Núcleos atómicos e Radioactividade by Casa Ciências

Núcleos atómicos e Radioatividade Unidade III – Física Moderna 12º ano

Fonte: http://www.vivaterra.org.br/vivaterra_radioatividade.htm

Amélia Fabião

Fonte: http://pre-vestibular.arteblog.com.br/51825/Energia-Nuclear-Radioatividade/

Aceite para publicação em 22 de Setembro de 2011.

ÍNDICE O início Propriedades das emissões radioativas Energia de ligação nuclear e estabilidade dos núcleos Decaimento radioativo Lei do decaimento radioativo e período de semidesintegração Efeitos biológicos da radiação Radiação ionizante Radioatividade artificial Reacções nucleares

Referências Bibliográficas 3

O INÍCIO Em 1896 o físico francês Antoine Henri Becquerel observou que um composto do urânio - sulfato duplo de uranilo e potássio, K2(UO)2(SO4)2 apresentava a interessante característica de manchar uma chapa fotográfica mesmo no escuro e embrulhado em papel. Fonte: http://www.explicatorium.com/Antoine-Becquerel.php

Becquerel concluiu que o material emitia espontaneamente uma radiação penetrante até então desconhecida.

Tinha descoberto a radioatividade!

A descoberta de Becquerel provocou um grande interesse ao casal de cientistas Marie e Pierre Curie que trabalhava no mesmo laboratório de Becquerel.

Em 1898, o casal Curie após intensas pesquisas descobriu um elemento mais radioativo do que o urânio, elemento que denominou por Polónio, em homenagem ao país de origem de Marie Curie, logo após o casal descobriu outro elemento ainda mais radioativo que designou por Rádio. 5

Prémio Nobel da Física 1903 Henri Becquerel, Pierre Curie, Marie Curie Fonte: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1903/

Prémio atribuído pela descoberta da radioatividade espontânea e pela investigação relacionada com este fenómeno. 6

Em 1910 Marie Curie isolou um grama de rádio da pecheblenda, um minério de óxido de urânio. Em sete toneladas de pecheblenda existe somente cerca de 1 grama de rádio!

O Prémio Nobel de Química 1911 foi atribuído a Marie Curie, "em reconhecimento pelos seus serviços para o avanço da Química, pela descoberta dos elementos rádio e polónio, pelo isolamento do rádio, e pelo estudo deste elemento notável e dos seus compostos.” Prémio Nobel da Química1911 Marie Curie

Fonte: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1911 /

O rĂĄdio apresenta, naturalmente, uma temperatura ligeiramente superior Ă temperatura ambiente e um tom azulado luminescente.

Fonte: http://energianuclear.comli.com/Historia.html

O termo radioativo foi criado por Marie Curie para descrever substâncias nas quais os núcleos dos átomos são instáveis e podem alterar-se espontaneamente ou desintegrar-se, passando a constituir núcleos diferentes, emitindo radiações à medida que este processo se desenvolve.

Conjunto de três vídeos sobre a descoberta do rádio por Marie Curie (clicar na imagem)

PROPRIEDADES DAS EMISSÕES RADIOATIVAS Em 1900, Paul Villard, quando estudava as propriedades do rádio, verificou que este emitia algo que não era desviado por campos elétricos ou magnéticos. Villard supôs que se tratava de partículas. Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Paul_Ulrich_Villard

Em 1914 os físicos Ernest Rutherford e Edward Andrade mostraram que se tratava de radiação eletromagnética tendo medido o seu comprimento de onda. Foi Rutherford que designou este tipo de radiação por radiação gama . 11

A radioatividade consiste na transformação de um núcleo atómico acompanhada da emissão de partículas e/ou de radiação eletromagnética. A este processo também se chama decaimento.

Só em 1910, na sequência das experiências de Ernest Rutherford, se entendeu verdadeiramente a natureza das emissões radioativas. Prémio Nobel da Química 1908 Ernest Rutherford

Rutherford colocou uma pequena amostra de rádio num orifício feito num bloco de chumbo e fez passar a radiação emitida pela amostra entre duas placas eletricamente carregadas. Fonte: http://www.uc.cl/sw_educ/qda1106/CAP2/2B/2B1/index.htm

Colocou uma chapa fotográfica perpendicularmente ao feixe emitido e após este atravessar o campo elétrico, verificou que parte da radiação era desviada para a placa positiva, outra parte era desviada para a placa negativa e a restante não sofria qualquer desvio. 13

Rutherford concluiu que o feixe emitido pela fonte era constituído por: Partículas de carga positiva que designou por radiação α. Estas partículas eram desviadas para a placa negativa e sofriam um desvio menor o que indicava que tinham maior massa. Partículas de carga negativa que designou de radiação β. Estas partículas eram desviadas para a placa positiva e sofriam um desvio maior o que indicava que tinham menor massa. Partículas sem carga que designou por radiação γ. Esta partículas não sofriam qualquer desvio. 14

radiação α

4 2

2

Constituída por partículas (núcleos de hélio-4). As partículas alfa são as mais pesadas e, por isso, as mais lentas e pouco penetrantes. O seu poder de ionização é elevado pois a velocidade relativamente baixa das partículas α, faz com que o seu tempo de interação seja razoavelmente grande. 15

radiação α

4 2

2

A sua passagem pode ser impedida com uma simples folha de papel. Em geral não consegue ultrapassar as camadas externas de células mortas da pele de uma pessoa mas pode, ocasionalmente, penetrar no organismo através de um ferimento provocando reações químicas que alteram o mecanismo de divisão celular. 16

radiação β

0 1



As partículas que constituem a radiação β são eletrões (e-). Os eletrões, sendo partículas com menor massa do que as partículas α, têm maior velocidade e maior poder penetrante.

radiação β

0 1



Tem um poder ionizante menor pois tem menor carga e a probabilidade de colidir com os átomos da substância que atravessa é menor (possui menor massa). A radiação β não é absorvida por uma folha de papel como as radiação α, mas uma placa de chumbo com 1 mm de espessura é suficiente para impedir a sua passagem. 18

radiação γ



0 0

Trata-se radiação eletromagnética de pequeno comprimento de onda. É muito mais penetrante do que a radiação α ou β, devido à sua elevada velocidade. A “densidade de ionização” resultante é baixa quando comparada com as radiações α e β. Alguma radiação γ consegue atravessar uma placa de chumbo de 15 cm de espessura. 19

Fonte: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01101/radiacoes.html#Unidades de radiação

Fonte: http://biobcj.wikispaces.com/Radia%C3%A7%C3%A3o

Como se comportam as radiações α, β e γ quando lançadas num campo magnético uniforme numa direção perpendicular à do campo?

Raio da trajetória circular

mv R qB

Momento linear da partícula Produto da carga da partícula pela intensidade do campo magnético 22

ββ γ α

mv R qB

Fonte: http://www.drashirleydecampos.com.br/noticias/5647

Partículas  São ligeiramente defletidas por um campo magnético

Partículas  São fortemente defletidas por um campo magnético

Radiação  Não é defletida por um campo magnético

ENERGIA DE LIGAÇÃO NUCLEAR E ESTABILIDADE DOS NÚCLEOS A experiência crucial de Rutherford Rutherford bombardeou uma fina lâmina de ouro (0,0001 mm) com partículas α, emitidas pelo polónio, contido num bloco de chumbo. As partículas α saíam por uma pequena abertura estreita e incidiam na folha de ouro, acabando por colidir com um detetor de partículas (tela revestida de sulfureto de zinco). Constatou-se que havia partículas que sofriam desvios, chegando algumas a voltar para trás. 24

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Modelo_at%C3%B4mico_de_ Rutherford

Rutherford concluiu que o átomo é constituído por um núcleo, onde está concentrada a carga positiva, e por eletrões, partículas de carga negativa, que se movem à volta do núcleo (modelo planetário).

As experiências de Rutherford permitiram identificar o protão (1919) e prever a existência do neutrão (1920) que, posteriormente, foi identificado por Chadwick (1932). Prémio Nobel da Física 1935 James Chadwick

Clicar na imagem para ver vĂdeo sobre a experiĂŞncia de Rutherford:

Forças Fundamentais Exercem-se a distâncias inferiores ao tamanho do núcleo atómico. Descobertas no séc. XX

Força

Intensidade

Alcance

Gravitacional

10-40

Infinito

Eletromagnética

10-2

Infinito

Nuclear Forte

10-15 m

Nuclear Fraca

10-5

10-16 m

Responsável pela união dos protões e neutrões para formar o núcleo atómico.

Responsável por um processo radioativo, em que um neutrão passa a um 27 protão ou vice-versa.

A massa total de um núcleo é sempre menor do que a soma das massas dos seus nucleões.

Porquê? Quando um núcleo se forma a partir dos seus constituintes liberta-se energia – Energia de ligação nuclear. A energia de ligação nuclear é a energia libertada quando um núcleo se forma a partir dos seus constituintes ou a energia fornecida para desagregar um núcleo nas partículas constituintes. 28

E   m  c Energia libertada durante a formação do núcleo, também se representa B (binding do inglês).

Diminuição da massa no processo de formação do núcleo.

m  Zm p  Nmn  M Massa de Z protões

Massa do núcleo do átomo.

Massa de N neutrões

B   Zm p  Nmn  M  c

2 29

E E / nucleão   B/ A nº de nucleões Quanto maior for a energia de ligação por nucleão maior é a estabilidade do núcleo.

As energias mais elevadas dizem respeito a elementos com números de massa próximos dos do ferro-56 (entre 40 e 100), núcleos mais fortemente ligados. Para números de massa superiores, a energia decresce lentamente devido à repulsão eletrostática dos protões, que aumenta com Z2. Para números de massa muito elevadas (ex: urânio-235), a repulsão eletrostática torna-se tão intensa que um núcleo com A>300 é instável e tende a sofrer fissão espontânea.

A mais baixa energia de ligação por nucleão é a do núcleo do átomo de deutério, por isso, é relativamente fácil separá-lo nos seus constituintes. Se dois átomos de deutério se fundirem para formar hélio, como a energia de ligação deste é muito superior, liberta-se grande quantidade de energia (fusão nuclear). 32

A estabilidade/instabilidade do núcleo pode ser avaliada através do gráfico que representa o nº de neutrões em função do nº de protões e onde se realça uma faixa de estabilidade.

Para núcleos “pesados” a linha de estabilidade afasta-se da reta correspondente a N=Z

Porquê? 33

Devido ao facto dos protões possuírem carga eléctrica existe uma repulsão eletrostática entre eles cuja dependência é basicamente proporcional a Z 2 Se o número de neutrões for superior ao de protões, os neutrões compensam o aumento relativo da repulsão eletrostática entre os protões através da interacção neutrão-protão. Os nuclídeos estáveis mais pesados têm sempre um número de neutrões superior ao número de protões. 34

PROCESSOS DE ESTABILIZAÇÃO DOS NÚCLEOS: DECAIMENTO RADIOATIVO

Lead (chumbo) Fonte: http://pion.sbfisica.org.br/pdc/index.php/por/Multimidia/Charges/Fisica-Moderna-e-Contemporanea/Decadencia

Todos os elementos que existem na Natureza com Z>83 são radioativos. Em muitos elementos com número atómico menor, como por exemplo o carbono (isótopo carbono-14), também se observam decaimentos. Dos mais de 3000 nuclídeos conhecidos, apenas cerca de 266 são estáveis. Todos os outros são radioativos. 36

Decaimento α A Z

X 

234 90

Th 

A -4 Z-2

Y 

4 2

Exemplo: 238 92

U 

4 2

He Fonte: António, M., & Bruno, R. (2005). Física. Lisboa: ASA Editores, S.A.

É vulgar em elementos pesados nos quais a força nuclear forte não consegue manter unidos os protões e neutrões. A energia com que as partículas  são libertadas é muito elevada porque é grande a diferença entre a massa do núcleo original e a soma das massas dos produtos de decaimento. 37

Decaimento  -

Exemplo:

Fonte: António, M., & Bruno, R. (2005). Física. Lisboa: ASA Editores, S.A.

Trata-se do decaimento de um núcleo instável com excesso de neutrões, em que um neutrão origina um protão, um eletrão e um anti-neutrino. 1 1 0 0

n  1 p  -1e   e

A propósito de anti-neutrinos …

Fonte: http://www.lip.pt/~pedros/aux/psilva_LHC.pdf

Os neutrinos não possuem carga eléctrica. Cada tipo de neutrino está relacionada a uma partícula carregada (que dá o nome ao correspondente neutrino). Existem três tipos de neutrinos, um associado ao eletrão e os outros dois associados a versões mais pesadas do eletrão, o muão e do tau. Neutrinos, saber mais … (Aprofundamento elevado) 40

Decaimento  +

Exemplo:

Fonte: António, M., & Bruno, R. (2005). Física. Lisboa: ASA Editores, S.A.

Trata-se do decaimento de um núcleo instável com falta de neutrões, em que um protão é convertido num neutrão, num positrão e num neutrino. 1 1

p  01 n 

  e

0 1

Decaimento  A Z

X  *

A Z

X  

Exemplo: 222 86

Ra  *

222 86

Ra   Fonte: António, M., & Bruno, R. (2005). Física. Lisboa: ASA Editores, S.A.

No decaimento , um isótopo radioativo num estado excitado decai para um estado de menor energia, emitindo um ou mais fotões, radiação , com certa frequência. A energia do fotão é cerca de um milhão de vezes superior ao fotão emitido por um átomo. 42

Gráfico que representa o número de neutrões em função do número de protões para vários isótopos

Maciel, N., Vilate, J., Azevedo, C., Barbosa, & F. (2009). Eu e a Física 12. Porto: Porto Editora.

LEI DO DECAIMENTO RADIOATIVO E PERÍODO DE SEMIDESINTEGRAÇÃO A ocorrência de decaimento de um núcleo é aleatória. O decaimento radioativo é um processo estatístico Lei do decaimento radioativo Nº de núcleos radioativos presentes na amostra no instante t

N  N 0e

 t

Nº de núcleos radioativos presentes na amostra no instante t = 0 s

Constante de decaimento É uma característica da substância 44

Período de semidesintegração ou tempo de meia-vida ,T1/2 ,é o intervalo de tempo necessário para que metade dos componentes da amostra se desintegre.

N0 T1 / 2  N 0e 2

1 ln  T1 / 2 2

T1 / 2

ln 2  

Tempo médio de vida

N  N 0e N  N 0e

 t

1  

1  

O tempo médio de vida é o intervalo de tempo necessário para que a amostra radioativa se reduza a cerca de 37% da sua composição inicial

 N  0,368 N o 46

Tempo de meia-vida de alguns nuclĂdeos:

Fonte: http://www-usr.inf.ufsm.br/~rose/curso3/cofre/exemplos/qui_roteiro_ex4.pdf

Atividade de uma amostra radioativa A atividade, A, de uma amostra radioativa é o número de decaimentos por unidade de tempo ou seja, é a taxa de decaimento, R.

N  N 0e

 t

A unidade SI de actividade é o becquerel (Bq) 1 Bq = 1 desintegração s-1

dN  t R  N 0 e dt R  N 48

Clicar na imagem para ver animaĂ§ĂŁo sobre a lei do decaimento radioativo:

Clicar na imagem para ver animaĂ§ĂŁo sobre o decaimento alfa:

EFEITOS BIOLÓGICOS DA RADIAÇÃO Os efeitos das radiações sobre os seres vivos são muitos e complexos. Os efeitos biológicos da radiação são devidos principalmente à ionização que ao alterar os átomos, pode alterar a estrutura das moléculas que os contêm e, consequentemente, as células.

Podem ocorrer graves alterações nas moléculas nomeadamente na molécula de DNA!

Fonte: http://gifs-animados.lwam.com.br/gif-animado-de-uma-molecula-de-dna-em-3d/

Os efeitos biológicos da radiação dependem:  do ser vivo; do tipo de célula ou tecido; da dose de radiação absorvida; do tipo de radiação. Dose de radiação absorvida 

Energia absorvida Massa do material

Louis Harold Gray (1905–1965) http://ukma.org.uk/british-scientists

A unidade do SI o gray (Gy)

1Gy 

1J ou  m 2 / s 2  1kg

Dose - equivalente biológica  Dose de radiação absorvida  RBE

Indica o grau de danos biológicos causados pela radiação ionizante

Fator de eficácia biológica relativa

RBE (Relative Biological Effectiveness) - fator que compara a dose da radiação necessária para produzir um certo efeito biológico com a dose de raios X de 200 keV necessária para produzir os mesmos efeitos.

D raios X RBE  D radiação

A unidade do SI de dose-equivalente biológica é o sievert (Sv)

1 Sv  1 Gy  RBE Rolf Maximilian Sievert (1896 – 1966)

1Sv  1J/kg

De acordo com as recomendações da Comissão Internacional de Proteção Radiológica a máxima exposição permitida ao ser humano não deve ultrapassar 1 mSv por ano. 54

Efeito biolรณgico crescente Fonte: http://pt.scribd.com/doc/49774282/12-Dosimetria-da-radiacao

RADIAÇÃO IONIZANTE Fontes de radiação ionizante

Natural

Radiação terrestre Radiação cósmica Alimentação

Artificial

Aparelhos de raios X Isótopos radioativos Reatores nucleares

Fonte de radiação ionizante

Radiação terrestre Todos os elementos químicos naturais foram sintetizados logo após o Big Bang (nucleossíntese primordial), durante a evolução das estrelas (nucleossíntese estelar) ou em meio estelar.

Muitos dos nuclídeos então formados eram radioativos, os quais foram decaindo para núcleos estáveis. Alguns dos nuclídeos radioativos têm tempos de meia-vida longos quando comparados com a idade da Terra, daí que se possam observar ainda hoje. 57

Existem quatro cadeias ou sequências de decaimento naturais independentes.

A cadeia do Neptúnio não existe naturalmente uma vez que o Neptúnio - 237 tem um tempo de meia-vida muito inferior à idade da Terra. Fonte: Oliveira, C. (2006). A Radioactividade e o Ambiente no Ensino Secundário, Dissertação de Mestrado. Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. (Versão electrónica)

NOTA: O conteúdo deste diapositivo não faz parte do Programa de Física do 12º ano. 58

Exemplo de uma cadeia de decaimento:

Fonte: http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/fisica-nuclear/fisica-nuclear-4.php

NOTA: O conteúdo deste diapositivo não faz parte do Programa de Física do 12º ano.

Os nuclídeos radioativos de longa-vida estão presentes nas rochas e minerais que se formaram com a Terra.

Os elementos radioativos estão fortemente ligados aos minerais e geralmente não são perigosos para a saúde humana mas envolvem a emissão de elementos gasosos radioativos como, por exemplo, o radão. A libertação de radão para a atmosfera depende da permeabilidade e porosidade dos solos e rochas.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Granito

RADÃO. Saber mais… 60

Radiação cósmica

Fluxo primário de partículas de alta energia que incide continuamente sobre a Terra provenientes do espaço interestelar. Radiações secundárias originadas a partir das interações das partículas primárias com a atmosfera. Uma parte da radiação cósmica não atinge a superfície da Terra, devido ao Campo Magnético Terrestre. 61

Alimentação Os nuclídeos naturais radioativos que se encontram na crosta terrestre são absorvidos por plantas e animais e dissolvidos na água entrando na cadeia alimentar dos seres humanos.

Fonte: Oliveira, C. (2006). A Radioactividade e o Ambiente no Ensino Secundário, Dissertação de Mestrado. Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. (Versão electrónica)

Aparelhos de raios X

Fonte: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod05/m_s01.html

Os eletrões submetidos a tensões elevadas são disparados contra uma superfície metálica, dentro de um tubo de vidro onde se fez o vácuo. Na colisão, os electrões transferem energia para os átomos do alvo metálico, que ficam excitados. Na desexcitação há emissão de energia por radiação X.

Processo inverso ao efeito fotoelétrico

Detetores de radiação ionizante

Fonte: http://www.fcf.usp.br/Ensino/Graduacao/Disciplinas/LinkAula/My-Files/Detectores.htm

Contador de Geiger- Müller O contador de Geiger- Müller foi imaginado por volta de 1913 por Hans Geiger e foi aperfeiçoado por Geiger e Walther Müller em 1928.

Fonte: Wikipédia

Fonte: http://mfisica.nonio.uminho.pt/biografias/alfa/bio_alf_m.html

O contador de Geiger-Müller deteta radiações ionizantes do tipo alfa, beta, gama e raio-X.

O contador não permite medir a energia das partículas fazendo apenas uma contagem das partículas que a ele chegam.

A janela do detetor é a zona por onde entram as partículas a detetar.

Fonte: http://aulasdefisicafelipe.blogspot.com/

O tubo de GM é cheio com uma mistura de gases.

No eixo do cilindro é colocado um fio rígido, eletricamente isolado do corpo do detetor. Entre o fio central (ânodo) e o corpo cilíndrico (cátodo) é aplicada uma diferença de potencial (da ordem das centenas de volt). 67

Quando uma partícula carregada penetra no tubo produzem-se ionizações. Os eletrões libertados são muito acelerados, dirigindo-se para o fio central (ânodo). Os eletrões, no seu percurso, chocam com os átomos do gás, de que resultam outras ionizações o que faz com que chegue ao fio uma avalanche de cerca de um milhão de eletrões. Estes choques produzem um aumento de corrente no fio central. Os impulsos elétricos obtidos desta forma são amplificados e contados. 68

Vantagens da utilização da radiação ionizante: Alguns exemplos Na agricultura - como medida fitossanitária para tratamento de produtos veiculadores de pragas

Fonte: http://defesa-fitossanitaria.blogspot.com/2008/11/radiao-ionizante-como-m edida.html

Na conservação de alimentos

Fonte: http://ciencia.hsw.uol.com.br/radiacao3.htm

Nos detetores de fumo

Fonte: http://casa.hsw.uol.com.br/detectores-de-fumaca4.htm

Na datação

Fonte: http://www.mundoeducacao.com.br/quimica/os-elementos-quimicos-radioativos.htm

Na indústria (por exemplo na esterilização) Fonte: http://portaldaradiologia.blogspot.com/2010/10/esterilizacao-por-radiac ao-ionizante-e.html

Na medicina …. Tomografia por positrões (PET).

emissão

Tomografia axial computorizada (TAC). Ressonância magnética. Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Tomografia_por_emiss%C3%A3o_de_positr%C3%B5es

Na medicina …. Marcadores usados em medicina como meios de diagnóstico Devido

à emissão de radiação é possível seguir o trajecto de substâncias radioativas no interior do organismo o que permite observar o funcionamento de determinados órgãos e observar lesões.

O iodo-131 tem sido usado para testar a atividade da glândula tiróide. Fonte: http://www.brasilescola.com/quimica/elemento-iodo.htm

Instituto Tecnológico e nuclear 72

RADIOATIVIDADE ARTIFICIAL A primeira transmutação de elementos sem ser por um processo de decaimento radioativo foi obtida por Rutherford, em 1919, ao bombardear núcleos de azoto14, com partículas , emitidas por nuclídeos radioativos naturais.

14 7

N

4 2

He  H  1 1

17 8

O 73

Em 1916 Irène Curie, filha de Marie e Pierre Curie, abandona os seus estudos de Física e Matemática, na Universidade Sorbonne, para trabalhar como enfermeira radiológica ajudando Marie Curie a salvar a vida de muitos feridos durante a Primeira Guerra Mundial.

Marie e Irene Curie no Instituto de Rádio Fonte: http://biography4u.com/marie-curie.html

Em 1918 Irène Curie integra a equipa do Instituto de Rádio como assistente de Marie Curie.

Em 1934, Irène Curie e seu marido Frederic Joliot Curie, descobriram o primeiro isótopo artificial (fósforo-30) ao bombardearem alumínio27 com partículas alfa.

27 13

Al 

4 2

He 

Fonte: http://web.me.com/patandmel/UTexas_Physics_History/C%C3%A9cile_ DeWitt-Morette.html

30 15

P  n 1 0

Prémio Nobel da Química 1935 Frédéric Joliot, Irène Joliot-Curie

O Prémio Nobel de Química 1935 foi atribuído conjuntamente a Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie "em reconhecimento por terem conseguido a síntese de novos elementos radioativos”. Fonte: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1935/joliot-curie.html

REAÇÕES NUCLEARES

Reações nucleares

Cisão ou fissão Nuclear Fusão Nuclear

Lise Meitner e Otto Hahn colaboraram entre si no estudo da radioatividade. A descoberta da fissão nuclear foi anunciada por L. Meitner no início do ano de 1939.

Fonte: http://pt.wikipedia.org/wiki/Lise_Meitner

O Prémio Nobel de Química 1944 foi atribuído a Otto Hahn "pela descoberta da fissão de núcleos pesados". Fonte: http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1944/

The Nobel Prize in Chemistry 1944 Otto Hahn 78

Cisão Nuclear

U  n  Kr 

235 92

1 0

92 36

Ba  3 n

141 56

1 0

Reação em cadeia 79

Clicar na imagem para ver animação sobre cisão nuclear:

O urânio encontra-se na natureza numa mistura de 99,3% de urânio-238 e apenas 0,7% de urânio-235. O urânio-238, ao contrário do urânio-235, não possui grande poder de cisão.

Mina de extração de urânio

Fonte: http://jorgeluizfiqueinformado.blogspot.com/2009/11/bahiauranio-de-caetitesera-extraido-de.htm

A matéria prima para a obtenção de combustível nuclear nos reatores nucleares é o UO2, no entanto este óxido é muito pobre em 235U.

É necessário efectuar o enriquecimento de urânio (separação do urânio-238 do urânio-235). Dióxido de urânio empilhado em tubos de zircónio, de 4 metros de comprimento. fonte: http://www.astronoo.com/articles/energiaNuclear-pt.html

Difusão gasosa ou ultra-centrifugação

Clicar na imagem para ver como funciona um reator de cisĂŁo nuclear:

Fusão Nuclear Atualmente está em construção, em França, um reator experimental de fusão nuclear (International Tokamak Experimental Reactor, ITER), no qual participam a União Europeia, os Estados Unidos, a Rússia, a Índia, a China e a Coreia do Sul.

Espera-se que este reator comece a operar em 2027.

Fonte: www.iter.org

ITER saber mais… 84

Fusão Nuclear

Este é o processo de fusão que ocorre no Sol

É muito lento para produzir energia nos reatores nucleares. 85

Reações mais adequadas para se obter energia num reator nuclear de forma controlada

Fonte: www.iter.org 2 1

H

2 1

H  23He  n (liberta - se a energia de 3,3 MeV)

2 1

H

2 1

H  31H  11H (liberta - se a energia de 4,0 MeV)

2 1

H

3 1

H  42 He  n (liberta - se a energia de 17,6 MeV) 86

Clicar na imagem para ver animação sobre fusão nuclear:

Vantagens das centrais de fusão nuclear:

Utilizam como combustível o

hidrogénio, em alternativa aos combustíveis radioativos; Fonte: http://astro.if.ufrgs.br/estrelas/node12.htm

Não

produzem resíduos radioativos de vida longa;

Fonte: http://www.ecodebate.com.br/2009/06/26/o-que-fazer-com-250-mil-toneladas-de-residuos -nucleares

Vantagens das centrais de fusão nuclear:

Fonte: http://www.astronoo.com/articles/fissaoFusao-pt.html

Em

caso de acidente não ocorrem os problemas ambientais associados às centrais de cisão nuclear. Fonte: http://www.outraspalavras.net/files/2011/05/110505-FukushimaB.jpg

Dificuldades tecnológicas da fusão nuclear: Para atingir a fusão controlada é necessário sujeitar a matéria a temperaturas muito elevadas (150 milhões de graus Celsius), altas densidades e durante um intervalo de tempo suficientemente longo. O plasma é contido pelo intenso campo magnético gerado pelo Tokamak. O isolamento magnético permite que se alcancem altas temperaturas, impedindo o combustível da reação de danificar o reator. Fonte: http://www.iter.org/sci/plasmaheating Foto: EFDA

Clicar na imagem para ver vídeo sobre fusão nuclear:

Clicar na imagem para aceder à página do Centro de Fusão Nuclear:

Referências Bibliográficas Andrade, J. P., & Sá, A. (s.d.). Radioisótopos e sociedade: o legado de Marie Curie 100 anos depois. Boletim da Sociedade Portuguesa de Química . Versão eletrónica (http://www.spq.pt/boletim/docs/boletimSPQ_120_031_0 9.pdf) António, M., & Bruno, R. (2005). Física. Lisboa: ASA Editores, S.A. Born, M. (1986). Física Atómica. Lisboa: Fundação Calouste Gulbenkian. Caldeira, H., Bello, A., & Gomes, J. (2009). Ontem e Hoje Física. Porto: Porto Editora. 93

Chang, R. (1994). Química. Lisboa: McGraw-Hill. Lima, A. (2007). As Radiações no Ensino Básico e Secundário, Dissertação de Mestrado. Departamento de Física da Universidade de Coimbra. (Versão electrónica) Maciel, N., Vilate, J., Azevedo, C., Barbosa, & F. (2009). Eu e a Física 12. Porto: Porto Editora. Oliveira, C. (2006). A Radioactividade e o Ambiente no Ensino Secundário, Dissertação de Mestrado. Departamento de Física da Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa. (Versão electrónica)

Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., & Paixão, J. (2005). 12F. Lisboa: Texto Editores, LDA. Ventura, G., Fiolhais, M., Fiolhais, C., Paiva, J., & Ferreira, A. (2007). 10 FA Física. Lisboa: Texto Editores. Xavier, A. M., Lima, A. G., Vigna, C. R., Verbi, F. M., Bortoleto, G. G., Goraieb, K., et al. (Janeiro/Fevereiro de 2007). Marcos da história da radioatividade e tendências atuais. Química Nova .Versão eletrónica . (http://www.scielo.br/scielo.php? pid=S010040422007000100019&script=sci_arttext)