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Combustíveis Energia e Ambiente
Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
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O INÍCIO DA CIÊNCIA
NUCLEAR(1905)
E = m c2
"It followed from the special theory of relativity that mass and energy
are both but different manifestations of the same thing -- a
somewhat unfamiliar conception for the average mind. Furthermore,
the equation E is equal to m c-squared, in which energy is put equal
to mass, multiplied by the square of the velocity of light, showed that
very small amounts of mass may be converted into a very large
amount of energy and vice versa. The mass and energy were in fact
equivalent, according to the formula mentioned above. This was
demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally."
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
1905 – Einstein
Propôs a teoria da relatividade. Considerou que massa e
energia são manifestações da mesma grandeza e são
interconvertíveis.
E = mc2
Até então os físicos consideravam a energia e a massa
entidades distintas – Lei Conservação da Massa e da
Energia.
Combustíveis Energia e Ambiente
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A DESCOBERTA DO NÚCLEO
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Idade Média
Alquimistas sonham em converter um elemento noutro. Transmutação do chumbo em ouro.
1895 - RÖentgen
descobre os raios X
1896 – Becquerel
Observou emissão de radiação
altamente energéticas de um
composto de urânio
– chamou radioactividade
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1897 –Marie e Pierre Curie
Continuaram as investigações e mostraram
que a radiação era independente do estado
de combinação do urânio.
Mostraram a existência de outros elementos radioactivos
Polónio e rádio. Radioactividade – emissões espontâneas de
alguns elementos (radioisótopos).O núcleo não era ainda
conhecido.
1897- J. J. Thomson
Demonstra que os raios catódicos são
feixes de partículas - electrões
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1898 - Rutherford
Identificou três tipos de partículas radioactivas: “radiações” α, β e γ.
1909 - Robert Milikan
Determinou a carga do electrão
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1911- Ernest Rutherford
Apresenta a célebre experiência
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1911- Niels Bohr
Propõe um modelo de órbitas
circulares para o electrão.
1932 - James Chadwik
Detecta experimentalmente
o neutrão.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Após Rutherford
Identificados outros tipos de “radiações” nucleares: protão, neutrão e antipartículas
Após descoberta do núcleo
Cientistas percebem que a radioactividade resulta da ejecção de “fragmentos” do núcleo.
Decaimento nuclear
Desintegração nuclear
Reacção nuclear
Mudança da composição do núcleo
.
Chamaram-lhes
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Reacções nucleares vs Reacções Químicas
R.Q. estão envolvidos electrões
•Energia envolvida moderada
•Isótopos do mesmo elemento sofrem reacções químicas iguais
•Há conservação da massa – Lei de Lavoisier
R. N. estão envolvidos núcleos
•Energia envolvida muito
elevada
•Isótopos do mesmo elemento
sofrem reacções nucleares
muito diferentes
•Há conservação da massa-
energia.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
E = mc2
•Qualquer processo exotérmico os produtos tem uma massa inferior aos reagentes.
•Nas reacções químicas a energia envolvida é tão pequena que se verifica a conservação da massa.
•Nas reacções nucleares as energias em jogo são tão elevadas que os valores de massa correspondentes são mensuráveis.
•Reacções em que toda a matéria se converte em energia denominam-se de reacções matéria-antimatéria.
•Quando protões e neutrões se juntam para formar um núcleo de um átomo há diminuição da massa que se transforma em energia – Energia Nuclear
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Qualquer núcleo é mais estável que os respectivos nucleões separados.
Quando protões e neutrões se juntam para formar um núcleo de um átomo há uma diminuição de massa, que se transforma em energia – Energia De Ligação Nuclear.
A diferença entre a soma das massas dos nucleões e a massa do núcleo é – Defeito De Massa, ∆m.
Energia de Coesão Nuclear é a energia necessária para decompor o núcleo nos seus nucleões.
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A escrita de equações nucleares
Representam-se por equações.
Cada nuclido participante na reacção é representado pelo seu símbolo (X), com o respectivo número atómico (Z = n.° de protões) e número de massa (A = n.° de protões + n.° de neutrões):
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
A escrita de equações nucleares
No neutrão e no protão a letra Z representa o n.° de protões, mas no electrão representa a sua carga negativa.
Nuclidos
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
A escrita de equações nucleares
Regras
1.A soma dos números de massa deve ser
igual nos dois membros da equação.
2.A soma dos números atómicos nos dois membros da equação deve ser igual.
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A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Apesar das forças repulsivas a maior parte dos núcleos é estável – Há equilíbrio entre as atracções e as repulsões.
Casos em que as repulsões vencem as atracções verifica-se o Decaimento Radioactivo ou Nuclear.
Radioactividade Natural
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Se Z >83 são radioisótopos, significa que têm núcleos instáveis e que são radioactivos;
Se Z ≤ 83 têm isótopos (núcleos estáveis) e a maior parte tem pelo menos um radioisótopo (núcleos instável).
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Proporção neutrão-protão (n/p).
elementos estáveis a proporção n/p é aproximadamente igual a 1; (Z<30)
Com o aumento do número atómico aumenta esta proporção, maior 1. Este desvio surge da necessidade de um número cada vez maior de neutrões para compensar as repulsões electrostáticas da interacção entre um número cada vez maior de protões.
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A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Quando é que um núcleo é estável/instável?
Existem números Mágicos – conferem particular estabilidade aos núcleos.
Os números mágicos, que inicialmente foram propostos de forma empírica, hoje
são relacionados com o modelo de preenchimento em camadas do núcleo. Os
números mágicos Z=114, Z=164, N=184 e N=196 estão previstos teoricamente,
embora não tenham ainda sido observados.
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear A maioria dos núcleos radioactivos situa-se fora da denominada zona de estabilidade.
Acima da zona estabilidade, para o mesmo número de protões, os núcleos têm razões neutrão/protão superiores às dos núcleos estáveis da faixa.
Abaixo da zona de estabilidade, para o mesmo número de protões, os núcleos têm razões neutrão/protão mais baixas do que os núcleos da faixa de estabilidade.
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Tipos Decaimento Radioactivo
A radioactividade surge da libertação de partículas por parte
de um isótopo fora da banda de estabilidade e que, ao
converter-se num outro isótopo, se aproxima da mesma
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Emissão alfa (α)
Emissão beta (β)
Emissão Positrão (β+)
Captura Electrónica
Emissão Gama(γ)
Z ≥ 83
Z ≤ 83
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Emissão alfa (α)
Emissão de um núcleo de hélio 24He,
ou partícula α, por um núcleo instável.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Emissão beta (β ou β-)
Verifica-se em núcleos ricos em neutrões.
Emissão de um electrão muito acelerado por um núcleo muito instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um neutrão num protão e num electrão
Acima da faixa estabilidade ⇒ baixar n/p ⇒ diminuir neutrões
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Emissão Positrão (β+)
Verifica-se em núcleos ricos em protões.
Emissão de um positrão por um núcleo instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um protão num neutrão e num electrão.
Abaixo da faixa estabilidade ⇒ aumentar n/p ⇒ diminuir protões
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
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A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Captura Electrónica
Verifica-se em núcleos de maior número atómico ricos em protões.
Captura de um electrão de uma orbital interna do átomo por um núcleo instável.
Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um protão num neutrão.
O núcleo capta o electrão de uma orbital interna, outro electrão mais externo vai ocupar o lugar vago deste, havendo emissão de um fotão de raios X.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Emissão Gama (γ)
Emissão de um fotão de comprimento de onda da ordem de 10-12 m por um núcleo excitado.
Um decaimento radioactivo de outro tipo produz um núcleo excitado. Este tende a passar para um estado mais estável (de menor energia) por emissão de uma radiação EM.
O núcleo formado é apenas um estado de
menor energia que o núcleo original, não
havendo alteração do número atómico nem do
número de massa.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Série Radioactiva
Atingir da estabilidade não é possível apenas num passo.
Nos elementos com Z > 83, o isótopo necessita de baixar o seu número atómico, mas na generalidade necessita também de perder neutrões.
Decaem então através de uma sequência de reacções que se chama série radioactiva.
Primeiro é emitida uma partícula α, sendo emitida depois outra partícula α ou uma β - e assim sucessivamente até que seja obtido um isótopo estável. Normalmente o elemento final obtido é o chumbo (tem o número atómico mágico 82).
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Tempo de Meia Vida/ Período de Decaimento Radioactivo - t½
Intervalo de tempo necessário para que,
numa dada amostra, o número de núcleos
radioactivos se reduza a metade. É uma
grandeza constante para cada espécie
radioactiva.
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Equivalência massa-energia:
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A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Taxa de transformação radioactiva do carbono-14 em azoto-14, com um período de cerca de 6 mil anos, e que permite a datação de objectos com centenas ou alguns milhares de anos.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
1950 – 1959 W. Libby
Desenvolveu um processo, baseado na velocidade de desintegração do núcleo carbono-14 para datar matéria orgânica.
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
O carbono-14 produz-se continuamente na atmosfera pela
interacção de neutrões cósmicos com átomos de nitrogénio:
E decai de acordo com a equação:
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
O isótopo 14C produzido é incorporado no CO2 atmosférico, estabelecendo-se uma razão 14C/12C aproximadamente constante.
A esta razão corresponde uma actividade de 15,3 desintegrações por minuto por grama de carbono
O dióxido de carbono atmosférico é «ingerido» por plantas (fotossíntese) e estas são eventualmente consumidas por animais.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Os seres vivos têm uma razão 14C/12C aproximadamente idêntica à da atmosfera.
Quando uma planta ou um animal morre, a «ingestão» de carbono-14 cessa, mas o núcleo continua a decair e a razão 14C/12C diminui o mesmo sucedendo à actividade por grama de carbono.
Medindo esta e comparando com a actividade 14C num ser vivo, tem-se a relação aproximada entre a quantidade actual de 14C em 1 g de carbono da amostra em estudo e a quantidade presente quando a planta, ou o animal, morreu.
Consequentemente, pode-se avaliar a época em que isso ocorreu.
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Aplicações dos radioisótopos
Datação da Terra e Paleontologia
Na Bioquímica e Medicina
Na Industria e Agricultura
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Equivalência massa-energia:
um assunto nuclear
Combustíveis Energia e Ambiente
A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo
Outras Reacções Nucleares
Fusão Nuclear
Fissão (cisão) Nuclear
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CONTADOR GEIGER Detecção de partículas
Efeito ionizante da radioactividade
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A enorme quantidade de energia armazenada no núcleo deriva da
relação
E = m c2
(diminuição de massa que se verifica quando os nucleões se juntam)
A 2ª guerra mundial foi uma lamentável demonstração…
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6 de Agosto de 1945 – HIROXIMA
Bomba de fissão do urânio-235
4400 kg
3, 2m x 0,737m
15.000 tons TNT
9 de Agosto 1945 - NAGASÁQUI
Bomba de fissão de Plutónio-239
4535 kg
3,25 m x 1,52 m
21.000 tons TNT
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"My God, what have we done?"
- Robert Lewis co-piloto do B-29 Enola Gay
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Radioactividade: prós e contras
Prós
Aplicações benéficas na pesquisa científica e na descoberta
Produção de energia eléctrica com diminuição das emissões de CO2
Aplicações benéficas na área da Saúde (diagnóstico, terapêutica)
Aplicações benéficas na área da Indústria e Agricultura
Contras
Perigo de contaminação radioactiva (alterações nos ecosistemas, mutações,…)
Manipulação, transporte e armazenamento de resíduos radioactivos
Nas centrais nucleares:
- perigo de explosão, ainda que não haja razões técnicas para a existência deste perigo
- risco de roubo de material para fins bélicos. Sendo um risco não controlável, as centrais nucleares são locais de alta segurança militar.
- custos elevados de investimento
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" A BOMBA ATÔMICA MUDOU
TUDO EXCETO A NATUREZA DO
HOMEM"
( Albert Einstein)