Física Nuclear

A Física Nuclear estuda tudo o que está diretamente relacionado à investigação do surgimento do universo, sua evolução e estrutura. Todos aqueles questionamentos que antes foram levantados sem que tivesse uma explicação aceitável fazem parte desse estudo.

O estudo da Física Nuclear abrange um conhecimento que vai desde as partículas fundamentais até as imensas estruturas que formam o universo. Seu objetivo é entender as propriedades básicas dos núcleos e da matéria nuclear, podendo dessa forma encontrar uma teoria que seja completa sobre os núcleos mais completos.

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Definição

Física Nuclear é a área da física que estuda as propriedades e interações dos núcleos atômicos, assim como os mecanismos básicos das reações nucleares com nêutrons e outros núcleos. As aplicações mais conhecidas nessa área são a geração de energia nuclear e a tecnologia de armas nucleares, porém esses estudos têm sido aplicados em outras coisas, como a medicina nuclear, ressonância magnética, engenharia de materiais e outros.

O início

A física nuclear surgiu a partir da descoberta da radioatividade em 1896, pelo físico francês Antoine Henri Becquerel. Após o século XX a Física Nuclear passou a se desenvolver bastante, construiu-se o primeiro reator nuclear, que foi destinado à pesquisa científica e a fabricação da primeira bomba atômica foi construída logo em seguida.

Atualmente, após a Guerra Fria, a pesquisa em Física Nuclear tem tido mais foco nas áreas não-bélicas, como a Física de Partículas, a Medicina Nuclear e a Cosmologia, porém não podemos negar que ainda existem centros de desenvolvimento de armas nucleares.

O estudo do átomo se deu após o pensamento de que: se quebrarmos um objeto ele irá se desfazer em pedaços menores, se quebramos esses pedaços se tornaram ainda menores até que chega a um ponto em que não conseguimos mais quebra-lo. E foi a partir desse pensamento que de início acreditavam que o átomo era indivisível. Hoje, depois de estudos e pesquisas sabemos que não é uma partícula indivisível e sim um sistema composto por partículas diferentes. E foi a partir das teorias de Dalton, de que os átomos eram esferas indestrutíveis e indivisíveis, que a ciência da estrutura atômica passou a traçar novos rumos no estudo.

 

O que a Física Nuclear estuda?

A Física Nuclear está envolvida em várias aplicações, e estuda as reações que acontecem nos núcleos dos átomos. Existem várias forças na física, podemos classifica-las em quatro grupos:

• Força Gravitacional: que tem relação com a atração entre os corpos, é responsável pela órbita dos planetas ou pela queda de uma fruta.

• Forças eletromagnéticas: que dão origem aos fenômenos elétricos, aos ímãs, às reações químicas, etc.

• Força Nuclear Fraca: que produz o decaimento em que um elétron é emitido do núcleo.

• Força Nuclear Forte: que é responsável por manter as partículas do núcleo unidas, mesmo que tenham as cargas elétricas iguais.

Suas aplicações

Entre as principais aplicações da Física Nuclear estão: a geração de energia elétrica em usinas nucleares, os Raios X, tratamentos de câncer, armamentos e bombas nucleares.

A Física Nuclear tem sido aplicada em diversas áreas e tem trazido vários benefícios para a humanidade, sempre que uma fonte de energia é descoberta aparece uma  nova tecnologia onde se torna possível aproveitar essa energia. Foi assim com o fogo, o petróleo e, mais recentemente, com a energia atômica e a nuclear.

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Tipos de Desintegração nuclear ou Desintegração radioativa

Desintegração radioativa, ou decaimento radioativo, é o nome dado ao fenômeno da transformação de um átomo em outro por meio da emissão de radiação a partir de seu núcleo instável.

O núcleo de um átomo é instável quando a combinação do número de prótons e do número de nêutrons em seu interior não confere estabilidade. De uma forma geral, o núcleo é instável se seu número de prótons é igual ou superior a 84.

Veja os tipos de radiação que participam de uma desintegração radioativa, bem como os resultados desse fenômeno natural.

Tipos de radiações envolvidas na desintegração radioativa

a) Radiação alfa

Radiação composta por dois prótons e dois nêutrons. Apresenta as seguintes características:

·         Representada pelo símbolo α;

·         Apresenta número de massa igual a 4;

·         Apresenta número atômico igual a 2;

·         Desloca-se pelo ar com cerca de 10% da velocidade da luz;

·         Apresenta um baixo poder de penetração na matéria.

b) Radiação beta

Radiação composta por um elétron formado a partir da conversão de um nêutron em próton, neutrino e beta. Apresenta as seguintes características:

·         Não apresenta número de massa;

·         Possui número atômico igual a -1;

·         Representada pelo símbolo β;

·         Desloca-se pelo ar com cerca de 90% da velocidade da luz;

·         Apresenta um poder de penetração na matéria intermediário.

c) Radiação gama

É uma onda eletromagnética originada a partir das emissões alfa e beta do núcleo de um átomo, sendo, por isso, uma radiação não formada por partículas. Apresenta as seguintes características:

·         Não apresenta massa nem número atômico;

·         Representada pelo símbolo γ;

·         Desloca-se pelo ar com cerca de 100% da velocidade da luz;

·         Apresenta o maior poder de penetração na matéria.

Tipos de desintegração radioativa

a) Decaimento alfa (Primeira lei de Soddy)

Quando o núcleo de um átomo instável elimina uma radiação alfa, forma-se um novo núcleo (um novo átomo) cujo número atômico é duas unidades menor que o átomo de origem e o número de massa é quatro unidades menor que o átomo de origem, como podemos observar no exemplo abaixo:

92U238 → 2α4 + 88Th234

O núcleo do Urânio (cujo número atômico é 92 e o número de massa é 238), ao eliminar uma radiação alfa, forma o átomo de tório (cujo número atômico é 88 e o número de massa é 234).

b) Decaimento beta (Segunda lei de Soddy)

Quando o núcleo de um átomo instável elimina uma radiação beta, forma-se um novo núcleo (um novo átomo) cujo número atômico é uma unidade maior que o átomo de origem e o número de massa é o mesmo que o do átomo de origem, como podemos observar no exemplo abaixo:

92U238 → -1β0 + 93Np238

O núcleo do Urânio (cujo número atômico é 92 e o número de massa é 238), ao eliminar uma radiação beta, forma o átomo de neptúnio (cujo número atômico é 93 e o número de massa é 238).

c) Decaimento gama

Como a radiação gama não apresenta massa e número atômico, quando um átomo a elimina de seu núcleo, permanece da mesma forma, ou seja, com o mesmo número de prótons e nêutrons em seu interior.

92U238 → 0γ0 + 92U238

Logo, a emissão de radiação gama não promove a transformação de um átomo em outro.

Relação entre meia-vida e desintegração radioativa

Denomina-se de meia-vida o tempo que um determinado material radioativo leva para perder metade do seu poder radioativo, o que ocorre por meio de sucessivas desintegrações. O radioisótopo césio-137, por exemplo, apresenta uma meia-vida de 30 anos, ou seja, após 30 anos (seta azul), ele terá metade da sua capacidade radioativa.

100% de radiação → 50% de radiação → 25% de radiação → ...

Como a radiação alfa é composta por uma massa igual a 4, quando um material decai, eliminando alfa, sua massa diminui quatro unidades. Durante a meia-vida de um radioisótopo, sua massa diminui constantemente. Assim, durante a meia-vida do césio, por exemplo, além da radiação, a massa também é reduzida pela metade.

80 gramas → 40 gramas → 20 gramas → ...

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Período de semidesintegração ou meia- vida (P ou t½)

“O período de semidesintegração ou meia- vida (P ou T½) é o tempo necessário para que a metade dos núcleos radioativos se desintegre, ou seja, para que uma amostra radioativa se reduza a metade.”

Considere uma amostra com n0 átomos radioativos iniciais. 

Depois de um espaço de tempo, haverá n0/2 átomos que ainda não se desintegraram. 

P ou T½ é definido como o período de semidesintegração. 

O tempo para que ocorra a desintegração da metade dos átomos não depende do número de átomos radioativos iniciais, pois quanto maior for o número de átomos, maior será a velocidade de desintegração. 

Para cada período “T½” que se decorre, há uma redução da metade da amostra que vai se reduzindo incessantemente até que atingir uma quantidade muito pequena. 

T½ = t/n       →             t = n.T½

n→é o numero de desintegrações

t →tempo necessário para que a amostra raioactiva se desintegre

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exercicios resolvidos

A emissões alfa, beta e gama são emissões radioativas naturais, constituídas, respectivamente, por 2 prótões e 2 neutrões, um electrão e uma radiação eletromagnética.

 

1. O elemento netúnio (93Np237), após a emissão de sete partículas alfa e quatro partículas beta, transforma-se em qual elemento químico?

A. 92U238         B. 90Th232         C. 88Ra226           D. 85At210      E. 83Bi209

Alternativa “E”.

Quando o elemento emite uma partícula alfa, ele perde dois prótons e dois nêutrons, isso significa que ele se transforma em um elemento com o número de massa (A = P + N) menor 4 unidades e o número atômico (Z = P ) menor duas unidades. Quando o elemento emite uma partícula beta, ele perde um elétron. Assim, temos:

93Np237 → 7 (2α4) +4 (-1β0) + ZXA

A:
237 = 7 . 4 + 4 . 0 + A
A = 237 – 28
A = 209

Z:
93 = 7 . 2 + 4 . (-1) + Z
Z = 93 – 10
Z = 83

Assim, o elemento obtido é o 83Bi209.

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2. O 201Tl é um isótopo radioativo usado na forma de TlCl3 (cloreto de tálio) para diagnóstico do funcionamento do coração. Sua meia-vida é de 73h (≈3 dias). Certo hospital possui 20 g deste isótopo. Sua massa, em gramas, após 9 dias, será igual a:

a) 1,25.                        b) 3,3.                           c) 7,5.                     d) 2,5.              e) 5,0.

Alternativa “d”.

A cada 3 dias, a quantidade de átomos cairá pela metade.

20g → 10g → 5g → 2,5g
    3 dias  3 dias  3 dias

3. O xenônio-133 é usado em pesquisas sobre os pulmões, e sua meia-vida ou período de semidesintegração é de cinco dias. Se uma amostra contiver 200 mg de xenônio-133, após quanto tempo essa massa será reduzida para 25 mg?

a) 5 dias.            b) 10 dias.                  c) 15 dias.                 d) 20 dias.          e) 25 dias

Alternativa “c”.

200mg → 100mg → 50mg → 25mg
             5 dias       5 dias       5 dias

4. O trítio (hidrogênio-3) é utilizado na determinação da massa total de água no corpo de um ser vivo. Sabendo que ele tem meia-vida igual a 12,5 anos, assinale a alternativa que indica quanto tempo levaria para que a radiação de uma amostra de trítio fosse reduzida a 6,25% do valor inicial:

a) 12,5 anos                         b) 25 anos.                        c) 37,5anos.                     d) 50 anos.

Alternativa “d”.

100% x → 12,5 anos → 50% x → 12,5 anos → 25% x → 12,5 anos → 12,5% x → 12,5 anos → 6,25% x

12,5 . 4 = 50 anos.

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Para mais exercicios viste:http://megafisica.simplesite.com/435026810

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