Capítulo 43
Física nuclear
43.1 A descoberta do núcleo
Ernest Rutherford (1911)
1911-1913
A descoberta do núcleo
Exercícios e problemas
1E. Um núcleo de ouro tem um raio de 6,23 fm e uma partícula
alfa tem um raio de 1,80 fm. Que energia deve ter uma partícula
alfa incidente para “encostar” na superfície do núcleo de ouro?
(a energia potencial elétrica do sistema é dada por U=q1q2/4pe0r)
43.2 Algumas propriedades dos
núcleos
Z: número de prótons (número atômico)
N: número de nêutrons
A: número de massa
A=Z+N
Classificação dos nuclídeos
Carta de nuclídeos
Classificação dos nuclídeos
Carta de nuclídeos
A=23
Raios dos núcleos: fenomenológico
1 femtômetro = 1 fermi = 1 fm = 10-15 m
(não válido para halonuclídeos)
Massa dos núcleos
Unidade de massa atômica:
1 u = 1,661 x 10-27 kg
(massa atômica do 12C é exatamente 12 u)
Lembrando:
E = m c2 , portanto
c2 = 931,5 MeV/u
Energias de ligação dos núcleos
Energias de ligação dos núcleos
(energia de ligações)
(energia de ligação por núcleon)
Níveis de energia dos núcleos
E (MeV)
3
2
28Al
g
1
g
0
Spin e magnetismo dos núcleos
Momento angular nuclear (spin nuclear)
Momento magnético nuclear
Spin Nuclear
Nucleons (protons e neutrons no interior do núcleo atômico) dão origem a um
momento dipolar magnético nuclear mN..
O magneton nuclear vale : mN = eh/2mp = 5,05 x 10-27 J/T ~ 10-3 mB
Os núcleos com A e Z pares possuem mN = 0.
A força nuclear
Forte
43.3 Decaimento radioativo
Decaimento radioativo
Decaimento radioativo
“Não existe nenhum meio de prever se um dado núcleo de
uma amostra radioativa estará entre os que decairão no
segundo seguinte.”
(taxa de decaimento)
cte. de decaimento (ou de desintegração)
(decaimento radioativo)
Taxa de decaimento
(decaimento radioativo)
Atividade: soma das taxas de decaimento de todos os nuclídeos
1 becquerel = 1 Bq = 1 decaimento por segundo (unidade SI de atividade)
Unidade mais antiga: curie
1 curie = 1 Ci = 3,7 x 1010 Bq
Meia-vida e vida-média
Meia-vida T1/2
N, R
½ N0, ½ R0
Vida-média t
N, R
1/e N0, 1/e R0
Verificação
O nuclídeo 131I é radioativo, com uma meia-vida de 8,04 dias.
Ao meio dia de primeiro de janeiro, a atividade de uma certa
amostra é 600 Bq. Usando o conceito de meia-vida, determine,
sem fazer cálculos por escrito, se a atividade da amostra ao
meio dia de 24 de janeiro será um pouco menor que 200 Bq,
um pouco maior que 200 Bq, um pouco menor que 75 Bq ou
um pouco maior que 75 Bq.
Exercícios e problemas
27E. A meia-vida de um isótopo radioativo é 140 dias. Quantos dias
são necessários para que a taxa de decaimento de uma amostra deste
isótopo diminua para um quarto do valor inicial?
43.4 Decaimento alfa
Decaimento alfa
Energia de desintegração
Exercícios e problemas
50P. Os radionuclídeos pesados emitem partículas alfa em vez de
outras combinações de núcleons porque as partículas alfa formam
uma estrutura particularmente estável. Para confirmar esta tese,
calcule as energias de desintegração para as reações hipotéticas a
seguir e discuta o significado dos resultados:
(a)
dados
(b)
(c)
c2 = 931,5 MeV/u
(a)
<0
(b)
>0
(c)
<0
43.5 Decaimento beta
Decaimento beta
O neutrino
Wolfgang Pauli
propos (1930)
Frederick Reines
detectou (1953)
Junto com Clyde L. Cowan Jr.
The neutrino collides with a proton in the water and creates
a positron and a neutron. The positron is slowed down by
the water and destroyed together with an electron (matter
meets antimatter), whereupon two photons (light particles)
are created. These are recorded simultaneously in the two
detectors (Fig. 3). The neutron also loses velocity in the
water and is eventually captured by a cadmium nucleus,
whereupon photons are emitted. These photons reach the
detectors a microsecond or so later than those from the
destruction of the positron and give proof of neutrino
capture.
Detectando neutrinos
1998 The neutrino detector for
the Super-Kamiokande experiment
in Japan contains ultra pure water
surrounded by an array of
thousands of photo-tubes,
arranged to catch the flashes of
light from neutrino interactions in
the water.
Detectando neutrinos
A radioatividade e a carta de nuclídeos
decaem
emitindo
pósitrons
decaem
emitindo
elétrons
43.6 Datação radioativa
T1/2=5730 anos
Exercícios e problemas
62E. Em uma amostra de 5,00 g de carvão vegetal, proveniente dos
restos de uma antiga fogueira, o 14C tem uma atividade de 63,0
desintegrações/min. Em uma árvore viva, o 14C tem uma atividade
de 15,3 desintegrações/g . min. O 14C possui meia vida de 5730 anos.
Qual é a idade da amostra?
43.7 Medida da dose de radiação
Radiação de fundo
43.7 Medida da dose de radiação
• Dose absorvida:
1 Gy = 1 J/kg = 100 rad
gray (SI)
unidade antiga (radiation absorbed dose)
• Dose equivalente (com efeitos biológicos):
1 Sv = 100 rem
unidade antiga (roentgen equivalent in man)
sievert (SI)
=Gy.RBE(relative biological effectiveness)
43.8 Modelos nucleares
O modelo coletivo (gota de líquido)
O modelo das partículas independentes
Um modelo combinado
“Núcleons ocupam estados quantizados do lado de fora de
um caroço (poço de potencial) formado por camadas
completas”
Perguntas
2. No corpo humano existem mais prótons do que nêutrons,
mais nêutrons que prótons ou o número de prótons é
aproximadamente igual ao de nêutrons?
Perguntas
3. O nuclídeo 244Pu (Z=94) é um emissor de partículas alfa.
Qual é o núcleo resultante do decaimento: 240Np (Z=93),
240U (Z=92), 248Cm (Z=96) ou 244Am (Z=95)?
Perguntas
4. Um certo nuclídeo é considerado particularmente estável.
Sua energia de ligação por núcleon está ligeiramente acima ou
ligeiramente abaixo da curva de energia de ligação da figura
abaixo?
Perguntas
6. O radionuclídeo 196Ir decai emitindo um elétron. (a) Em que
quadrado da figura abaixo está o núcleo resultante? (b) O
núcleo resultante sofrerá outro decaimento?
Perguntas
7. Todos os isótopos do chumbo têm 82 prótons. (a) Se um dos
isótopos do chumbo tivesse 82 nêutrons, onde estaria situado no
gráfico da figura abaixo? (b) Se fosse possível fabricar este tipo
de isótopo, ele decairia emitindo pósitrons, decairia emitindo
elétrons ou seria estável? (c) De acordo com a figura abaixo
quantos nêutrons, aproximadamente, deve ter um isótopo
estável do chumbo?
decaem
emitindo
pósitrons
decaem
emitindo
elétrons
Perguntas
8. O nuclídeo 238U (Z=92) pode se fissionar em dois fragmentos
com o mesmo número atômico e o mesmo número de massa.
(a) O nuclídeo 238U está acima ou abaixo da reta Z=N da carta
de nuclídeos? (b) Os dois fragmentos estão acima ou abaixo da
mesma reta? (c) Os fragmentos são estáveis ou radioativos?
Perguntas
10. No instante t = 0, uma amostra do radionuclídeo A tem a
mesma taxa de decaimento que uma amostra do radionuclídeo
B no instante t = 30 min. As constantes de desintegração são lA
e lB, com lA < lB. Existe algum instante no qual a taxa de
decaimento é a mesma para as duas amostras? (Sugestão: Faça
um gráfico das atividades das duas amostras em função do
tempo.)
(decaimento radioativo)