Post on 19-Nov-2018
Sumário● Histórico da radioatividade● Lei do decaimento radioativo● Decaimentos alfa, beta e gama● Séries radioativas● Datação pelo Carbono-14● Fissão nuclear● Fusão nuclear
A descoberta da radioatividade● Henri Becquerel
(1896): mostrou que sais de Urânio sensibilizam placas fotográficas
● usando a deflexão por um campo magnético, ele descobriu 3 tipos de emissões radioativas: neutra, positiva e negativa
Pierre e Marie Curie (1898)
● O minério de Urânio contém elementos radioativos
● O Tório tem propriedades similares às do Urânio
● Descobriram os elementos Rádio e Polônio
● criaram o termo “radioatividade” para designar a emissão de partículas
Ernst Rutherford (1899)
● nomeou os três tipos de emissões radioativas
● alfa: carga positiva e facilmente absorvidas
● beta: carga negativa e mais penetrantes
● gama: neutra, sem desvio por campo magnético
Radioatividade
● emissão de partículas e radiação de núcleos pesados instáveis
● partículas α: núcleos de Hélio (2p+2n)
● partículas β: elétrons● raios γ: fótons de alta
energia● prótons e nêutrons
Lei do decaimento radioativo (Rutherford e Soddy, 1902)
● N0: número inicial de núcleos-pais
● N(t): número de núcleos-pais no tempo t
● λ: constante de decaimento
N(t) = N0 e-λt
● T1/2: meia-vida - tempo para que N caia à metade de N0
T1/2 = ln 2/λ
núcleo-pai→núcleo-filho
Atividade
● é o número de desintegrações por unidade de tempo
● A = dN/dt = λ N
A = λ N0 e-λt
● unidades = Curie (Ci) e Bequerel (Bq)
● 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegra-ções por segundo
● 1 Bq = 1 desint. por segundo
Problema resolvido● A meia-vida do 90
38Sr, que sofre decaimento beta, é igual a 28 anos. Determine (a) a constante de decaimento, (b) a atividade de uma amostra de 1 g deste radio-isótopo.
Radioisótopos
● 270 isótopos estáveis● 50 isótopos radioativos● milhares de
radioisótopos fabricados em laboratório
● carta dos nuclídeos: gráfico de Z versus N
● decaimento radioativo objetiva maior estabilidade do núcleo
Decaimento alfa
● núcleo pai com Z e N● partícula alfa = 2p + 2n● núcleo filho tem Z-2 e N-2
(logo A-4)● ocorre em núcleos pesados
com uma razão Z:N alta (repulsão coulombiana cresce com Z2)
● decaimento provoca redução da razão Z:N no núcleo filho (tende a maior estabilidade)
Decaimento alfa do Polônio
● 21084Po → 206
82Pb + 42He
● Po: N=A-Z=210-84=126
● Z/N=84/128 = 0,667
● Pb: N=A-Z=206-82=124
● Z/N=82/124 = 0,661
● o decaimento reduziu a razão Z/N
● o núcleo filho está na região estável da carta de nuclídeos
Decaimento beta● beta negativo: elétrons● n → p + antineutrino● beta positivo:
pósitrons● n → p + neutrino● núcleo pai: Z e N● núcleo filho: Z+1 e N-
1 (A não muda)
Decaimento gama
● núcleo muda de um estado de maior para um de menor energia pela emissão de radiação eletromagnética (fótons)
● Z e A não se alteram (o elemento químico é o mesmo)
● conservação do momentum linear
Séries radioativas
● sucessão de núcleos-filhos derivados de um núcleo-pai
● como a desintegração reduz o número de massa de 4 unidades, há quatro séries radioativas
Datação pelo carbono 14
● O carbono 14 é formado a partir da colisão entre raios cósmicos e o nitrogênio 14, encontrado na atmosfera terrestre.
● Esse isótopo do carbono liga-se facilmente com o oxigênio, formando o gás carbônico, que é absorvido pelas plantas. Quando um ser vivo morre, a quantidade de carbono 14 diminui, o que implica em um decaimento radioativo.
Decaimento do Carbono 14
● 146C é um núcleo radioativo
presente em todos os seres vivos
● decai no isótopo 126C
● a razão 146C /12
6C = 1,3x10-12
constante para organismos vivos (ciclo )
● quando o organismo morre, o 14
6C decai com meia-vida de 5730 anos
Datação pelo Carbono 14
● para datar um fóssil, mede-se a quantidade de 14
6C em relação à quantidade presente no mesmo organismo vivo
N(t) = N0 e-λt
t = - (T1/2/ln 2) ln(N/N0)
T1/2 = 5730 anos
Problema resolvido
● Um determinado fóssil tem 35% de Carbono-14, quando comparado com o mesmo organismo vivo. Qual a idade estimada para o fóssil?
Fissão Nuclear
● o núcleo-pai é quebrado em núcleos-filhos e nêutrons, liberando uma quantidade de energia
● pode ser espontânea rara) ou induzida por nêutrons que tornam o núcleo-pai instável
Energia liberada pela fissão nuclear
● massa dos núcleos filhos e nêutrons é menor do que a massa do núcleo-pai
● a diferença de massa equivale a uma energia E=mc2, que é liberada na forma de energia cinética dos filhos e energia de fótons
Reação em cadeia
● um único nêutron “lento” provoca uma fissão
● a fissão gera 3 nêutrons, cada um deles iniciando novas reações em cadeia
● energia liberada é multiplicada pelo número de núcleos envolvidos
● há a necessidade de uma “massa crítica”, para obtermos uma reação auto-sustentável
Energia nuclear
● fissão é induzida por nêutrons lentos (uso de um moderador), com energia da ordem de eV
● nêutrons rápidos não são capturados pelos núcleos
● energia cinética dos núcleos-filhos é igual a 217 MeV
● um único evento de fissão gera energia 200 milhões de vezes maior do que a energia do nêutron !
Usina Nuclear
● a energia cinética dos núcleos-filhos é convertida em calor
● um trocador de calor aquece água corrente, que move uma turbina a vapor (como numa usina termoelétrica)
● a energia elétrica é gerada por indução eletromagnética
Acidente de Chernobyl (Ucrânia)
● 26 de abril de 1986● usina sofreu interrupção de
resfriamento durante procedimento de rotina
● superaquecimento provocou explosão do núcleo do reator e derretimento do material físsil
● liberação de material radioativo e contaminação extensa numa grande área
Bomba atômica (de fissão)
● liberação violenta e descontrolada da energia proveniente da reação em cadeia de fissão do Urânio-235 (estimulada por nêutrons “lentos”)
● potência destrutiva medida em ton (= equivalente à explosão de uma tonelada de TNT)
● bomba de Hiroshima: 16 quilotons
Fusão Nuclear
● dois núcleos leves (deutério e trítio) fundem-se para formar um núcleo mais pesado (Hélio) e um nêutron
● diferença de massa corresponde a uma energia (cinética dos nêutrons)
Aplicações da fusão nuclear
● é o processo básico de produção de energia nas estrelas
● devido à alta temperatura o Hidrogênio estelar está na forma de plasma (gás ionizado)
● plasma é confinado pelo campo gravitacional da estrela
Bomba de hidrogênio
● fusão nuclear descontrolada
● fusão é iniciada por uma explosão a fissão
● libera quantidades de energia superiores às das bombas de fissão
● bomba H mais potente até hoje (= 58 Megatons)