feixe de elétrons), já γ é uma radiação eletromagnética (como a luz, micro-ondas, ondas de rádio, raios X ...).

RadioatividadeÉ a propriedade apresentada por alguns elementos químicos de emitir partículas

e ondas, transformando-se espontaneamente em outros elementos mais leves.

Radiação

www.cnen.gov.br

Não ionizantes: possuem relativamente baixa energia, como exemplos, temos as ondas eletromagnéticas, calor e ondas de rádio.

Ionizantes: altos níveis de energia, são originadas do núcleo de átomos, podem alterar o estado físico de um átomo e causar a perda de elétrons, tornando-os eletricamente carregados.

http://revistaescola.abril.com.br/ensino-medio/revele-classe-segredos-provadores-roupa-432160.shtml

Radioatividade A maior parte dos elementos, até Z = 81, têm núcleos estáveis, isto é, o n° de P e N

do núcleo é constante;

Os núcleos mais estáveis são aqueles em que N = Z.

Os elementos naturais de Z > 84 – desde o polônio 84Po210 até o urânio 92U238 - têm núcleos instáveis

Alguns poucos elementos de número atômico pequeno também são instáveis, por exemplo os isótopos 6C14 do carbono.

Os núcleos instáveis originam a radioatividade natural.

Nada afeta a radioatividade naturalElevadas pressões, campos elétricos e magnéticos ou reações químicas com as substâncias

radioativas, iluminação intensa ou diminuta, baixas e altas temperaturas... A radioatividade natural procede de modo invariável

RadioatividadeHistoricamente vários cientistas contribuíram para o conhecimento que temos da

radioatividade (Wilhem Roentgen,1895; Henri Becquerel, 1896; Marie e Pierre Curie, 1897; Ernest Rutherford e Frederick Soddy, 1902, entre outros).

Estudava a luminescência de cristais e, em particular, interessava-se pela possível relação entre a fosforescência de certos sais, depois de irradiados pela luz solar, e a fluorescência do vidro de um tubo de raios X em funcionamento (descobertos no ano anterior, 1895)*.

1896 – Henri Becquerel

Registro obtido por Becquerel em chapa fotográfica de radiações emitidas naturalmente

* A luminescência consiste na emissão de luz não provocada pela variação da temperatura do corpo que a emite; se ela perdurar depois de removida a fonte de excitação é chamada fosforescência e se chama fluorescência quando desaparecer imediatamente com a remoção da fonte de excitação.

Radioatividade

A história da radioatividade desmente a alegação de que a radioatividade foi descoberta por acaso:

Alguns livros...

(...Becquerel fechou uma gaveta, durante os dias nublados [...] a chapa fotográfica com o cristal de urânio não irradiado ao Sol [...] tendo uma

surpresa ao verificar a impressão da chapa...)

Para aprofundamento sugiro a leitura do texto ”A Descoberta da Radioatividade”. Disponível em: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/m_s02.html, e baseado no artigo de Roberto de Andrade Martins: “Como Becquerel não descobriu a radioatividade”, Caderno Catarinense de Ensino de Física, 7,

1990.

Radioatividade

1897 – casal Curie (Marie e Pierre)

Durante o seu doutoramento sobre os RAIOS DE BECQUEREL, Marie a descobriu os elementos Polônio (Po) em homenagem ao país natal de Marie e o Radio (Ra) por ser altamente radioativo;

Foram os primeiros a utilizar o nome radioatividade;

Marie foi a primeira pessoa a receber dois prêmios Nobel e a única mulher a receber estes prêmios (Física em 1903 e Química 1911).

1902 - Rutherford e Soddy

A radioatividade era espontânea enquanto os raios X só ocorria quando o material fosse bombardeado por um feixe de raios catódicos (elétrons);

Rutherford constatou a existência de dois tipos de radiação:

Raio α positivo e mais pesado Raio β negativo e mais leve

http://ensinodematemtica.blogspot.com.br/2011/03/estrutura-atomica-da-materia.html

Historicamente verificou-se que poderiam ser analisadas três tipos distintos de radiação por um campo magnético ou um campo elétrico.

Emissão de partículas radioativas. Esta figura representa-se o método utilizado para determinar o tipo de carga elétrica dos raios α, β e γ.

http://www.educadores.diaadia.pr.gov.br/arquivos/File/tvmultimidia/imagens/4quimica/7emissaodepartradio.jpg http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

1927 – George Gamow

A explicação da radiação a só foi alcançada em 1927 com a MQ;

Gamow revelou tratar-se de um processo completamente incompreensível pela física newtoniana.

Natureza dupla das partículas atômicas e nucleares: corpúsculos e ondas. - fenômeno que tem o nome de tunelamento ou penetração de barreira.

No interior do núcleo de urânio a força nuclear e a energia potencial é de ≈ 30 MeV.

No entanto é possível detectar fora do átomo de urânio partículas α com energia muito menor, de apenas 4,2 MeV.

Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o da emissão de radiações α ou partículas α.

α possui massa e carga elétrica relativamente > que as demais radiações. 

Conhecidas também como núcleos de hélio: 2α4 = 2He4

Partícula α

1ª Lei da Radioatividade, enunciada por Frederick Soddy

http://quimicasemsegredos.com/radioatividade-parte1.php

Quando um átomo radioativo emite α, então Z diminui de 2 unidades e A diminui de 4 unidades.

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABg3oAJ/estrutura-materia-radioatividade

Emissão β, consiste de um elétron (β-) ou pósitron (β+)

β - um nêutron se transforma em próton β+ um próton se transforma em nêutron

Partícula β

2ª Lei da Radioatividade, enunciada por Soddy, Fajjans e Russel

http://www.revistasusp.sibi.usp.br/scielo.php?pid=S0103-99892004000300011&script=sci_arttext

Acompanhado de uma partícula neutra de massa desprezível: (anti)neutrino o qual não tem carga elétrica e quase não tem massa.

Quando um átomo radioativo emite β, então Z aumenta de 1 unidade, e A permanece constante.

No processo de decaimento um dos nêutrons nucleares se transforma em próton e libera um elétron, emitido

antineutrino

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABg3oAJ/estrutura-materia-radioatividade

O elétron emitido nessa desintegração não é um dos elétrons orbitais, mas

provem efetivamente do núcleo atômico.

epn

É uma radiação eletromagnética como o raio X mudando o λ

raio X comprimento de onda entre 10-10 e 10-8 m raio γ comprimento de onda abaixo de 10-11m

Não é afetada por campos elétricos ou magnéticos;

Partícula γ

Na emissão γ um núcleo em um estado excitado decai para um estado de menor energia emitindo um fóton. Este fato, em geral, é observado após uma emissão α ou β.

Exemplo: o beta-emissor (Césio-137) envolvido no acidente de Goiânia. Se mesmo com a emissão, o núcleo resultante não eliminar toda a energia necessária para se estabilizar, ocorre a emissão de uma onda eletromagnética (radiação γ) a qual ajuda o núcleo se estabilizar.

http://www.greenpeace.org.br/nuclear/cesio/flash_cesio.html

http://www.ebah.com.br/content/ABAAABg3oAJ/estrutura-materia-radioatividade

α, β e γ e o poder de penetração

α é facilmente barrada por uma folha de papel alumínio, apesar de ser bastante energética.

β são mais penetrantes e menos energéticas que as partículas α, são barradas por madeira.

λ não é tão energética, mas é extremamente penetrante, podendo atravessar o corpo humano. Esta radiação é detida somente por uma parede grossa de concreto ou chumbo.

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01101/radiacoes.html#Exposição

Comparando as emissões

http://crq4.org.br/default.php?p=texto.php&c=quimicaviva_energianuclear

Desta forma, o número N sofrerá uma diminuição. A variação de N é dada por:

É impossível prever qual núcleo irá decompor-se, pois todos têm a mesma probabilidade de decair

onde λ é chamada de constante de decaimento, o valor depende do elemento radioativo

Radioatividade – meia vida

Seja N é o número de núcleos radioativos em um dado instante t. Se o decaimento em um núcleo particular é um evento aleatório, espera-se que N que decaem em um

intervalo de tempo dt seja proporcional a N e a dt.

O decaimento é um processo estatístico ou aleatório. Os fenômenos radioativos ocorrem segundo uma taxa

de decaimento exponencial.

Tipler, P. A. Física, 4ª. edição, Editora LTC, volume3, capítulo 40.

O sinal negativo indica que o número de núcleos não desintegrados ao final de dt tem de ser menor do que no início desse intervalo .

Radioatividade

Dividindo ambos os lados por N e efetuando a integração:

Tipler, P. A. Física, 4ª. edição, Editora LTC, volume3, capítulo 40.

O gráfico representa a lei exponencial do decaimento radioativo, em que o número N de átomos intactos (remanescentes e não desintegrados) em cada instante é representado no eixo das ordenadas e o tempo t no eixo das abscissas. Estão destacados os valores N0/2, N0/4 etc.

correspondentes a 1, 2, 3,... meias-vidas, indicadas no eixo t.

Lei do decaimento radioativo

Radioatividade

http://www.profpc.com.br/radioatividade.htm

Séries radioativas naturais

Série do Urânio

92U238 emissão α e β 82Pb206

Séries radioativas naturais

Série do Tório

90Th232 emissão α e β 82Pb208

Série do Actínio

92U235 emissão α e β 82Pb207

Séries radioativas naturais

http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod02/m_s04.html

Fissão nuclear...importância científica, econômicas e ética

Consiste na fragmentação de um núcleo em dois outros de natureza diferente entre si e do núcleo original, com menor massa do que ele (um com ≈ 40% da massa original e outro com ≈ 60% dela, chamados fragmentos de fissão), e também alguns nêutrons.

Otto & Fritz (1938) bombardearam urânio com nêutrons.

O aparecimento de nêutrons livres (dois por núcleo no caso presente) é explicado pelo fato de o urânio se estabilizar quando contém mais nêutrons do

que os necessários ao bário e ao criptônio; por isso, quando o urânio se desintegra “sobram” alguns nêutrons.

Os fragmentos de fissão igualmente contêm nº exagerado de nêutrons e sofrem sucessivos decaimentos β- até se tornarem núcleos estáveis

Fissão nuclear...importância científica, econômicas e ética

O urânio-235 produz nêutrons depois da fissão que irá provocar novas reações com outros átomos de urânio REAÇÃO EM CADEIA.

A energia liberada na fissão de 1g do urânio-235 equivale a queima de 6 toneladas de carvão (2,0 . 10 10 cal).

O bário só atinge a estabilidade após emitir um raio γ.

Se a massa físsionável de urânio (m de urânio que sofre fissão) for muito pequena, os nêutrons não serão capturados por outros núcleos de urânio e a reação não terá continuidade. Portanto existe uma massa crítica que é a massa mínima da substância físsionável que possibilita a ocorrência de uma reação em

cadeia.

Aplicação

Reator nuclear (bomba atômica controlada pelo

homem).

Fissão nuclear...importância científica, econômicas e ética

Bomba atômica

Fusão nuclear É o processo inverso ao da fissão.

Trata-se de reunir prótons ou núcleos atômicos leves (isto é, de nº de massa pequeno, como o hidrogênio e seus isótopos 1H2 e 1H3) para formar núcleos de maior massa, por exemplo, núcleos de 2He4.

A fusão nuclear de 1g de hidrogênio produz cerca de 9 vezes a energia liberada na fissão nuclear de 1g de urânio-235.

Ocorre no Sol.

1H1 2He4 + 2 +1 e0 (pósitrons)

Ocorrer em temperaturas muito altas (entre 10 e 100 milhões de K).

Reações nucleares

A vantagem é que se obtém uma energia limpa, não se tem lixo nuclear.

Se confina um plasma em um campo eletromagnético e atinge o plasma com um laser de alta potência. O plasma começa a aquecer e começa a ter a fusão do plasma.

Mas se gasta muita energia nos laser, não é um processo eficiente ainda.

O grande sonho é se ter a fusão a frio, ou seja, em baixas temperaturas, não em altas.

Reações nucleares

Tokamak é um reator de fusão.

Estamos trabalhando em nível de núcleo do átomo.

Explodir um bomba de TNT você trabalha em nível de eletrosfera do átomo

Fissão nuclear reações nucleares fusão nuclear

produtosreagentes mm

Energiam converte

2.cmE

Não há conservação de massa

JE

smkgE

kggm

13

283

3

10.9

/10.3.10.1

10.11

Reações nucleares

Bomba de hidrogênio (H).

Reações nucleares que ocorrem no Sol.

Aplicação

Produziu uma cratera de 2 km de diâmetro e 50 metros de profundidade. A bola de fogo atingiu 5 km de diâmetro e vaporizou 80 milhões de toneladas de rochas. A nuvem em forma de cogumelo atingiu 37 km de altura e 161 km de diâmetro no topo. As ondas de choque deram a volta ao redor da Terra e

foram registradas por um sismógrafo da universidade de Berkeley, na Califórnia.

01 nov.1952

 Oceano Pacífico

 bomba H Mike

600 x mais potente que Hiroshima.

Acidente em Goiânia (Brasil) (Setembro de 1987)

Acidentes

Usina Nuclear de Chernobyl (URSS)

(abril de 1986)

Lixo nuclearBomba atômica Nagasaki (1945)

Detecção da radiação

O mais conhecido dos instrumentos detectores de radiação é o contador Geiger (Geiger-Müller).

http://quimicasemsegredos.com/radioatividade-parte1.php

Basicamente seu funcionamento deve-se a capacidade que as radiações têm de ionizar gases.

Quando a radiação α, β e γ ionizam o gás que existente dentro de uma ampola especial do contador, esse gás se torna, momentaneamente, condutor de corrente elétrica, a qual é “convertida” em um sinal sonoro e indicação de medida em um mostrador.

Quanto mais radiação, maior será a condutividade elétrica do gás e, portanto maior o

nível de ruído ouvido e nível de radiação indicado pelo

mostrador.

Japonesas em fila para passar pelo contador Geiger, aparelho usado para medir os níveis de radiatividade em humanos, animais, vegetais, ambientes e equipamentos.

(Foto: Go Takayama/France Presse)

Acidente nuclear da usina em Fukushima, no Japão,