Estudante: _________________________________ Nº. __________
Física – 3a Série do Ensino Médio
Professor: Diego Sabka
Trabalho INDIVIDUAL de Física (1,0 pt): Responda as perguntas no link (http://goo.gl/forms/s4ZdpElXnh) com base neste texto de
apoio.
FÍSICA NUCLEAR
A eletricidade pode ser entendida como o estudo dos elétrons em um corpo. Como é possível carregar
eletricamente um corpo, como é possível conduzir uma corrente elétrica fazem parte do
escopo dessa área da Física. Ela diz respeito a eletrosfera dos átomos, enquanto que a
Física Nuclear estuda a interação dos constituintes do núcleo atômico, ou seja, os prótons
e os nêutrons.
Ao falarmos da Física Nuclear lembramos das bombas atômicas (as bombas de Hiroshima
e Nagasaki eram de fissão nuclear), mas na verdade ela nos permite entender reações que
ocorrem no núcleo das estrelas (fusão nuclear), permitindo que ela libere radiação para os
planetas ao seu redor, permitindo a existência da vida.
Vamos dividir o nosso estudo em três partes: (1) tipos de reações nucleares, (2) decaimentos radioativos e (3)
meia-vida de elementos radioativos.
(1) Tipos de Reações Nucleares
Existem dois tipos de reações nucleares: (1) fissão e (2) fusão.
A fissão é longamente a mais famosa das duas, pois foi o grande tema científico durante a 2ª guerra mundial. A
fissão ocorre quando um átomo pesado é partido (fissionado) em dois átomos mais leves (átomos filhos). Vamos
tentar entendê-la:
1. Abra a simulação: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/nuclear-fission
2. Execute a simulação na aba Fissão: um núcleo.
Responda: O que ocorre quando um nêutron é disparado contra o núcleo de Urânio-235?
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Responda: O nêutron tem um papel fundamental na fissão nuclear. Ele não poderia ser substituído por um próton
ou mesmo por um elétron. Com base nos conteúdos de eletrostática estudados anteriormente, explique porquê não
poderíamos utilizar um próton/elétron no lugar do nêutron na fissão nuclear.
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3. Execute a simulação na aba Reação em cadeia.
a. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, coloque 20 átomos de Urânio-235 e
dispare o nosso “acelerador de nêutrons”.
Anote: Faça uma descrição do ocorrido:
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b. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, coloque agora 100 átomos de Urânio-235
e dispare o nosso “acelerador de nêutrons”.
Anote: Faça uma descrição do ocorrido evidenciando as diferenças da situação do item “a”.
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Responda: Comparando as situações “a” e “b”, explique o que é a reação em cadeia em um processo de fissão
nuclear.
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c. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, coloque agora 100 átomos de Urânio-238
e 100 átomos de Urânio-235 e dispare o nosso “acelerador de nêutrons”.
Responda: Qual a diferença entre o Urânio-235 e o Urânio-238 no processo de fissão nuclear?
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4. Execute a simulação na aba Reator nuclear.
a. Dispare nêutrons e utilize o controlador durante a reação em cadeia.
Responda: Qual o papel do controlador em um reator nuclear?
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Ao contrário da fissão, a fusão ainda está em processo de estudo para melhores aplicações tecnológicas. Ela
consiste em juntar dois núcleos atômicos leves em um núcleo atômico mais pesado.
Exercício para fixação:
1. (UFRGS – 2012) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado abaixo, na ordem em que aparecem.
As reações nucleares
e
liberam energia e são, respectivamente, exemplos de reações nucleares chamadas ............ e ............. .
(A) fissão nuclear
- fusão nuclear
(B) fusão nuclear
- fissão nuclear
(C) reação em cadeia
- fusão nuclear
(D) reação em cadeia
- fissão nuclear
(E) reação em cadeia
- reação em cadeia
(2) Decaimentos Radioativos
Através de processos espontâneos, um núcleo atômico pode emitir três tipos de radiação: (1) gama, (2) alfa e (3)
beta. A primeira é uma radiação eletromagnética enquanto que as demais são radiações corpusculares. Ambas
ocorrem devido a um rearranjamento dos componentes do núcleo atômico em busca de uma maior estabilidade
energética (menor energia).
Vejamos os tipos de radiações eletromagnéticas existentes:
Perceba que as radiações ionizantes (radiações com
energia suficiente para arrancar elétrons de um material)
são aquelas que possuem maior frequência na onda
eletromagnética. Isso, pois a energia de uma onda
eletromagnética está associada diretamente com a sua
frequência:
E = hf
Onde h (6,62x10-34 J.s) é a constante de Planck.
Outra relação útil é a da velocidade da onda:
v = f
Onde  é o comprimento-de-onda (distância entre dois
pontos iguais e consecutivos de uma onda), sendo inversamente proporcional à frequência. A velocidade v em uma
onda eletromagnética é a velocidade da luz no vácuo (c = 3x108 m/s).
As radiações eletromagnéticas até a frequência dos raios-x (energia liberada pela perda
da energia cinética de elétrons acelerados ao colidirem com um alvo) são geradas por
processos fora do núcleo atômico . Enquanto que a radiação gama é gerada por processos
atômicos no núcleo atômico.
(Wilhelm Conrad Röntgen, descobridor dos raios-x)
Exercícios de Fixação:
1. (Fac. de Ciências da Saúde de Barretos SP - 2014) Radioisótopo muito utilizado na medicina nuclear, o tecnécio-99metaestável decai por emissão de um fóton com energia 2,21  10–14 J. De acordo com Max Planck, essa energia é dada
por EF = h  f, sendo h uma constante de valor 6,63  10–34 J  s e f a frequência da radiação. Considerando a velocidade
das ondas eletromagnéticas no vácuo igual a 3,0  108 m/s, o comprimento de onda, em metros, da radiação emitida por
esse radioisótopo é, aproximadamente,
(A) 9,0  10–14.
(D) 1,0  10–10.
(B) 6,0  10–14.
(C) 9,0  10–12.
(E) 6,0  10–12.
2. (UFRN - 2013) O Diodo Emissor de Luz (LED) é um dispositivo eletrônico capaz de emitir luz visível e tem sido utilizado nas mais variadas
aplicações. A mais recente é sua utilização na iluminação de ambientes devido ao seu baixo consumo de energia e à sua grande durabilidade.
Atualmente, dispomos de tecnologia capaz de produzir tais dispositivos para emissão de luz em diversas cores, como, por exemplo, a cor vermelha de
comprimento de onda, V, igual a 629 nm, e a cor azul, de comprimento de onda, A, igual a 469 nm.
A energia, E, dos fótons emitidos por cada um dos LEDs é determinada a partir da equação de Einstein E = hf onde h é a constante de Planck, e f é a
frequência do fóton emitido.
Sabendo ainda que c = f, onde c é a velocidade da luz no vácuo e , o comprimento de onda do fóton, é correto afirmar que
(A) o fóton correspondente à cor vermelha tem menos energia que o fóton correspondente à cor azul, pois sua frequência é menor que a do
fóton de cor azul.
(B) o fóton correspondente à cor vermelha tem mais energia que o fóton correspondente à cor azul, pois sua frequência é maior que a do fóton
de cor azul.
(C) o fóton correspondente à cor azul tem menos energia que o fóton correspondente à cor vermelha, pois seu comprimento de onda é maior
que o do fóton de cor vermelha.
(D) o fóton correspondente à cor vermelha tem mais energia que o fóton correspondente à cor azul, pois seu comprimento de onda é menor que
a do fóton de cor azul.
As radiações corpusculares (alfa e beta) são liberações espontâneas de núcleos radioativos em busca de uma maior
estabilidade. Elas transformam um elemento em outro (mais leve ou mais pesado, dependendo do tipo de radiação).
A radiação alfa consiste na liberação de uma partícula alfa, composta por 2
prótons e 2 nêutrons. Isso faz com que o número atômico do elemento seja 2
números atômicos menores (pois o número atômico de um elemento é dado pelo
número de prótons no núcleo desse) e que a sua massa
atômica seja 4 massas atômicas menor (já que a massa
atômica de um elemento é o número de prótons e
nêutrons).
1. Abra a simulação: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/alpha-decay
2. Execute a simulação na aba Vários átomos.
Responda: O Polônio-211 sofre um processo de decaimento radioativo alfa.
Em qual elemento o Polônio-211 se transformou?
_____________________________________________________ .
Qual o número atômico desse elemento?
____________________________________________________________ .
Qual a massa atômica desse elemento quando comparada com a do Polônio-211? __________________________.
A radiação beta consiste em um decaimento do nêutron. Nesse processo, o nêutron se
transforma em um próton liberando uma partícula  (elétron) e um antineutrino do
elétron (partícula sem carga elétrica e com massa muito pequena prevista teoricamente
em 1930 por Wolfgang Pauli para a conservação do momento linear do átomo, sendo
detectado apenas em 1956 por Frederick Reines e Clyde Cowan).
Esse processo faz com que o número atômico do
elemento seja 1 número atômico maior (pois agora existe um próton a mais no
núcleo), enquanto que sua massa atômica se mantém constante (pois a soma de
prótons e nêutrons se manteve constante, já que apenas um nêutron decaiu em um
próton).
1. Abra a simulação: https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/beta-decay
2. Execute a simulação na aba Único Átomo.
a. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, escolha a opção Hidrogênio-3.
Responda:
Em qual elemento o Hidrogênio-3 se transformou? ___________________________________________ .
Qual o número atômico desse elemento?
____________________________________________________________
Qual a massa atômica desse elemento quando comparada com a do Hidrogênio-3? _________________________.
b. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, escolha a opção Carbono-14.
Responda:
Em qual elemento o Carbono-14 se transformou? ___________________________________________ .
Qual o número atômico desse elemento?
____________________________________________________________ .
Qual a massa atômica desse elemento quando comparada com a do Carbono-14? __________________________.
As radiações gama, alfa e beta possuem poderes de penetração diferentes na
matéria. A que possui maior poder de penetração é a radiação gama (pois não é
corpuscular), enquanto a que possui menor poder é a radiação alfa (pois é a mais
pesada das radiações).
Exercícios de Fixação:
1. (UFRGS – 2012) Assinale a alternativa que preenche corretamente as lacunas do enunciado
abaixo, na ordem em que aparecem.
Uma característica importante das radiações diz respeito ao seu poder de penetração na matéria.
Chama-se alcance a distância que uma partícula percorre até parar. Para partículas  e  de mesma
energia, o alcance da partícula  é ......... da partícula .
Raios X e raios  são de mesma natureza, mas enquanto os raios X se originam ........, os raios  têm
origem ........ do átomo.
(A) maior que o
- na eletrosfera
- no núcleo
(B) maior que o
- no núcleo
- na eletrosfera
(C) igual ao
- no núcleo
- na eletrosfera
(D) menor que o
- no núcleo
- na eletrosfera
(E) menor que o
- na eletrosfera
- no núcleo
2. (UFRGS – 2011) Em 2011, Ano Internacional da Química, comemora-se o centenário do Prêmio Nobel de Química concedido a Marie Curie
pela descoberta dos elementos radioativos Rádio (Ra) e Polônio (Po).
Os processos de desintegração do 224Ra em 220Rn e do 216Po em 212Pb são acompanhados, respectivamente, da emissão de radiação
(A)  e .
(B)  e .
(C)  e .
(D)  e .
(E)  e .
3. (UFRGS – 2009) Quando o núcleo de um átomo de um elemento emite uma partícula  ou , forma-se um núcleo de um elemento diferente.
No gráfico abaixo, estão representadas algumas transformações de um elemento em outro: o eixo vertical corresponde ao número atômico do
elemento, e o eixo horizontal indica o número de nêutrons no núcleo do elemento.
As transformações I, II e III assinaladas no gráfico correspondem, respectivamente, a
emissões de partículas
(A) ,  e .
(B) ,  e .
(C) ,  e .
(D) ,  e .
(E) ,  e .
(3) Meia-vida de Elementos Radioativos
Uma amostra radioativa sobre decaimentos radioativos espontâneos. Como, por
exemplo, os que sofrem os elementos polônio e rádio, ambos descobertos pela
cientista Marie Curie (ganhadora de dois prêmios Nobel. Em 1903 de Física, pelas
suas descobertas no campo da radioatividade, e outro em 1911 de Química, pelas
descobertas dos elementos químicos rádio e polônio).
(Marie Curie, continuou os estudos do Físico francês Antoine Henri Becquerel,
que acabou por fazê-la descobrir novos elementos radioativos)
o
O tempo de meia-vida () é definido na radioatividade como o tempo necessário para que metade dos
átomos de uma amostra decaia, se transformando em outro elemento químico.
Por exemplo, a datação por carbono-14 é possível graças a esse conhecimento. O carbono-14 decai,
emitindo uma partícula beta, em nitrogênio-14. O tempo de
meia-vida do carbono-14 é de 5.730 anos. Ou seja, possuindo
uma amostra inicial de 500 g de C14 e passado o tempo de uma
meia-vida (5.730 anos) restará apenas 250 g de C14 nessa
amostra, sendo que os outros 250 g já decaíram para N 14. Se
mais um tempo de meia-vida passar restará apenas 125 g de C14 da amostra inicial.
O gráfico abaixo representa a curva de decaimento exponencial do número de átomos (ou massa de um
determinado elemento radioativo ou percentagem desse determinado elemento em uma amostra) em função
do tempo de meia-vida. N0 representa a quantidade inicial do elemento radioativo e  representa o tempo de
meia-vida para este elemento.
1. Abra a simulação:
https://phet.colorado.edu/pt_BR/simulation/radioactive-datinggame
2. Execute a simulação na aba Taxas de decaimento.
a. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação,
escolha a opção Carbono-14.
Responda: Passadas 3 meias-vidas, qual a porcentagem de
Carbono-14 existirá ainda nessa amostra?
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Responda: Passadas 3 meias-vidas, qual a porcentagem de Nitrogênio-14 existirá nessa amostra?
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b. Utilizando os recursos existentes na direita da simulação, escolha a opção Urânio-238.
Responda: Passadas 2 meias-vidas, qual a porcentagem de Urânio-238 existirá ainda nessa amostra?
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Responda: Sábado, 26 de Abril de 1986, às 1:23:58 hora local, o quarto reator da Usina de Chernobyl
(conhecido como Chernobyl-4) sofreu uma catastrófica explosão de vapor que resultou em incêndio, uma
série de explosões adicionais, e um derretimento nuclear. Como resultado, o acidente ocorreu a libertação
de substâncias radioativas, incluindo isótopos de urânio (meia-vida de 4,5 bilhões de anos), plutônio
(meia-vida de 24,4 mil anos), iodo-131 (meia-vida de 8 dias), o césio-134 (meia-vida de 2 anos), césio-137
(meia-vida de 33 anos), estrôncio-90 (meia-vida de 28 anos).
(adaptado
de:
http://ucraniaonline.blogspot.com.br/2009/10/acidente-nuclear-de-chernobil.html)
Passados vários anos após o desastre de Chernobyl, a cidade continua deserta. Em um raio de 30 km ao
redor do reator que explodiu foi criada a chamada Zona de Exclusão.
Explique o porquê ainda da existência de uma Zona de Exclusão com base no tempo de meia-vida dos
elementos existentes na nuvem radioativa.
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Exercícios de Fixação:
1. (UFRGS – 2010) Em certo experimento, um contador Geiger (instrumento que conta o número de eventos de decaimento radioativo por
unidade de tempo) foi colocado a 0,5 m de uma amostra radioativa pequena, registrando 1.280 contagens/minuto. Cinco horas mais tarde,
quando nova medida foi feita com o contador na mesma posição anterior, foram registradas 80 contagens/minuto.
Com base nessas informações, é correto concluir que a meia-vida da amostra é de
(A) 0,6 h.
(B) 0,8 h.
(C) 1,0 h.
(D) 1,25 h.
(E) 1,5 h.
2. (UFRGS – 2007) O PET (Positron Emission Tomography ou tomografia por emissão de pósitron) é uma técnica de diagnóstico por imagens
que permite mapear a atividade cerebral por meio de radiações eletromagnéticas emitidas pelo cérebro. Para a realização do exame, o paciente
ingere uma solução de glicose contendo o isótopo radioativo flúor-18, que tem meia-vida de 110 minutos e decai por emissão de pósitron. Essa
solução é absorvida rapidamente pelas áreas cerebrais em maior atividade. Os pósitrons emitidos pelos núcleos de flúor-18, ao encontrar
elétrons das vizinhanças, provocam, por aniquilação de par, a emissão de fótons de alta energia. Esses fótons são empregados para produzir
uma imagem do cérebro em funcionamento.
Supondo-se que não haja eliminação da solução pelo organismo, que porcentagem da quantidade de flúor-18 ingerido ainda permanece presente
no paciente 5 horas e 30 minutos após a ingestão?
(A) 0,00%.
(B) 12,5%.
(C) 33,33%.
(D) 66,66%.
(E) 87,50%.
3. (UFRGS – 2013) A medicina nuclear designa o conjunto das aplicações em que substâncias radioativas são associadas ao diagnóstico e à
terapia. Em algumas radioterapias, um radiofármaco é injetado no paciente visando ao tratamento de órgão alvo. Assim, por exemplo, o rênio
(186Re) é utilizado para aliviar doenças reumáticas, e o fósforo ( 32P) para reduzir a produção excessiva de glóbulos vermelhos na medula óssea.
Considere que a meia vida do rênio é de 3,5 dias e a do fósforo 14 dias. Após 14 dias da aplicação destes radiofármacos, as quantidades
restantes destes isótopos radioativos no paciente serão, em relação às quantidades iniciais, respectivamente,
(A) 1/2 e 1/2.
(B) 1/4 e 0.
(C) 1/4 e 1/2.
(D) 1/16 e 0.
(E) 1/16 e 1/2.