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 3.1510 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 Xc 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 N0et 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 A0et 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.
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