Capítulo 7
7.1
7.2
O Núcleo Atómico
Radioactividade
Marie Curie (1867-1934) e
Pierre Curie (1859-1906)
7.1
O Núcleo Atómico
1911: Rutherford propôs a estrutura atómica com um núcleo
massivo, ou seja, com uma carga positiva concentrada no
centro do átomo
O Raio do núcleo é 10 mil vezes menor que o raio do átomo,
mas contém mais de 99,9 % da massa deste átomo
Descoberta do Neutrão
Em 1932 James Chadwick (1891-1974) físico britânico e colaborador de
Rutherford provou a existência do neutrão. Por esta descoberta, foi-lhe atribuído
o Prémio Nobel de Física (1935).
Ficou claro que essa partícula
era óptima para explorar o
interior do núcleo
1932 é o ano que marca o
início da Física Nuclear
Moderna
Neutrões
Características Gerais do Núcleo
O núcleo atómico é composto de dois tipos
de partículas chamadas nucleões que são os:
Protões
Protões - carga eléctrica positiva
Neutrões - sem carga eléctrica
A única excepção é o núcleo do H que só tem um protão
Z - número atómico Z é igual ao número de
protões do núcleo
Neutrões
N - número de neutrões do núcleo
A - número de massa é igual ao número de
nucleões: A = N + Z
Representação do núcleo
A
Z
X
X - símbolo do elemento químico
Cada espécie nuclear com um dado Z e A é chamado de nuclídeo
• Isótopos: núcleos associados ao mesmo elemento da tabela periódica
(mesmo Z)
Exemplo: Hidrogénio (Z=1), temos isótopos com N=0 (A=1), N=1 (deutério)
(A=2) e N=2 (trítio) (A=3)
Hidrogénio
Deutério
Trítio
• Isóbaros - núcleos associados a elementos diferentes da tabela periódica mas
com iguais números de massa, A
Exemplo: núcleos de berílio (Z = 4, N = 6, A=10), boro (Z = 5, N = 5, A=10) e
carbono (Z = 6, N = 4, A=10 ) são núcleos isóbaros
• Isótonos - núcleos associados a elementos diferentes da tabela periódica
mas com mesmo número de neutrões (mesmo N)
• Isômeros - núcleos num estado excitado com um tempo de decaimento longo
(estado isomérico) - núcleo não estável
A massa nuclear é expressa em unidades de massa atômica - u
1 u = =1.66054 × 10−27 kg = 931.49 MeV/c2
Corresponde a 1/12 massa de um átomo de carbono 12
Tamanho e Forma dos Núcleos
Lítio
Consideramos o núcleo como sendo aproximadamente
uma esfera de raio R
R ~r0A1/3
onde r0 ≈ 1.2 × 10−15 m
Usamos a unidade fentometro (ou fermi) 1 fm = 10−15 m
Volume do núcleo
4
4
V  R 3  r03 A
3
3
V ~ A sugere que todos os núcleos têm aproximadamente a mesma
densidade
As formas de alguns núcleos afastam-se significativamente da forma esférica e
devem ser consideradas elipsoidais ou, mesmo, com a forma de uma pêra
Estabilidade Nuclear
A carta de nuclídeos apresenta os
núcleos estáveis e radioactivos
A interacção forte é a força que mantém a
coesão dos protões e neutrões no núcleo
atómico
A linha de estabilidade representa os
nuclídeos estáveis
São mais estáveis:
• Para A ≤ 40, Z ≈ N
• Se A ≥ 40 (núcleos pesados,
N > Z , porque força nuclear
não depende do tipo de
partícula que interage, se são
protões (p) ou neutrões (n):
nn, np, ou pp.
Protões se repelem entre si para distâncias > 1 fm
Exemplos:
A distribuição de energia do núcleo tem uma estrutura de camadas similar à do
átomo
As camadas ficam completas de acordo com os números mágicos
Z ou N = 2, 8, 20 28, 50, 82, 126
Spin Nuclear e Momento Magnético
O núcleo possui um momento angular intrínseco resultante dos spins individuais
dos protões e dos neutrões
I I  1
I - número quântico chamado de spin nuclear
I - pode ser inteiro ou semi-inteiro
O Momento Angular do núcleo
Magnético Nuclear
está associado ao Momento
e
8
N 
 3.1510 eV/T
2m p
Energia de Ligação
A massa do núcleo é sempre menor do que a soma das massas dos seus
nucleões
A energia de ligação é a energia que precisa ser adicionada a um núcleo
para decompô-lo em suas componentes

B  ZM H  NM N  M
 Xc
A
Z
MH – massa atómica do hidrogénio
MN – massa atómica do neutrão
A
Z
X – massa atómica do elemento
c – a velocidade da luz no vácuo
2
7.2
Radioactividade
1896, marcou o nascimento da Física Nuclear, quando Henry Becquerel
descobriu a emissão de radiação por compostos de urânio
Marie Curie e Pierre Curie descobriram o polonium and o radium em 1898
Rutherford mostrou que a radiação era de três tipos: partículas alfa, partículas
beta e raios gama
  - positrão
  - electrão
Podemos ter também emissão de protões, neutrões
Alfa, Beta e Gama têm poderes de penetração diferentes
papel
metal
concreto
Decaimento Radioactivo
N – número de núcleos radioactivos
O número de núcleos radioactivos que decaem, por unidade de tempo (taxa de
variação de N )
dN
 N
dt

é a constante de desintegração
O sinal negativo indica que o número total de
núcleos diminui com o tempo
Lei do decaimento radioactivo
N  N0et
N - número de núcleos radioactivos remanescentes
após um tempo t
No - número de núcleos radioactivos na amostra num
tempo t = 0
Actividade (ou taxa de decaimento)
A  A0et
onde
A  N
e
e
A0  N0
1 curie = 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações/s
Unidades da actividade radioactiva
1 becquerel = 1 Bq = 1 desintegração/s
Meia-vida
É o tempo necessário para que N ou A
se desintegre a metade dos seus
valores iniciais
T1 / 2 
ln 2


0.693

N0
Datação com carbono - 14
• O 14C radioactivo é produzido na atmosfera da terra
pelo bombardeamento de 14N por neutrões produzidos
pelos raios cósmicos
• Quando organismos morrem, a absorção de 14C,
na forma de CO2, por plantas e animais, cessa, e a
razão 14C / 12C (= R) diminui com o decaimento do
14C
• A taxa de 14C / 12C para organismos vivos é da
ordem de 1012 - a mesma proporção encontrada na
atmosfera
• A meia-vida do 14C é de 5730 anos
• Como taxa de 14C / 12C diminui depois que o
organismo morre, compara-se esta taxa com a do
organismo vivo e sabendo-se a meia-vida, pode-se
determinar a idade do material.