vs.
Usina nuclear
http://www.youtube.com/watch?v=b4Q9O1vICWs&feature=related
http://www.youtube.com/watch?v=kHXMiYsFSrU&feature=related
1
Processo Nuclares
Profa. Dra. Marcia M. Meier
2
Radioatividade
Reações nucleares
Geração de radiação gama
Geração de energia
a partir do núcleo do átomo
≠
Reações Químicas
Transformação da matéria
Geração de energia
a partir dos elétrons do átomo
1 g CH4(g) + 2O2(g) → CO2 + 2H2O
1,0 g Urânio-235 → Tório-231 + partículas alfa
E = 52 kJ
E = 82.000kJ
3
Radioatividade
História
1896 – Becquerel, óxido de urânio próximo a filme fotográfico
- Marie Curie e Pierre Curie = descobriram Tório(Th), Rádio (Ra) e Polônio (Po)
1898 – Rutherford identificou os tipos de radiação advinda de átomos radioativos ao
atravessar um feixe através de eletrodos carregados.
4
Radioatividade
História
4,5 x 109 a.
Núcleos que modificam
suas estruturas
espontaneamente e
emitem radiação são
chamados de
radioativos.
2,5 x 105 a.
1.600a.
8 x 104 a.
3,8 d
3 min
Fissão Nuclear = Fragmentação do átomo
Fusão Nuclear = Junção de núcleos
5
A descoberta da estrutura atômica
Datação por isótopo de Carbono-14
Número de massa, A = massa dos prótons e nêutrons
12
A
ZX
14
6C
6C
Número atômico , Z= número de prótons
14
0
→ 7N + -1e
Radioativo, decaindo a 14N
meia vida =5.730 anos
Elemento
Símbolo
Z
A
Abundância,
%
Carbono-12
12C
6
12
98,90
Carbono-13
13C
6
13
1,10
Carbono-14
14C
6
14
1 x 10-10
(ser vivo)
6
Radioatividade
Equações nucleares
• Núcleons: partículas no núcleo:
– p+: próton
– n0: nêutron.
• Número de massa: (A) o número de p+ + n0.
• Número atômico (Z): o número de p+.
• Isótopos: têm o mesmo número de p+ e números diferentes de n0.
• Nas equações nucleares, o número de núcleons é conservado:
238 U
92
→ 23490Th + 42He
Partícula alfa = He2+
7
Radioatividade
Equações nucleares
•
Na decomposição do 131I é emitido um elétron. A emissão beta é equivalente à
conversão do nêutron (11n) em um próton (1p ou 1H) e um elétron, consequentemente
1
1
ocorre aumento do número atômico em 1 unidade:
I →
53
131
•
Xe
54
131
+-1oe
Partícula Beta
O número total de prótons e nêutrons antes de uma reação nuclear deve ser o mesmo
que o número total de núcleons depois da reação.
8
Radioatividade
γ
• A radiação gama (ou raios gama, ) consistem em radiação com uma freqüência
muito elevada, portanto, baixo comprimento de onda e elevado nível energético:
E=hν
• Não altera Z
•Não altera A
• Quase sempre acompanha outra
emissão radioativa porque ela
representa a energia perdida
quando os núcleons restantes se
organizam em arranjos mais
estáveis (“núcleos excitados”).
• Não são mostrados quando
representamos as reações
nucleares.
9
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
•
Tipos de radiação :
– Radiação α é a perda de 42He pelo núcleo.
– Radiação β é a perda de um elétron pelo núcleo (neutro que se transformou em
próton)
– Radiação γ é a perda de fóton de alta energia pelo núcleo.
•
Na química nuclear, para garantir a conservação dos núcleons escrevemos todas as
partículas com seus números atômicos e de massa: 42He e 42α representam a radiação α;
o e = partícula β.
-1
10
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
11
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
•
Os núcleons podem sofrer decaimento:
1 p+ → 1 n + 0 e+ (emissão de pósitron ou de β+)
1
0
1
antipartícula do elétron
0
-1e
-+0
1
1p
+
1e
→ 200γ (aniquilação de pósitron)
+ 0-1e- → 10n (captura de elétron)
1
•
+
0n
→ 11p+ + 0-1e- (emissão β)
Um pósitron é uma partícula com a mesma massa de um elétron, mas com uma carga
positiva.
12
Padrão de estabilidade
Nuclear
13
Radioatividade
Tipos de decaimento radioativo
•
Emissão de próton e de nêutron: são eventos menos comuns
Perda de um próton: acarreta a diminuição de 1 unidade de A e Z. Ex.:
57
30 Zn
→
56
29 Cu
+ 11p
Perda de um nêutron: acarreta a diminuição de 1 unidade de A. Ex.:
91
34 Se
→
90
34 Se
+ 10n
14
Radioatividade
β+
15
Exercite:
a) Decaimento alfa
b) Decaimento beta
c) Decaimento pósitron
d) Emissão pósitron
e) Captura de elétron
16
Padrão de estabilidade
Nuclear
Razão nêutron-próton
•
•
•
•
•
O próton tem massa e carga altas.
Conseqüentemente, a repulsão próton-próton é grande.
No núcleo, os prótons estão muito próximos uns dos outros.
As forças coesivas no núcleo são chamadas de forças nucleares fortes. Os nêutrons estão
envolvidos com a força nuclear forte.
À medida que mais prótons são adicionados (o núcleo fica mais pesado), a repulsão
próton-próton aumenta.
17
Padrão de estabilidade
Nuclear
Razão nêutron-próton
•
•
Quanto mais pesado o núcleo, mais nêutrons
são necessários para a estabilidade.
A faixa de estabilidade desvia da razão
nêutron-próton de 1:1 para massa atômica
alta.
A > 2Z
A = 2Z
18
Padrão de estabilidade
Nuclear
Modelos
•
Estudos de modelos para explicar as partículas
subatômicas do núcleo:
•
Niels Bohr: Modelo da gota líquida propõe
que os núcleons se empacotam juntos de
forma semelhante às moléculas, os núcleos da
superfície estão menos fortemente ligados e
são mais facilmente perdidos.
A > 2Z
•
Modelo coletivo: núcleons ocupam níveis
quantizados de energia, mas interagem entre si
através de uma força intensa e através da força
eletrostática
A = 2Z
19
Padrão de estabilidade
Nuclear
Razão nêutron-próton
•
No Bi (83 prótons), a faixa de estabilidade acaba e todos os núcleos são instáveis.
– Os núcleos acima da faixa de estabilidade sofrem emissão β. Um elétron é perdido
e o número de nêutrons diminui, o número de prótons aumenta.
– Os núcleos abaixo da faixa de estabilidade sofrem emissão β+ou captura de elétron.
Isso resulta no aumento do número de nêutrons e na redução do número de
prótons.
– Os núcleos com números atômicos maiores que 83 normalmente sofrem emissão α.
O número de prótons e nêutrons diminui.
20
Padrão de estabilidade
Nuclear
Números Mágicos:
• Núcleos com 2, 8, 20, 28, 50 ou 82
prótons e 2, 8,20, 28,50, 82 e 126
nêutrons, geralmente são mais estáveis
que núcleos que não contêm esse número
de núcleons.
• Núcleos com números pares tanto
de prótons quanto de nêutrons
geralmente são mais estáveis que os
com números ímpares de núcleons.
No de isótopos
estáveis
Prótons
Nêutrons
157
Par
Par
53
Par
Ímpar
50
Ímpar
Par
5
ímpar
Ímpar
21
Padrão de estabilidade
Nuclear
Exercite:
1) Considerando a banda de estabilidade
representada no gráfico ao lado, determine o
modo de decaimento de:
a) Carbono-14
b) Xenônio-118
2) Quais dos núcleos a seguir são especialmente
estáveis:
4 He
2
40 Ca
20
98 Tc
43
22
Padrão de estabilidade
molecular
Série de radioatividade
•
•
•
Um núcleo normalmente sofre mais de uma transição em sua trajetória para a
estabilidade.
A série de reações nucleares que acompanham essa trajetória é a série radioativa.
Os núcleos resultantes do decaimento radioativo são chamados de núcleos filhos.
23
Padrão de estabilidade
nuclear
Série de radioatividade
4,5 x 109 a.
238U,
Para o
o primeiro decaimento é para
234Th (decaimento α). O 234Th sofre emissão β
para 234Pa e para 234U. O 234U sofre
decaimento α (várias vezes) para 230Th, 226Ra,
222Rn, 218Po, e 214Pb. O 214Pb sofre emissão β
(duas vezes) através de 214Bi para 214Po o qual
sofre decaimento α para 210Pb. O 210Pb sofre
emissão β para 210Bi e 210Po o qual decompõese (α) para o 206Pb estável.
2,5 x 105 a.
1.600a.
8 x 104 a.
3,8 d
3 min
24
Transmutações nucleares
Uso de partículas carregadas
•
•
Transmutações nucleares são a colisão entre os núcleos.
Por exemplo, as transmutações nucleares podem ocorrer usando partículas α de alta
velocidade . Primeira transmutação nuclear foi realizada por Rutherford em 1919:
14N + 4α → 17O + 1p
•
A reação acima é escrita em notação simplificada:
14N(α,p)17O
•
Para superar as forças eletrostáticas, as partículas carregadas precisam ser aceleradas
antes de reagirem.
25
Transmutações nucleares
https://www.ipen.br/sitio/?idc=153
26
Transmutações nucleares
Uso de partículas carregadas
•
•
•
•
Um cíclotron consiste de eletrodos em forma de D (dês) com um grande ímã circular
acima e abaixo da câmara.
As partículas entram na câmara de vácuo e são aceleradas ao fazerem os dês
alternativamente positivos e negativos.
Os ímãs acima e abaixo dos dês mantêm as partículas movendo-se em uma trajetória
circular.
Quando as partículas estão movendo-se a uma velocidade suficiente, elas não podem
escapar do cíclotron e atingem o alvo.
27
Transmutações nucleares
Uso de partículas neutras
•
É mais fácil para um nêutron do que para um próton conseguir aproximar-se do
núcleo-alvo. É uma espécie neutra, portanto, não é repelido pela carga nuclear,
não é necessário acerelá-lo para chocar-se com os núcleos.
•
Um exemplo de transmutação induzido por nêutron é a formação de Cobalto60:
58 Fe +1 n → 59 Fe
26
0
26
59 Fe → 59 Co + 0 e
Decaimento β:
26
27
-1
Absorção de nêutron:
59
27Co
+ 10n →
60
27Co
O Cobalto-60 é utilizado no tratamento do câncer.
28
Velocidades de decaimento
radioativo
•
O tempo necessário para que metade da concentração de qualquer amostra de material
radioativo decaia é chamado de tempo de meia vida, t1/2.
•
O 90Sr tem uma meia-vida de 28,8 anos. Se 10 g de amostra está presente em t = 0, logo,
5,0 g estará presente após 28,8 anos, 2,5 g após 57,6 anos, e assim por diante.
•
O
90Sr
decai como a seguir
90
38Sr
→ 9039Y + 0-1e
•
Cada isótopo tem uma meia-vida característica.
•
•
As meia-vidas não são afetadas pela temperatura, pressão ou composição química.
Radioisótopos naturais tendem a ter meia-vida mais longa do que radioisótopos
sintéticos.
29
Velocidades de decaimento
radioativo
•
•
O decaimento é um processo cinético de primeira ordem
O tempo necessário para que metade da concentração de qualquer amostra de material
radioativo decaia é chamado de tempo de meia vida, t1/2.
•
O 90Sr tem uma meia-vida de 28,8 anos. Se 10 g de amostra está presente em t = 0, logo,
5,0 g estará presente após 28,8 anos, 2,5 g após 57,6 anos, e assim por diante.
•
O
90Sr
decai como a seguir
90
38Sr
→ 9039Y + 0-1e
•
Cada isótopo tem uma meia-vida característica.
•
•
As meia-vidas não são afetadas pela temperatura, pressão ou composição química.
Radioisótopos naturais tendem a ter meia-vida mais longa do que radioisótopos
sintéticos.
30
Velocidades de decaimento
radioativo
Cálculos baseados em meia vida
•
•
•
•
O decaimento radioativo é um processo de primeira ordem.
No decaimento radioativo, a constante k é a constante de decaimento.
A velocidade de decaimento é chamada de atividade (desintegrações por unidade de
tempo).
Se N0 é o número inicial de núcleos e Nt é o número de núcleos no tempo t, logo
Nt
ln = −kt
N0
31
Velocidades de decaimento
radioativo
Cálculos baseados em meia vida
•
Com a definição de meia-vida (o tempo gasto para Nt = ½N0), obtemos
t1/ 2 =
0 , 693
k
32
Velocidades de decaimento
radioativo
33
Velocidades de decaimento
radioativo
•
•
•
•
•
•
•
•
As meias-vidas podem variar de frações de segundo a milhões de anos.
Os radioisótopos naturais podem ser usados para determinar a idade de uma amostra.
Esse processo é conhecido como datação radioativa.
O carbono 14 é usado para determinar as idades de compostos orgânicos, uma que as
meias-vidas são constantes.
Supomos que a razão de 12C para 14C tem sido constante através dos tempos.
Para detectarmos o 14C, o objeto deve ter menos que 50 mil anos de idade.
A meia-vida do 14C é 5.730 anos.
Ele sofre decaimento para 14N por meio de emissão β:
14 C→ 14 N + 0 e
6
7
-1
34
Velocidades de decaimento
radioativo
Exercite:
1) Uma rocha contém 0,257 mg de chumbo-206 para cada miligrama de urânio-238. A meiavida para o decaimento de urânio-238 a chumbo-206 é de 4,5 x 109 anos. Qual a idade
da rocha?
35
Detecção de radioatividade
•
•
•
•
•
A matéria é ionizada pela radiação.
O contador Geiger determina a quantidade de ionizações através da detecção de uma
corrente elétrica.
Uma janela fina é penetrada pela radiação e provoca a ionização do gás Ar.
O gás ionizado carrega uma carga e então a corrente é produzida.
O pulso de corrente produzido quando a radiação entra é amplificado e contado.
36
Detecção de radioatividade
37
Detecção de radioatividade
Rastreadores radioativos
•
•
Os rastreadores radioativos são usados para seguir um elemento através de uma reação
química.
A fotossíntese foi estudada utilizando-se o 14C:
•
O dióxido de carbono é marcado com 14C.
38
Variações de energia nas
reações nucleares
•
Einstein mostrou que a massa e a energia são proporcionais:
E = mc
•
•
•
•
2
Se um sistema perde massa, ele perde energia (exotérmico).
Se um sistema ganha massa, ele ganha energia (endotérmico).
Uma vez que c2 é um número grande (8,99 × 1016 m2/s2). Pequenas variações na massa
causam grandes variações na energia.
Massa e energia que variam nas reações nucleares são bem maiores do que nas reações
químicas.
39
Variações de energia nas
reações nucleares
–
–
–
–
238 U → 234 Th + 4 He
92
90
2
para 1 mol das massas serem
238,0003 g → 233,9942 g + 4,015 g.
A variação na massa durante a reação é
233,9942 g + 4,015 g – 238,0003 g = -0,0046 g.
O processo é exotérmico porque o sistema perdeu massa.
Para calcular a variação de energia por mol de 23892U:
( )
∆E = ∆ mc 2 = c 2∆m
(
)(
= 2.9979 × 108 m/s 2 − 0.0046 × 10−3 kg
)
= −4.1× 1011 J
40
Fissão nuclear
•
•
A separação de núcleos pesados é exotérmica para grandes números de massa.
Durante a fissão, o nêutron que entra deve se mover vagarosamente porque é absorvido
pelo núcleo,
O núcleo pesado de 235U pode se separar em muitos núcleos filhos diferentes, por
exemplo,
•
1 n
0
+ 23592U → 14256Ba + 9136Kr + 310n
libera 3,5 × 10-11 J por núcleo de 235U.
Ou
1 n
0
+ 23592U → 13752Te + 9740Zr + 210n
Mais de 200 isótopos diferentes de 35 elementos distintos têm sido
descobertos entre os produtos da fissão de urânio-235. Muitos são
radioativos.
41
Fissão nuclear
•
•
•
•
•
•
Para toda fissão de 235U, são produzidos 2 nêutrons.
Cada nêutron produzido pode causar a fissão de um outro núcleo de 235U.
O número de fissões e a energia aumentam rapidamente.
Finalmente, forma-se uma reação em cadeia.
Sem controle, ocorre uma explosão.
Considere a fissão de um núcleo que resulta em nêutrons filhos.
42
Fissão nuclear
•
•
•
Uma massa mínima de material capaz de
sofrer fissão nuclear é necessária para que
uma reação em cadeia (ou para que os
nêutrons escapam antes de causarem uma
outra fissão).
Quando têm-se material suficiente para
uma reação em cadeia, temos massa
crítica.
Abaixo de massa crítica (massa subcrítica)
os nêutrons escapam e não ocorre reação
em cadeia.
43
Fissão nuclear
Reatores nucleares
•
•
•
•
Usam a fissão como uma fonte de energia.
Usa uma massa subcrítica de 235U (enriquece-se o 238U com cerca de 3% de 235U).
Os grânulos de 235UO2 enriquecidos são revestidos com Zr ou tubos de aço inoxidável.
Os tubos de controle são compostos de Cd ou B, que absorvem nêutrons.
44
Fissão nuclear
Reatores nucleares
•
•
Os moderadores são inseridos para diminuir a
velocidade dos nêutrons.
O calor produzido no núcleo do reator é removido
por um fluido de resfriamento para um gerador
de vapor e o vapor impulsiona um gerador
elétrico.
Cd e B
45
Fissão nuclear
46
Fussão nuclear
•
•
•
Núcleos leves podem fundir para formarem núcleos mais pesados.
A maioria das reações no Sol são de fusão.
O Sol é composto por 73% de H, 26% de He e apenas 1% de todos os outros elementos.
1 H +1 H → 2 H + 0 e
1
1
1
1
1 H + 2 H → 3 He
1
1
2
3 He + 3 He → 4 He + 2 1 H
2
2
2
1
3 He + 1 H → 4 He + 0 e
2
1
2
1
•
•
•
Os produtos de fusão normalmente não são radioativos, logo a fusão é uma boa fonte
de energia.
Além disso, o hidrogênio necessário para a reação pode ser facilmente fornecido pela
água do mar.
No entanto, altas energia são necessárias para superar a repulsão entre os núcleos antes
que a reação possa ocorrer.
47
Fussão nuclear
•
•
•
Altas energias são alcançadas em altas temperaturas: as reações são termonucleares.
A fusão do tritium e do deuterium requer cerca de 40.000.000 K:
2 H + 3 H → 4 He + 1 n
1
1
2
0
Estas temperaturas podem ser alcançadas em uma bomba nuclear ou um tokamak.
48
Fussão nuclear
•
•
Um tokamak é um frasco magnético: fortes campos magnéticos controlam um plasma
de alta temperatura para que ele não entre em contato com as paredes. (Nenhum
material conhecido consegue sobreviver às temperaturas para fusão.)
Até hoje, cerca de 3.000.000 K foi alcançado em um tokamak.
49
Efeitos biológicos
da radiação
•
•
•
•
O poder de penetração da radiação é uma função da massa.
Conseqüentemente, a radiação γ (massa zero) penetra muito além da radiação β, que
penetra muito além da radiação α.
A radiação absorvida pelo tecido causa excitação (radiação não-ionizante) ou ionização
(radiação ionizante).
A radiação ionizante é muito mais prejudicial do que a radiação não-ionizante.
50
Efeitos biológicos
da radiação
•
•
•
•
A maior parte da radiação ionizante interage com a água nos tecidos para formar H2O+.
Os íons de H2O+ reagem com água para produzir H3O+ e OH.
OH tem um elétron desemparelhado. Ele é chamado de radical hidróxido.
Os radicais livres geralmente sofrem reações em cadeia.
51
Efeitos biológicos
da radiação
Radônio
•
•
•
•
•
O núcleo de 22286Rn é um produto do 23892U.
A exposição ao radônio responde por mais da metade da exposição anual de 360 mrem
à radiação ionizante.
O Rn é um gás nobre, logo é extremamente estável.
Conseqüentemente, ele é inalado e exalado sem que ocorra qualquer reação química.
A meia-vida do Rn é 3,82 dias.
52
Efeitos biológicos
da radiação
Radônio
•
Ele decai como a seguir:
→ 21884Po + 42He
As partículas α produzidas têm um RBE alto.
Conseqüentemente, suspeita-se que o Rn inalado provoque câncer de pulmão.
O quadro é complicado pela constatação de que o 218Po também tem uma meia-vida
curta (3,11 min) :
218 Po → 214 Pb + 4 He
84
82
2
222
•
•
•
86Rn
53
Efeitos biológicos
da radiação
Radônio
•
•
O 218Po fica preso aos pulmões onde ele continuamente produz partículas α.
A EPA (Agência de Proteção Ambiental Norte-americana) recomenda que os níveis de
222Rn nas residências seja mantido abaixo de 4 pCi por litro de ar.
54
Efeitos biológicos
da radiação
Medicina Nuclear
• Diagnóstico por imagens
Ex: administração de iodo-131 (emissor beta e gama, t1/2= 8,04 dias)
para formar imagens da disfunção da tireóide que produz o hormônio
tiroxina que controla o metabolismo humano.
Acompanha-se a taxa de absorção do iodo pelo hormônio.
55
Efeitos biológicos
da radiação
Medicina Nuclear
• O radiosótopo ideal para uso de diagnóstico deveria possuir algumas
qualidades: emitir partículas gama, pois estas tem um grande poder de
penetração, e podem sair do organismo; não emitir, preferencialmente,
partículas alfa ou beta; o tempo de meia-vida deve ser ideal: nem tão curto,
que não possa ser detectado a tempo, nem tão longo, onde atividade ainda
existiria após o diagnóstico. Felizmente, a natureza nos presenteou com um
isótopo que atende a quase todas as necessidades: o tecnécio-99.
56
Efeitos biológicos
da radiação
Medicina Nuclear
57
Efeitos biológicos
da radiação
Medicina Nuclear
58