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Reações Nucleares
Marcelo G. MunhozSetembro, 2006
Um pouco da história da Física Nuclear Como o núcleo atômico foi descoberto? Virada do século XIX para o século XX:
Mecânica; Termodinâmica; Eletromagnetismo.
Disputa entre atomistas e energeticistas;
Radioatividade Através de trabalhos de vários físicos, como
Röentgen, Becquerel, os Curies, etc. sabia-se que certos materiais podiam emitir partículas como elétrons (radiação β) e partículas-;
Não demorou muito para os físicos perceberem que uma maneira muito útil de estudar a estrutura atômica da matéria era através do “bombardeamento” dessas radiações em diversos materiais.
1904 - O Modelo Atômico de Thomson Philosophical Magazine,
7 (1904), 237 A partir da descoberta
dos elétrons (carga negativa corresponde a corpúsculos), Thomson propõe um modelo atômico, chamado de “pudim de passas”.
Como testar o modelo de Thomson? Através do
“bombardeamento” do átomo com diferentes partículas;
No caso do modelo de Thomson, se espera que as deflexões sejam pequenas: massa do elétron << massa da partícula-
Dados observados Geiger e Marsden (1909)
observam o resultado do bombardeamento de elétrons e partículas- em finas folhas de certos materiais;
Para a surpresa de todos, eles observam partículas espalhando em ângulos bastante traseiros
1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico Rutherford demonstra quantitativamente que
os resultados de Geiger e Marsden seriam obtidos a partir de novas hipóteses para o modelo atômico.
A partir dessas novas hipóteses, ele calcula quantas partículas- deveriam ser vistas em função do ângulo de espalhamento.
1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico As hipóteses para o modelo
atômico e a sua interação são: O átomo contém um núcleo de carga
+Ze e Z életrons orbitando a sua volta; O núcleo alvo não sofre recuo; A mecânica clássica é válida; O núcleo e a partícula incidente são
pontos; Somente a força Coulombiana agindo; Nenhuma mudança ocorre no estado
do alvo ou da partícula incidente;
Rutherford (1911)
Objetivo: calcular o número de partículas espalhadas em função do ângulo.
1o passo: o ângulo de espalhamento da partícula incidente depende da proximidade da colisão. Portanto, é preciso calcular o ângulo de espalhamento em função da proximidade, ou parâmetro de impacto, da colisão.
Mecânica Clássica (H. Goldstein, capítulo 3) Força central
que varia com o inverso da distância: órbita hiperbólica, onde O é o centro e S é o foco (localização da força central)
Rutherford (1911)
2o passo: Qual a probabilidade de uma partícula interagir com o núcleo e ser espalhada em um ângulo ?
Dados observados
Geiger e Marsden, em nova e mais precisa medida (1911), observaram que: A distribuição angular variava com 1/sen4(/2),
para 5o< <150o; A intensidade de partículas espalhadas era
proporcional a espessura da folha; A intensidade de partículas espalhadas era
proporcional a ao quadrado do peso atômico (medido para Al, Cu, Ag, Sn e Au).
Dimensões nucleares
A partir deste trabalho, Rutherford foi capaz de estimar o raio do núcleo, a partir da distância de maior aproximação:
Ele obteve valores da ordem de 10-15 m !!!
242
0
2
mvZzep
Unidades nucleares
Este é o fim da história? O modelo de Rutherford é apenas uma
aproximação; O núcleo como um sistema quântico:
Em experiências com Al, Rutherford já observa que seu modelo não é mais válido:
242
0
2
mvZzep
Como podemos estudar o núcleo? Interações eletromagnéticas:
Campos eletromagnéticos; Elétrons;
Observação do comportamento natural e dinâmico do núcleo;
Reações nucleares;
Reações Nucleares
Conceitos básicos para o estudo de reações nucleares: Seção de choque Cinemática de reações
Tipos de reações nucleares observadas;
Seção de choque
A seção de choque ( ) é tal que:
N = Número de partículas espalhadas ; I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área;
ou seja, ela fornece o número de partículas espalhadas na interação.
nIN
Seção de choque
A seção de choque diferencial (d/d) fornece o número de partículas espalhadas em um dado elemento de ângulo sólido d , ou seja:
I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área;
dnIdddN
Seção de choque
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
20
40
60
80
100
120
ERES
(MeV)EOUT
(MeV)
ELAB
= 100 MeV 208Pb(16O,16O) 40Ca(16O,16O) 28Si(16O,16O) 20Ne(16O,16O) 16O(16O,16O) 12C(16O,16O) 6Li(16O,16O)
LAB
COLISÃO DISTANTE
COLISÃO RASANTE
COLISÃO FRONTAL
ESPALHAMENTO ELASTICO
ESPALHAMENTO INELASTICO“STRIPPING”
“PICK-UP”
REAÇÕES DIRETAS
QUEBRA NUCLEAR (”BREAK-UP”)
NUCLEO COMPOSTO
FUSÃOFUSÃO INCOMPLETA
FISSÃO
TRANSFERENCIA DE NUCLEONS
FUSÃO COMPLETA
Aa
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A
A
A
AReações diretas (rápidas)
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A
A
A
AReações diretas (rapidas)
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A
A
A
AReações diretas (rapidas)
Aa
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A
A
A
AReações diretas (rapidas)
A
A
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N.CA+a
Fusão completa
N.C´A+x
N.CA+a
F 1
F2
Fusão Incompleta
FissãoProcessos estatísticos (lentos) via Núcleo Composto (N.C.)
A
A
Aa
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N.CA+a
Fusão completa
N.C´A+x
N.CA+a
F 1
F2
Fusão Incompleta
FissãoProcessos estatísticos (lentos)
A
A
Aa
antes depois
N.CA+a
Fusão completa
N.C´A+x
N.CA+a
F 1
F2
Fusão Incompleta
Fissão
Processos estatísticos (lentos)
Sumário
O estudo de reações nucleares é a melhor maneira se investigar e compreender o núcleo atômico e seus constituintes;
O entendimento de como ocorrem as reações nucleares pode elucidar muitos fenômenos que ocorrem na natureza, como aqueles ligados a astrofísica;
Ainda existem muitos problemas para serem resolvidos...