Prévia do material em texto

Prof. Lucio Leonardo
UNIDADE III
Noções de Física Nuclear
 Decaimento alfa (a).
 Decaimento beta menos (b-).
 Decaimento beta mais (b+).
 Decaimento gama (g).
5. Decaimentos nucleares
Fonte: 
https://commons.wi
kimedia.org/wiki/Fil
e:Generic_Decay_
Scheme-de.svg
Diagrama Energia x Número atômico 
dos principais modos de decaimento
Alfa Beta menos
Beta mais
GamaE
n
e
rg
ia
Número atômico
 Forma geral do decaimento alfa
 Em que Q: energia do decaimento.
5.1 Decaimento alfa (a)
Logo, o cálculo de Q será:
5.1 Decaimento alfa (a)
 Decaimento alfa – emissão de partícula a com recuo do núcleo filho.
5.1 Decaimento alfa (a)
Decaimento
a
vY
vαNúcleo filho
Fonte: autoria própria
Núcleo pai
 Sistema isolado
5.1 Decaimento alfa (a)
a velocidade de recuo do núcleo filho vY:
Substituindo na equação de Q:
Logo, a energia associada 
à partícula alfa é:
5.1 Decaimento alfa (a)
Analogamente se deduz a 
expressão da energia cinética do 
núcleo filho:
Energia cinética da 
partícula a
Energia cinética de 
recuo do núcleo 
filhoPortanto:
Decaimento alfa
Energias discretas
 Espectro monoenergético de emissão alfa
5.1 Decaimento alfa (a)
209Po, 210Po, 239Pu e 241Am
Fonte: 
https://upload.wikimedia.org/wiki
pedia/en/9/9c/Alpha5spec.png-
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
In
te
n
s
id
a
d
e
4000 4200 4400 4600 4800 5000 5200 5400 5600 5800 6000 
Energia das partículas alfa (keV)
209Po 210Po
241Am
239Pu
 Espectro de emissão beta do radionuclídeo 210Bi
5.2 Decaimento beta (a)
5.2.1 Decaimento b-
Energia (105 eV)
Fonte: http://faraday.fc.up.pt/Faraday/Recursos/artigos/neutrino.pdf/view
1931 – Pauli e Fermi: outra 
partícula: neutrino
1956 – detecção do neutrino: 
Cowan e Reines
Espectro contínuo –
Chadwick – 1914
???
(Princ. cons. de energia)
b- idêntica ao −𝟏
𝟎𝒆
 Esquema do decaimento beta menos
5.2 Decaimento beta (b)
5.2.1 Decaimento b-
antineutrino
Energia da emissão: distribuída entre a partícula beta 
e o antineutrino.
Energia máxima de β-, o neutrino possui energia zero 
(e vice-versa).
Distribuição de energia não é uniforme: maior 
intensidade correspondente à energia média de 
emissão β-.
Espectro contínuo
 Emissão beta menos: núcleos com excesso de nêutrons
5.2 Decaimento beta (b)
5.2.1 Decaimento b-
Núcleo filho
Núcleo pai
b -
Decaimento b -
ҧ𝜐
Fonte: autoria própria
Sobre os decaimentos alfa e beta menos, são feitas as afirmações a seguir:
I. O espectro de emissão beta é discreto.
II. Na emissão alfa, nêutrons se transformam em prótons no núcleo.
III. A emissão beta menos é característica de núcleos com excesso de nêutrons.
É correto apenas o que se afirma em:
a) I.
b) I e III.
c) I, II e III.
d) III.
e) I e II.
Interatividade
Emissão beta mais: núcleos com excesso de prótons: 
5.2 Decaimento beta (b)
5.2.2 Decaimento b+
Núcleo filho
Núcleo pai
b+
Decaimento b +
𝜐
Fonte: autoria própria
Esquema do decaimento b+: 
Condição energética mínima:
5.2 Decaimento beta (b)
5.2.2 Decaimento b+
 O decaimento b+ foi observado primeiramente pelo casal Frederic e Irene Joliot-
Curie, em 1934, após a formação do elemento radioativo artificial
 Prêmio Nobel de Química de 1935.
5.2 Decaimento beta (b)
5.2.2 Decaimento b+
Fonte: 
https://tse3.mm.bing.net/t
h?id=OIP.V3LRh5o2wlEx
8GdzHeLBJAAAAA&pid=
15.1&P=0&w=184&h=158
 Devido ao fator de limite mínimo de energia para a emissão b+.
 Outro processo que pode ocorrer quando existe uma instabilidade nuclear devido 
ao número de prótons ser maior que o número de nêutrons.
5.3 Captura Eletrônica (CE)
captura eletrônica
Esquematicamente CE:
Energia no processo de CE:
5.3 Captura Eletrônica (CE)
 Captura eletrônica de elétron da camada K com emissão de neutrino e posterior 
emissão de raio X. 
5.3 Captura Eletrônica (CE)
M
L
K
RX
Fonte: autoria própria
Obs.: Efeito Auger: a emissão de um ou mais elétrons de 
camadas superiores devido ao excesso de energia. 
 Estado excitado do núcleo 
após emissão a ou b
 reações induzidas por nêutrons, 
fissão e fusão nuclear
5.4 Decaimento gama (g)
emissão de fótons 
de radiação gama 
modo de relaxamento de vários 
estados excitados do núcleo 
atômico que segue outros tipos de 
decaimento
 A energia associada a uma radiação eletromagnética 
5.4 Decaimento gama (g)
𝐸: energia (J)
ℎ: constante de Planck = 6,62607.10-34 J.s
𝑐: velocidade da luz = 2,99792458 m/s2
 Esquema de decaimento do 60Co
5.4 Decaimento gama (g)
Fonte: 
https://upload.wikimedia.org/
wikipedia/commons/thumb/e/
e0/Cobalt-
60_Decay_Scheme.svg/2000
px-Cobalt-
60_Decay_Scheme.svg.png 
 Espectro de emissão do 60Co
5.4 Decaimento gama (g)
Fonte: 
https://upload.wikimedi
a.org/wikipedia/commo
ns/8/88/60Co_gamma_
spectrum_energy.png
2500
2000
1500
1000
500
0
E
v
e
n
to
s
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 
Energia (keV)
 Processo competitivo com emissão gama
 Excesso de energia na forma de 
radiação eletromagnética que interage 
com o elétron orbital, geralmente da 
camada K, ejetando-o do átomo 
com elevada energia cinética.
5.5 Conversão Interna (CI)
95% emissão g
5% conversão interna
elétron de 
conversão 
interna
Equação da energia na conversão interna:
5.5 Conversão Interna (CI)
Processo de conversão interna:
 Fóton interage com elétron da camada 
eletrônica ejetando-o. 
 Ocorre redistribuição de elétrons entre 
as camadas.
5.5 Conversão Interna (CI)
Fonte: autoria própria
Elétron de CI M
L
K
Um processo que ocorre em núcleos instáveis com excesso de prótons em que um 
elétron orbital da camada K participa e há a emissão de um neutrino denomina-se:
a) Decaimento gama.
b) Captura eletrônica.
c) Conversão interna.
d) Decaimento beta mais.
e) Decaimento alfa.
Interatividade
 Processos pelos quais a estrutura e a energia contendo no núcleo dos átomos são 
modificadas por interação com outro núcleo ou partícula.
 Energia nuclear para produção de energia elétrica. 
 Produção de radiofármacos para a medicina nuclear. 
 Uso industrial das radiações nucleares.
6. Reações nucleares
todas as aplicações 
da física nuclear 
A importância de seu estudo 
Representação:
6. Reações nucleares
partícula incidente x no 
núcleo alvo X 
outro núcleo Y e partícula yresultando em 
Forma simplificada:
Resultados possíveis:
6. Reações nucleares
1) X+x
2) X*+x
3) Y+y
4) Z+z etc.
x + X
Partícula elementar
Próton
Nêutron
Núcleos
Radiação gama
colisão elástica
colisão inelástica
transmutação do núcleo
transmutação do núcleo
Núcleo composto (< 10-19 s) 
 Reação nuclear 14N(a,p)17O com representação do núcleo composto.
6. Reações nucleares
Fonte: autoria própria
𝛼
8
17𝑂
7
14𝑁 9
18𝐹 𝑝
Projétil
Núcleo produto
Núcleo alvo Núcleo composto
Partícula ejetada
 Diferença entre as energias de ligação dos reagentes e dos produtos calculados 
em termos da equivalência entre massa e energia.
6. Reações nucleares
6.1 Energia Q de uma reação nuclear
Sinal do valor de Q:
 𝑄 > 0 → reação exoérgica (reação espontânea com liberação de energia) – há 
conversão de parte da massa de repouso em energia cinética.
 𝑄 < 0 → reação endoérgica (para a reação ocorrer há inserção de energia) – o 
valorde 𝑄 é numericamente igual à energia cinética convertida em massa de 
repouso na reação.
 𝑄 = 0 → reação de espalhamento elástico.
6. Reações nucleares
6.1 Energia Q de uma reação nuclear
 Energia limiar
6. Reações nucleares
6.1.1 Energia limiar de uma reação nuclear
Reações endoérgicas
Energia cinética mínima que a partícula 
projétil necessita para iniciar a reação
Obs.: núcleo alvo está em repouso e a 
partícula incidente está com velocidade 𝑣. 
Momento projétil igual ao momento 
núcleo composto.
Define-se seção de choque geométrica de reação nuclear (s):
 Razão entre o número de reações que ocorrem num núcleo alvo a cada segundo 
pelo número de partículas incidentes a cada cm2 por segundo. 
6. Reações nucleares
6.2 Seção de choque de reação nuclear – s 
A unidade de área definida para seção de 
choque é o bar:
1 bar = 10-24 cm2 = 10-28 m2
6. Reações nucleares
6.3 Reação de fissão nuclear
Porcentagem de formação dos fragmentos de 
fissão para os alvos 233U, 235U e 239Pu.
Fonte: 
https://commons.wikim
edia.org/wiki/File:Ther
malFissionYield.svg
Reação nuclear em cadeia
 Um nêutron incidente fissiona o 
núcleo alvo em dois fragmentos 
de fissão e liberação de dois 
nêutrons com energia 
suficiente para 
continuar a reação.
6. Reações nucleares 
6.3 Reação de fissão nuclear
Fonte: autoria própria
137
55
Cs
235
92
U
97
37
Rb
n
n
n
Das reações nucleares a seguir, aquela impossível de ocorrer é:
a) 59Co(n,g)60Co.
b) 32S(n,p)32P.
c) 27Al(n,a)24S.
d) 14N(p,a)17O.
e) 18O(p,n)18F.
Interatividade
 Colisão de dois núcleos formando um núcleo mais pesado.
 Energia cinética dos núcleos deve ser maior que a força de repulsão 
coulombiana de forma que passe a atuar a força forte de curto alcance. 
6. Reações nucleares 
6.4 Reação de fusão nuclear
A energia cinética necessária (forma aproximada): 
6. Reações nucleares 
6.4 Reação de fusão nuclear
 Nucleossíntese
6. Reações nucleares 
6.4 Reação de fusão nuclear
Fonte: 
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/c
ommons/thumb/7/78/FusionintheSun.sv
g/2000px-FusionintheSun.svg.png 
 Reação nuclear controlada – moderação de nêutrons.
 Produção de energia.
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.1 Reatores nucleares à fissão
Fonte: 
https://upload.wikimedi
a.org/wikipedia/commo
ns/c/c6/Angra_dos_Re
is_-
_usinas_nucleares.jpg
 Reatores de pesquisa
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.1 Reatores nucleares à fissão
Fonte: 
https://sciencedocbox.com/Chemistry/
70351341-Ipen-cnen-sp-f-a-genezini-
1-a-j-fernando-1-a-marra-neto-1-p-e-
aoki-2-w-a-p-calvo-2.html
Nome Aplicação Potência Localização Tipo 
Ipen/MB01 Instalação crítica; 
Análise do núcleo 
PWR 
100 W Ipen-CNEN/SP Pin-núcleo 
aberto 
Argonauta Pesquisa e 
Treinamento 
500 W IEN-CNEN/RJ Argonauta 
IPR-R1 Pesquisa e 
Treinamento 
100 kW CDTN-
CNEN/MG 
Triga-Mark-1 
IEA-R1 Produção de 
Radioiótopos, 
Pesquisa e 
Treinamento 
5 MW Ipen-CNEN/SP Piscina-núcleo 
MTR 
 Fontes: https://www.ipen.br/portal_por/portal/interna.php?secao_id=421&
campo=4 
https://www.ipen.br/portal_por/portal/interna.php?secao_id=654 
https://www.ipen.br/portal_por/portal/interna.php?secao_id=674&
campo=1622 
https://www.ipen.br/portal_por/portal/interna.php?secao_id=8&ca
mpo=10414
 Reator BWR – reatores de 1a geração – água armazenada no reator – aquecida 
por condução no circuito primário do reator. 
 Reator PWR – a água – alta pressão (> 100 oC). Circuito secundário de água: o 
calor é trocado e se forma o vapor que acionará as turbinas. Um terceiro circuito 
utiliza água externa para o 
resfriamento da água do 
circuito secundário.
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.1 Reatores nucleares à fissão
Fonte: 
https://brasilesc
ola.uol.com.br/q
uimica/reator-
nuclear.htm
Vaso de contenção em aço
Barra
de
controle
Barra
de
combustível
Gerador de
eletricidade
Bomba
Água fria
Condensador
Torre
de
resfriamento
BombaBomba
Reator
Água quente
356ºC pressurizada
Gerador 
de vapor
Vapor
Turbina
a
vapor
Rio, lago ou mar
 Confinamento magnético de plasma. 
 Reatores de fusão nuclear tipo Tokamaks. 
 Vantagem: uso de elementos leves. 
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.2 Reatores nucleares à fusão
Fonte:
https://flickr.com/p
hotos/37916456@
N02/9786811206 
obtenção de energia 
elétrica de forma 
autossustentável
FUTURO 
 Aceleradores de partículas.
 Cíclotron.
 11C, 13N, 15O, 18F, 57Co, 67Ga, 77Br, 109Cd, 111In, 117mSn, 123l 
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.3 Produção de radioisótopos
Fonte:
https://www.ipen.br/
portal_por/portal/inte
rna.php?secao_id=7
91&campo=5060
Ciclotron modelo 
Cyclone 18, do 
Ipen-CNEN/SP.
 O uso bélico da energia nuclear.
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.4 Artefatos nucleares
Fonte:
https://www.atomicheritage.org/history/debat
e-over-bomb-annotated-bibliography; 
https://apimagesblog.com/blog/2015/08/04/a
tomic-bombs-on-japan-70th-anniversary 
https://www.atomicheritage.org/history/survi
vors-hiroshima-and-nagasaki
 O uso bélico da energia nuclear.
 Bomba atômica.
 Bomba H.
6. Reações nucleares 
6.5 Aplicações das reações nucleares
6.5.4 Artefatos nucleares
Fonte:
https://www.atomicheritage.org/sites/
default/files/Fat%20Man.jpg -
https://www.atomicheritage.org/histor
y/surveys-hiroshima-and-nagasaki
Fonte: 
http://www.bbc.co.uk/newsbeat/artic
le/35242069/what-is-an-h-bomb
Sobre as aplicações das reações nucleares, são feitas três afirmações: 
I. Aceleradores de partículas são capazes de promover reações do tipo X(n,p)Y.
II. Reatores nucleares podem ser utilizados para fornecer radioisótopos em 
medicina nuclear. 
III. As reações nucleares de fusão ocorrem predominantemente com núcleos leves.
Está correto apenas o que se afirma em:
a) I.
b) I e II.
c) II e III.
d) I e III.
e) I, II e III.
Interatividade
ATÉ A PRÓXIMA!