Engenharia de Produção
QUÍMICA NUCLEAR
Marcelo Polonio Muler
Rodrigo Tosetto
Tópicos do capítulo
► Introdução
Decaimento radioativo
► Equações nucleares
► Padrões de estabilidade nuclear
►
Transmutações nucleares
► Velocidades de decaimento radioativo
► Detecção de radioatividade
►
Variações de energia nas reações nucleares
► Fissão nuclear
►
►
Fusão nuclear
►
Efeitos biológicos
03/06/09
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Introdução
Química nuclear: o que é?
É o estudo das reações que ocorrem com o núcleo dos átomos.
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Introdução
Onde é utilizada?
Os elementos radioativos são muito utilizados em medicina,
como ferramenta de diagnóstico e tratamento; na datação de
artefatos históricos; na produção de eletricidade e na fabricação
de armamentos.
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Decaimento radioativo
É a desintegração de um núcleo através da emissão
radiação. A radiação é um tipo de emissão de energia que pode se
propagar por meio de partículas ou por meio de ondas
eletromagnéticas.
Se um núcleo se encontrar numa situação de instabilidade,
seja por ter excesso de prótons, nêutrons ou ambos, tende a
transformar-se em outro nuclídeo mais estável.
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Decaimento radioativo
► Emissão alfa (α)
► Emissão beta (β)
► Radiação gama ()
► Emissão de pósitron
► Captura de elétron
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Equações nucleares
O decaimento radioativo é representado por uma equação
nuclear, como as seguintes:
Os números de massa e os números atômicos devem ser
balanceados em todas as equações do tipo.
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Padrões de estabilidade nuclear
► Relação nêutron-próton
Para que um grande
número de prótons possa estar
localizado no pequeno volume do
núcleo,
existe
uma
força
chamada de “força nuclear forte”
atuando entre os núcleons,
estando os nêutrons intimamente
envolvidos com essa força.
Quanto mais prótons no
núcleo, mais nêutrons são
necessários para mantê-lo unido.
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Padrões de estabilidade nuclear
► Série de radioatividade
Alguns núcleos, como o
urânio-238, não podem ganhar
estabilidade por uma única
emissão. Assim ocorre uma série
de emissões sucessivas.
Uma série de reações
nucleares que começa com um
núcleo instável e termina com um
núcleo estável é conhecida como
série de radioatividade. Três
dessas
séries
ocorrem
na
natureza.
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Transmutações nucleares
Um núcleo pode trocar de identidade se for atingido por um
nêutron ou por outro núcleo. As reações nucleares que ocorrem
desta forma são chamadas de transmutações nucleares.
As reações nucleares também podem ser induzidas quando
se golpeia o núcleo com partículas como a alfa. Assim ocorre a
síntese de centenas de radioisótopos em laboratório.
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Transmutações nucleares
► Uso de partículas carregadas
Partículas carregadas, coma as alfa, devem se mover muito
rapidamente para superar a repulsão eletrostática entre elas e o
núcleo alvo. Quanto maior a carga do projétil ou do alvo, maior
deve ser a velocidade do projétil para possibilitar a reação.
► Uso de nêutrons
A vantagem no uso dos nêutrons é que eles não precisam
ser acelerados para produzirem reações nucleares, pois não são
repelidos pelo núcleo.
Muitos isótopos sintéticos usados na medicina e na ciência
são produzidos através dos nêutrons como projéteis.
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Transmutações nucleares
► Elementos transurânicos
Têm este nome pois aparecem após o urânio na tabela
periódica. Podem ser produzidos em laboratório pela
transmutação artificial.
Os elementos 93 e 94 foram sintetizados pela primeira
vez em 1940 através do bombardeamento de urânio com
nêutrons.
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Velocidades de decaimento
radioativo
► Meia-vida
Tempo necessário para
metade da quantidade de uma
substância reagir. Cada isótopo
possui meia-vida característica.
► Datação
Como a meia-vida de
qualquer nuclídeo é constante, a
meia-vida pode servir como um
relógio nuclear para determinar a
idade de diferentes objetos.
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Velocidades de decaimento
radioativo
► Cálculos baseados na meia-vida
Permitem saber a idade de um objeto (1) assim como a
meia-vida de um determinado isótopo (2).
(1)
(2)
► Nt é o número de núcleos após o intervalo de tempo t.
► N0 é o número inicial de núcleos
► k é a constante de decaimento.
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Detecção de radioatividade
► Contador de cintilações
Baseado nos sinais de luz produzidos quando a radiação
atinge uma substância fosforescente (substância que emitem luz
quando excitadas pela radiação) adequada.
► Contador de Geiger
Ionização da matéria.
► Lâmina fotográfica
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Detecção de radioatividade
► Rastreador radioativo
Como os radioisótopos são facilmente detectados, eles são
usados para seguir um dado elemento em suas reações químicas.
O caminho do elemento é revelado pela radioatividade dos
radioisótopos. Assim ele é chamado de rastreador radioativo.
Atualmente são muito utilizados na medicina.
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Variações de energia nas
reações nucleares
► E = mc²
► Energia de Coesão
Ex:
O hélio tem massa atômica = 4,00150 u
A massa de próton é 1,00728 u
A massa de nêutron é 1,00866 u
2 x 1,00728 + 2 x 1,00866 - 4,00150 = 0,03038 u
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Variações de energia nas
reações nucleares
► Aplicando a equação de Einstein
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Fissão Nuclear
► Reação em cadeia
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Fissão Nuclear
► Massa crítica
► Massa supercrítica
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Fissão Nuclear
► Reatores Nucleares
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Fusão Nuclear
► Quando dois ou mais núcleos atômicos se juntam e formam um
outro núcleo de maior número atômico.
► Temperatura muita alta para acontecer a fusão. Ex.:
40.000.000 K para fundir!
► Tokamak
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Efeitos Biológicos da Radiação
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Referências bibliográficas
► Química: A Ciência Central, 9ª edição
Brown, Lemay e Bursten
► Wikipedia
pt.wikipedia.org
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