Energia Na Agricultura - A7

ENERGIA NUCLEAR

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA

Prof. Dr. Daniel Albiero

FORTALEZA-CE

ENERGIA NUCLEAR é aquela proveniente do núcleo do átomo Fusão nuclear, fissão nuclear, desintegração atômica.

ENERGIA ATÔMICA é aquela proveniente de processos e interações no átomo aceleração/desaceleração de elétrons, saltos em níveis quânticos, ionização.

ENERGIA NUCLEAR

Desintegração nuclearFissão nuclear

46Be 3

6Li 26He

isóbaros

47Be 3

6Li 25He

isótones

46Be 4

7 Be 48Be

isóbaros

próton

neutron

isótopos

ENERGIA NUCLEAR

estávelradioativo (natural)radioativo (artificial)

Número de prótons, Z

Núm

ero

de n

eutr

ons N

= A

- Z

ENERGIA NUCLEAR

= isótopo estável

Número de protons Z

Núm

ero

de n

eutr

ons

N

ENERGIA NUCLEAR

Lei zero da termodinâmica => Tudo tende ao equilíbrio

Os átomos que são instáveis tendem a alcançar o equilíbrio

Um núcleo instável por excesso de prótons tende a aumentar sua relação N/Z para atingir a linha de estabilidade, através de um destes processos:

emissão beta positivo (+) (pósitron)

captura de elétron (CE)

emissão alfa () (Hélio)

Um núcleo instável por excesso de nêutrons pode sofrer um dos seguintes processos, a fim de diminuir sua relação N/Z e, consequentemente, atingir a linha de estabilidade:

emissão beta negativo (-) (elétron)

emissão de nêutrons (n)

ENERGIA NUCLEAR

ZA

ZAX Y He Q

24

24

88226

86222Ra Rn Q

ENERGIA NUCLEAR

Emissão de partícula alfa – (Hélio):

01

11n P Q

ZA

ZAX y e Q

1

Emissão de partícula beta (-) – (elétron):

614

714C N Q

Q P n 11

01

ENERGIA NUCLEAR

Emissão de partícula beta (+) - pósitron:

ZA

ZAX Y Q

1

3065

2965Zn Cu

Captura de elétron:

11

01P e n

ZA

ZAX e Y Q 1

2655

2555Fe e Mn Q

E = 1,84 MeV

E = 1,30 MeV

1122 Na

1022 Ne E = 0

ENERGIA NUCLEAR

Emissão de raios gama – fótons:

E = 5,53 MeV

E = 4,14

1124 Na

1224 Mg E = 0

E = 1,38 MeV (2,76 MeV)

(1,38 MeV)

-

RADIOATIVIDADERutherford, em 1902, demonstrou que os raios emitidos pelos elementos radioativos são de 3 tipos:

a) *radiações : sofrem desvios iguais ao das partículas carregadas positivamente; caminham poucos centímetros no ar e são detidas por uma simples folha de papel;

b) *radiações : sofrem desvios como os raios catódicos, ou seja, das partículas negativas; observou que as radiações provenientes de um mesmo elemento não possuem velocidades iguais;

c) * radiações : não sofrem desvios em campos magnéticos; são tão provenientes como os raios-X.

Em 1903, mais uma vez Rutherford, juntamente com Soddy, estudando o fenômeno radioativo, chegaram a mais algumas importantes conclusões:

a) * os elementos radioativos sofrem espontaneamente transformações de uma espécie química para outra;

b) *essas transformações ocorrem simultaneamente com a emissão de radiações;

c) *essas transformações são de natureza subatômica, tendo lugar no íntimo do átomo;

d) * condições particulares de temperatura, pressão, proximidade de outros átomos, etc. não influenciam as transformações acima. Concluíram, então, que tal fenômeno era algo natural, intrínseco dos átomos radioativos naturais. Era a radioatividade natural.

_

+

RADIOATIVIDADE

RADIOATIVIDADE – Decaimento Radioativo

RADIOATIVIDADE Artificial

RADIOATIVIDADE – Atividade Radioativa

AdNdt

1 Ci (curie) = 3,7 x 1010 desintegrações por segundoA N

dNdt

N

dnN

dtN

N t

o

0

1nNN

to

NN

eo

t

N N eot .

A A eot .

0 71,557,242,928,614,3

6,70

3,35

1,680,84

A (mCi)

dias

meia - vida

onde: Ao = atividade inicial da amostra

A = atividade atual (no tempo t)

No instante 0 temos 4,42 x 1014 átomos de 32P. Passada 1 meia vida, a metade se transformou em 32S (estável) e a outra metade continuou a se desintegrar. Passada mais meia vida, a metade da segunda metade se transformou em enxofre e assim por diante. Vê-se, portanto, que teoricamente, o número de átomos de 32P só chega a zero para t = . Na prática, porém, passadas várias

meias vidas, a atividade pode chegar a níveis desprezíveis.

RAIO-X ( ENERGIA ATÔMICA)

E E E hff i

O excesso de energia (E) é emitido em forma de radiação eletromagnética, cujo comprimento de onda é função da diferença de energia entre as duas órbitas. Quando se tratam de elétrons de órbitas mais externas, essa radiação eletromagnética emitida, é na forma de luz visível ou ultra-violeta.

Se uma quantidade de energia suficientemente grande, for transferida a um dos elétrons das camadas K ou L, capaz de arrancá-lo de sua órbita, um elétron de outra órbita superior saltará para essa vaga para tomar sua posição. Com a diferença entre os níveis de energia das órbitas internas é muito maior, o processo liberará uma radiação eletro-magnética muito mais energética, portanto, de comprimento de onda bem menor. Essa radiação altamente penetrante recebeu em 1895 de seu descobridor Roentgen a denominação de Raios X, pois ignorava a sua natureza.

RAIO-X de Freamento

APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR/ATÔMICA NA AGRICULTURA

Radiações Ionizantes• As radiações são denominadas de ionizantes quando

produzem íons, radicais e elétrons livres na matéria que sofreu a interação.

• A ionização se deve ao fato das radiações possuírem energia alta, o suficiente para quebrar as ligações químicas ou expulsar elétrons dos átomos após colisões.

Radiações Ionizantes

TIPOS DE RADIAÇÃO

CORPUSCULARES ALFA

BETA

ELETROMAGNÉTICA Raios X

GAMA

INTERAÇÃO RADIAÇÕES

Efeito fotoelétrico


Efeito Compton


Produção de pares

PENETRABILIDADE NA MATÉRIA

MEDIDA DE DOSAGEM

IRRADIAÇÃO/CONTAMINAÇÃO

QUANDO UM MATERIAL É IRRADIADO ELE NÃO FICA RADIOATIVO.

Consiste em colocar os alimentos embalados ou não sob a ação de um fluxo de energia ionizante proveniente de radonuclídeos ou equipamentos apropriados.

IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGAS

a – Radiação gamaSão radiações eletromagnéticas produzidas durante o decaimento de certos radiosótopos, como o Cobalto-60 ou Césio- 137.

b – Aceleradores de elétronsSão equipamentos que produzem feixes de elétrons de alta energia e os aceleram com velocidades muito altas, proporcionando milhões de Gray (Gy) em frações de segundos.Energia máxima permitida - 10 MeV

c – Raios XEsta radiação eletromagnética de energias variadas é produzida por equipamento apropriado.Energia máxima permitida -5 MeVDose de Irradiação – quando a radiação ionizante penetra num meio (ou alimento) toda ou parte da energia é absorvida por esse meioA unidade com a qual a dose absorvida é medida é o Gray (Gy) = absorção de 1 J (Joule)/kg

Tipos de radiações ionizantes usadas para irradiar os alimentos:IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGAS

IRRADIAÇÃO DE ALIMENTOS E PRAGASFontes radioativas

Cobalto-60, Cobalto-60, - -

Césio-137, Césio-137, - -

Irídio-192 Irídio-192 - -

Amerício 241Amerício 241

IRRADIADORES

IRRADIAÇÃO DE FRUTAS

IRRADIAÇÃO DE PRAGAS

TIPOS DE PRAGAS

Principais artrópodos:Besouros, Carunchos ou Gorgulhos

Traças

Ácaros

DOSES DE RADIAÇÃO IONIZANTE: radiação gama, raios-X ou elétrons acelerados

Besouros: a partir de 100 Gy até 500 Gy

Traças: a partir de 300 Gy até 1000 Gy

Ácaros: a partir de 250 Gy até 1000 Gy

Cuidado especial: embalagens para evitar re-infestação

IRRADIAÇÃO DE PRAGAS

DETERMINAÇÃO DE UMIDADE DO SOLO

Seu princípio é bastante simples, estando baseado na perda de energia dos nêutrons rápidos através de choques com os núcleos leves no sistema solo-água-ar. Este princípio de perda de energia do nêutron é chamado de moderação de nêutrons. Em geral, utiliza-se uma relação empírica entre a contagem de nêutrons térmicos ou moderados e a umidade do solo.

Sonda de Nêutrons

Classificação do nêutron:

a)nêutrons térmicos: < 0,1 eV

b)nêutrons intermediários: entre 0,1 - 1 MeV

c)nêutrons rápidos: entre 1 - 10 MeV

d)nêutrons relativísticos: > 10 MeV

SONDA DE NÊUTRONS

DETERMINAÇÃO DE DENSIDADE DO SOLOSonda de Raios Gama

ESPALHAMENTO: Uma fonte de raios gama emite fótons gama que atingem a matriz do solo, um detector mede o número de fótons que retornam da superfície do solo de pois de interagirem (espalhamento) com os átomos das partículas de solo, o número de fótons espalhados e proporcional a densidade do meio

As medidas de densidade do solo podem ser feitas por dois princípios distintos: Espalhamento de fótons gama ou Atenuação de fótons gama.

ATENUAÇÃO: O solo fica entre a fonte de raios gama e o detector que conta o número de fótons gama que atravessaram a espessura de solo definida e o número de fótons espalhados, através da lei Beer-Lambert é calculada a atenuação dos raios gama. Esta atenuação é proporcional a densidade do meio.

SONDA DE RAIOS GAMA CONJUGADA COM SONDA DE NÊUTRONS

TOMOGRAFIA COMPUTADORIZADA

Tomografia Raios-Gama ou Tomografia Raios-X

Atenuação de radiações eletromagnéticas

TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO

Fótons-Níveis quânticos energéticos do hidrogênio

ESPECTRÔMETROS DE ABSORÇÃO E EMISSÃO ATÔMICA

ESPECTRÔMETROEspectro eletromagnético-Transporte de Energia:

E=h.n

Ondas eletromagnéticas-Espectros Linhas de absorção/emissão: ESPECTRÔMETRO

ESPECTRÔMETRO

ESPECTRÔMETRO DE ABSORÇÃO

ESPECTRÔMETRO DE EMISSÃO

ESPECTRÔMETRO DE MASSA

MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOSAntes do início do

experimentoApós o início do

experimento

Substrato A(SA)

Substrato B(SB) Produto final

- elemento de interesse no estudo (N)- radioisótopo do elemento (I)

Em 1942, a seguinte pergunta era feita: de onde era originário o O2 evoluído durante a reação de fotossíntese? Da água? Do CO2? Ou de ambos? O problema foi elucidado fazendo crescer algas (Chlorella pyrenoidosa) em solução contendo KHCO3 a pH 10. Quando as algas cresceram em meio contendo 2H2

18O, a razão 18O/16O do O2 evoluído, determinado por espectrometria de massas, foi igual a da água marcada com o 18O. Fazendo as algas crescerem em meio com água comum e contendo KHC18O3, o O2 evoluído não estava enriquecido em 18O. Após este estudo, ficou esclarecido que o oxigênio da fotossíntese era derivado da água.

MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS ESTÁVEIS

MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS RADIOATIVOSAntes do início do

experimentoApós o início do

experimento

Substrato A(SA)

Substrato B(SB) Produto final

- elemento de interesse no estudo (N)- radioisótopo do elemento (I)

Parte-se do princípio da formação de um produto final (P), contendo um elemento químico, objeto do estudo (nutriente, metal pesado, etc.), a partir de um substrato A (SA), onde o radionuclídeo do elemento não está presente e, também, de outro substrato B (SB) que contém o radioisótopo do elemento em questão.

MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS RADIOATIVOS

MARCADORES-TRAÇADORES ISOTÓPICOS ESTÁVEIS

87Rb-87SrEmissão de -

– Meia vida: 48,8 x 109 anos• Amplitude: 106 anos até idade deste Universo (?)

– Rochas ígneas e metamórficas– Para rochas sedimentares, somente datação de

argilas autóctones (>2m) e clásticas

1ln1

86

87

86

87

86

87

SrRb

SrSr

SrSr

t i

DATAÇÃO RADIOATIVA

Séries Naturais (U e Th)

• Decaimento de U e Th em isótopos estáveis de Pb



Séries Radioativa Naturais

Cálculo por U• 238U 206Pb• 235U 207Pb• 232Th 208Pb

Repete-se o cálculo para 207Pb e 208PbCompara-se os resultados (datação)

1ln*1

204

238

204

206

204

206

1206

PbU

PbPb

PbPb

t i



• Condições para o método

- Produção constante de 14C na atmosfera;

- Equilíbrio de 14CO2 na atmosfera ao longo do tempo;

- Balanço entre os reservatório;

• Explanação do Método do Carbono 14

- Formação de 14C;

- Equilíbrio de 14C na atmosfera;

- Decaimento de 14C;

- Datação Radiocarbônica;

14C 14N + - (156 kev)

• Produção de 14C por raios cósmicos

Raios-cósmicos n n n n nn

1414N N 1414N N 1414N N 1414C C

++OO2 2

Secção de choqueSecção de choque1414N= 1,78 barnsN= 1,78 barns

11PPOutras reações:

16O (n,T)14C ; 13C (n,)14C ; 15N(n,D)14C

14CO2


• Equilíbrio de 1414CC Atmosférico

12CO2 12CO2

14CO2 12CO2

13CO2 12CO2

12CO2

12C=98,89%; 13C=1,11%; 14C=10-12 por 12C

Reservatórios

Proporções:

CO2

Vegetal

AnimalH2O (oceanos, lagos e rios)

CaCOCaCO33(conchas,etc)(conchas,etc)


•Princípio da Datação por 14C

Um organismo vivo, devido à contínua troca de carbono com o meio ambiente, atinge no equilíbrio, uma atividade específica de 14C igual a existente na atmosfera. Com sua morte, essa troca de carbono cessa, e sua atividade específica decresce com a meia vida do radiocarbono.

t = 8033 x lnNo/N ou t = 8033 x ln Ao/A

Para T1/2 14C = 5568 30 anos

t = T1/2 / 0,693 x lnNo/N ou t = T1/2

/ 0,693 x ln Ao/AEquação da Idade


Meia Vida do 14C


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