Combustíveis Energia e Ambiente
Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
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O INÍCIO DA CIÊNCIA
NUCLEAR(1905)
E = m c2
"It followed from the special theory of relativity that mass and energy
are both but different manifestations of the same thing -- a
somewhat unfamiliar conception for the average mind. Furthermore,
the equation E is equal to m c-squared, in which energy is put equal
to mass, multiplied by the square of the velocity of light, showed that
very small amounts of mass may be converted into a very large
amount of energy and vice versa. The mass and energy were in fact
equivalent, according to the formula mentioned above. This was
demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally."
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
 1905 – Einstein
Propôs a teoria da relatividade. Considerou que massa e
energia são manifestações da mesma grandeza e são
interconvertíveis.
E = mc2
Até então os físicos consideravam a energia e a massa
entidades distintas – Lei Conservação da Massa e da
Energia.
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A DESCOBERTA DO NÚCLEO
Combustíveis Energia e Ambiente
Idade Média
Alquimistas sonham em converter um elemento noutro.
Transmutação do chumbo em ouro.
1895 - RÖentgen
descobre os raios X
1896 – Becquerel
Observou emissão de radiação
altamente energéticas de um
composto de urânio
– chamou radioactividade
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1897 –Marie e Pierre Curie
Continuaram as investigações e mostraram
que a radiação era independente do estado
de combinação do urânio.
Mostraram a existência de outros elementos radioactivos
Polónio e rádio. Radioactividade – emissões espontâneas de
alguns elementos (radioisótopos).O núcleo não era ainda
conhecido.
1897- J. J. Thomson
Demonstra que os raios catódicos são
feixes de partículas - electrões
6
1898 - Rutherford
Identificou três tipos de
partículas radioactivas:
“radiações” α, β e γ.
1909 - Robert Milikan
Determinou a carga do electrão
7
 1911- Ernest Rutherford
Apresenta a célebre experiência
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1911- Niels Bohr
Propõe um modelo de órbitas
circulares para o electrão.
1932 - James Chadwik
Detecta experimentalmente
o neutrão.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Após Rutherford
Identificados outros tipos de “radiações” nucleares:
protão, neutrão e antipartículas
Após descoberta do núcleo
Cientistas percebem que a radioactividade resulta da
ejecção de “fragmentos” do núcleo.
Chamaram-lhes
Decaimento nuclear
Desintegração nuclear
Reacção nuclear
Mudança da composição do núcleo
.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Reacções nucleares vs Reacções Químicas
R.Q. estão envolvidos electrões
•Energia envolvida moderada
•Isótopos do mesmo elemento
sofrem reacções químicas iguais
•Há conservação da massa – Lei
de Lavoisier
R. N. estão envolvidos núcleos
•Energia envolvida muito
elevada
•Isótopos do mesmo elemento
sofrem reacções nucleares
muito diferentes
•Há conservação da massaenergia.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
E = mc2
•Qualquer processo exotérmico os produtos tem uma massa
inferior aos reagentes.
•Nas reacções químicas a energia envolvida é tão pequena que
se verifica a conservação da massa.
•Nas reacções nucleares as energias em jogo são tão elevadas
que os valores de massa correspondentes são mensuráveis.
•Reacções em que toda a matéria se converte em energia
denominam-se de reacções matéria-antimatéria.
•Quando protões e neutrões se juntam para formar um núcleo
de um átomo há diminuição da massa que se transforma em
energia – Energia Nuclear
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
 Qualquer núcleo é mais estável que os respectivos
nucleões separados.
 Quando protões e neutrões se juntam para formar um
núcleo de um átomo há uma diminuição de massa, que
se transforma em energia – Energia De Ligação
Nuclear.
 A diferença entre a soma das massas dos nucleões e a
massa do núcleo é – Defeito De Massa, ∆m.
 Energia de Coesão Nuclear é a energia necessária para
decompor o núcleo nos seus nucleões.
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A escrita de equações
nucleares
 Representam-se por equações.
 Cada nuclido participante na reacção é
representado pelo seu símbolo (X), com o
respectivo número atómico (Z = n.° de
protões) e número de massa (A = n.° de
protões + n.° de neutrões):
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A escrita de
equações
Equivalência
massa-energia:
nucleares
um assunto
nuclear
Nuclidos
No neutrão e no
protão a letra Z
representa o n.°
de protões, mas
no electrão
representa a sua
carga negativa.
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A escrita de
equações
Equivalência
massa-energia:
nucleares
um assunto
nuclear
Regras
1.A soma dos números de massa deve ser
igual nos dois membros da equação.
2.A soma dos números atómicos nos dois
membros da equação deve ser igual.
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A estabilidade do núcleo e o
decaimento radioactivo
Apesar das forças repulsivas a maior parte dos
núcleos é estável – Há equilíbrio entre as
atracções e as repulsões.
Casos em que as repulsões vencem as atracções
verifica-se o Decaimento Radioactivo ou
Nuclear.
Radioactividade Natural
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Se Z >83 são radioisótopos, significa que têm
núcleos instáveis e que são radioactivos;
Se Z ≤ 83 têm isótopos (núcleos estáveis) e a
maior parte tem pelo menos um radioisótopo
(núcleos instável).
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Proporção neutrão-protão (n/p).
elementos estáveis a proporção n/p é
aproximadamente igual a 1; (Z<30)
Com o aumento do número atómico aumenta esta
proporção, maior 1. Este desvio surge da necessidade de
um número cada vez maior de neutrões para compensar
as repulsões electrostáticas da interacção entre um
número cada vez maior de protões.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Existem números Mágicos – conferem particular
estabilidade aos núcleos.
Os números mágicos, que inicialmente foram propostos de forma empírica, hoje
são relacionados com o modelo de preenchimento em camadas do núcleo. Os
números mágicos Z=114, Z=164, N=184 e N=196 estão previstos teoricamente,
embora não tenham ainda sido observados.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
A maioria dos núcleos
radioactivos situa-se fora
da denominada zona de
estabilidade.
Acima da zona estabilidade,
para o mesmo número de
protões, os núcleos têm
razões neutrão/protão
superiores às dos núcleos
estáveis da faixa.
Abaixo da zona de
estabilidade, para o mesmo
número de protões, os
núcleos têm razões
neutrão/protão mais baixas
do que os núcleos da faixa
de estabilidade.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Tipos Decaimento Radioactivo
A radioactividade surge da libertação de partículas por parte
de um isótopo fora da banda de estabilidade e que, ao
converter-se num outro isótopo, se aproxima da mesma
Emissão alfa (α)
Emissão beta (β)
Emissão Positrão (β+)
Captura Electrónica
Emissão Gama(γ)
Z ≤ 83
Z ≥ 83
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Emissão alfa (α)
Emissão de um núcleo de hélio 24He,
ou partícula α, por um núcleo instável.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Emissão beta (β ou β-)
Verifica-se em núcleos ricos em neutrões.
Emissão de um electrão muito acelerado
por um núcleo muito instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de
um neutrão num protão e num electrão
Acima da faixa estabilidade ⇒
baixar n/p ⇒ diminuir neutrões
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Emissão Positrão (β+)
Verifica-se em núcleos ricos em protões.
Emissão de um positrão por um núcleo instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de
um protão num neutrão e num electrão.
Abaixo da faixa estabilidade ⇒
aumentar n/p ⇒ diminuir protões
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Captura Electrónica
Verifica-se em núcleos de maior número atómico
ricos em protões.
Captura de um electrão de uma orbital interna do
átomo por um núcleo instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de
um protão num neutrão.
O núcleo capta o electrão de uma orbital interna,
outro electrão mais externo vai ocupar o lugar vago
deste, havendo emissão de um fotão de raios X.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Emissão Gama (γ)
Emissão de um fotão de comprimento de onda da
ordem de 10-12 m por um núcleo excitado.
Um decaimento radioactivo de outro tipo produz
um núcleo excitado. Este tende a passar para um
estado mais estável (de menor energia) por
emissão
de
uma
radiação
EM.
O núcleo formado é apenas um estado de
menor energia que o núcleo original, não
havendo alteração do número atómico nem do
número de massa.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Série Radioactiva
Atingir da estabilidade não é possível apenas num passo.
Nos elementos com Z > 83, o isótopo necessita de baixar o seu
número atómico, mas na generalidade necessita também de
perder neutrões.
Decaem então através de uma sequência de reacções que se
chama série radioactiva.
Primeiro é emitida uma partícula α, sendo emitida depois outra
partícula α ou uma β - e assim sucessivamente até que seja obtido
um isótopo estável. Normalmente o elemento final obtido é o
chumbo (tem o número atómico mágico 82).
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Tempo de Meia Vida/ Período de Decaimento
Radioactivo - t½
Intervalo de tempo necessário para que,
numa dada amostra, o número de núcleos
radioactivos se reduza a metade. É uma
grandeza constante para cada espécie
radioactiva.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Taxa de transformação
radioactiva do carbono-14
em azoto-14, com um
período de cerca de 6 mil
anos, e que permite a
datação de objectos com
centenas ou alguns
milhares de anos.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
O carbono-14 produz-se continuamente na atmosfera pela
interacção de neutrões cósmicos com átomos de nitrogénio:
1950 – 1959 W. Libby
Desenvolveu um processo, baseado na
velocidade de desintegração do núcleo
carbono-14 para datar matéria orgânica.
E decai de acordo com a equação:
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
O isótopo 14C produzido é incorporado no CO2
atmosférico, estabelecendo-se uma razão 14C/12C
aproximadamente constante.
A esta razão corresponde uma actividade de 15,3
desintegrações por minuto por grama de carbono
O dióxido de carbono atmosférico é «ingerido» por
plantas (fotossíntese) e estas são eventualmente
consumidas por animais.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Os seres vivos têm uma razão 14C/12C aproximadamente
idêntica à da atmosfera.
Quando uma planta ou um animal morre, a «ingestão» de
carbono-14 cessa, mas o núcleo continua a decair e a razão
14C/12C diminui o mesmo sucedendo à actividade por
grama de carbono.
Medindo esta e comparando com a actividade 14C num ser
vivo, tem-se a relação aproximada entre a quantidade
actual de 14C em 1 g de carbono da amostra em estudo e a
quantidade presente quando a planta, ou o animal, morreu.
Consequentemente, pode-se avaliar a época em que isso
ocorreu.
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Aplicações dos radioisótopos
Datação da Terra e Paleontologia
Na Bioquímica e Medicina
Na Industria e Agricultura
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AEquivalência
estabilidademassa-energia:
do núcleo e o
decaimento
radioactivo
um assunto
nuclear
Outras Reacções Nucleares
Fusão Nuclear
Fissão (cisão) Nuclear
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CONTADOR GEIGER
Detecção de partículas 
Efeito ionizante da radioactividade
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A enorme quantidade de energia
armazenada no núcleo deriva da
relação
E = m c2
(diminuição de massa que se verifica
quando os nucleões se juntam)
A 2ª guerra mundial foi uma lamentável
demonstração…
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6 de Agosto de 1945 – HIROXIMA
Bomba de fissão do urânio-235
4400 kg
3, 2m x 0,737m
15.000 tons TNT
9 de Agosto 1945 - NAGASÁQUI
Bomba de fissão de Plutónio-239
4535 kg
3,25 m x 1,52 m
21.000 tons TNT
41
"My God, what have we done?"
- Robert Lewis co-piloto do B-29 Enola Gay
42
Radioactividade: prós e contras
Prós




Aplicações benéficas na pesquisa científica e na descoberta
Produção de energia eléctrica com diminuição das emissões de CO2
Aplicações benéficas na área da Saúde (diagnóstico, terapêutica)
Aplicações benéficas na área da Indústria e Agricultura
Contras
Perigo de contaminação radioactiva (alterações nos ecosistemas, mutações,…)
Manipulação, transporte e armazenamento de resíduos radioactivos
Nas centrais nucleares:
- perigo de explosão, ainda que não haja razões técnicas para a existência
deste perigo
- risco de roubo de material para fins bélicos. Sendo um risco não controlável, as
centrais nucleares são locais de alta segurança militar.
- custos elevados de investimento
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" A BOMBA ATÔMICA MUDOU
TUDO EXCETO A NATUREZA DO
HOMEM"
( Albert Einstein)
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