Física nuclear

Física Nuclear é a área da física que estuda os consti-tuintes e interações dos núcleos atômicos. As aplicaçõesmais conhecidas da física nuclear são a geração de energianuclear e tecnologia de armas nucleares, mas a investiga-ção tem proporcionado aplicação em muitos campos, in-cluindo aqueles em medicina nuclear e ressonância mag-nética, implantação de íons em engenharia de materiais,e datação por radiocarbono em geologia e arqueologia.O campo da física de partículas evoluiu a partir da físicanuclear e, normalmente, é ensinado em estreita associa-ção com a física nuclear.

1 História

1.1 Descoberta do elétron

A história da física nuclear como uma disciplina distintada física atômica começa com a descoberta da radioativi-dade por Henri Becquerel em 1896,[1] enquanto investi-gava fosforescência em sais de urânio.[2] A descoberta doelectrão por J. J. Thomson um ano mais tarde, foi uma in-dicação de que o átomo tinha estrutura interna. Na viradado século XX, o modelo aceito do átomo era o modelode pudim de ameixas de J. J. Thomson de que o átomoera uma grande bola carregada positivamente com peque-nos elétrons carregados negativamente embutidos dentrodele. Na virada do século, os físicos também tinham des-coberto três tipos de radiação que emana de átomos, quederam o nome de alfa, beta e radiação gama.Esta área da ciência teve início a partir da evolução doconceito científico a cerca da estrutura atômica, pois atémeados do século XIX acreditáva-se que os átomos eramesferas maciças indestrutíveis e indivisíveis. Esses con-ceitos estavam de acordo com a teoria atômica de JohnDalton.

1.2 Descoberta do próton

O início do século XX foi marcado por diversas e incrí-veis descobertas. Por isso, não se sabe ao certo quemdescobriu o próton. A descoberta é geralmente atribuídaa Rutherford, que foi também quem deu esse nome aoentão conhecido núcleo do átomo de hidrogênio. Em1919, Rutherford e seus colaboradores realizaram o so-nho dos alquimistas e conseguiram experimentalmente,pela primeira vez na história, transmutar um elemento emoutro.[3]

O experimento consistia em bombardear o gás nitrogê-nio com partículas alfa altamente energizadas. Comoresultado, alguns núcleos de hidrogênio eram detecta-dos, e Rutherford estava certo que eles somente pode-riam ser provenientes dos núcleos dos átomos de nitro-gênio. Nesse processo, o que ocorreu é que o nitrogênioera transmutado em oxigênio, através de uma reação nu-clear.Então, o núcleo do nitrogênio continha núcleos dehidrogênio! Como o hidrogênio era o elemento de menormassa, Rutherford concluiu que se tratava de uma partí-cula elementar dos núcleos de todos os átomos: o núcleoatômico possui uma estrutura, é formado por prótons!Entretanto, duas questões importantíssimas estavam emaberto:1. O número de prótons em um núcleo é insuficiente parajustificar sua massa. De onde viria o restante da massa?2. Cargas de sinais opostos se atraem. Cargas de mesmosinal se repelem. Como é possível os prótons ficarem jun-tos em um espaço tão pequeno como o núcleo? De acordocom a Lei de Coulomb, a força de repulsão seria desco-munal.

1.3 Descoberta do nêutron

Quando Rutherford descobriu que o número de prótonsem um núcleo suficientes para justificar sua carga não erasuficiente para justificar sua massa, imediatamente suge-riu a existência de outras partículas, eletricamente neu-tras, no núcleo.Rutherford atribuiu a seu aluno James Chadwick (1891 –1974) a tarefa de descobrir essa partícula. Em 1932 (13anos depois da descoberta do próton), Chadwick final-mente conseguiu detectar o nêutron através do seguinteexperimento:Em 1930, descobriu-se que bombardeando Berílio comradiação alfa, era emitida outra radiação extremamentepenetrante e sem carga elétrica, semelhante à radiaçãogama. Posteriormente, foi descoberto que incidindo essenovo tipo de radiação em uma substância rica em hidro-gênio (como a parafina), prótons eram emitidos.[3]

Em 1932, Chadwick, com seus estudos quantitativosdesse e de outros experimentos, concluiu que a radiaçãoemitida pelo Berílio era na verdade um feixe de partícu-las neutras commassa quase igual à do próton: Chadwickdescobriu o nêutron!

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2 5 GLOSSÁRIO

2 Propriedades

Para extrair um elétron de um átomo, é necessária umacerta quantidade de energia. Da mesma forma, cadanúcleo (próton ou nêutron) necessita também de grandequantidade de energia, que é da ordem de milhões de ve-zes. Por esse motivo, a física nuclear é denominada físicade alta energia.[3]

A física nuclear tem como objeto de estudo o núcleoatômico e suas propriedades. Os núcleos possuem pro-priedades que podem ser classificadas como estáticas(carga, tamanho, forma, massa, energia de ligação, spin,paridade, momentos eletromagnéticos, etc.) e dinâmi-cas (radioatividade, estados excitados, reações nucleares,etc.)Estas propriedades são analisadas através de modelos nu-cleares que são baseados na mecânica quântica, relati-vidade e teoria quântica de campos. A descoberta deque os nucleons (protons e neutrons) são na realidadesistemas compostos, redirecionou o interesse dos físicosnucleares para a investigação dos graus de liberdade dequarks e, com isto, atualmente os domínios da pesquisada física nuclear e da física de partículas se tornaraminterligados.[3]

ObservaçõesO modelo de Rutherford, aliado à descoberta do próton,nêutron e elétron, permitiu o entendimento e a classifica-ção das substâncias através de dois números:- Número atômico Z: é o número de prótons de um átomo- Número de massa A: é o número de prótons + o númerode nêutrons de um átomo Além da carga q do elemento,no caso de ser um íon.Hoje, representa-se um átomo ou íon através da seguintenotação:AZX

q

3 Visão Geral

É agora sabido que o núcleo atômico é composto de pro-tões e neutrões conhecidos como núcleos. O número deprotões e neutrões no núcleo é o seu número de massa(A) e o número de protões é o seu número atômico (Z).[4]O núcleo de símbolo químico X é unicamente designadopor:AZX

O núcleo atômico possui algumas propriedades de inte-resse:

• Tamanho do núcleo: Em geral os núcleos atômicospossuem forma esférica com o raio dado, aproxima-damente, por:

R = RO.A13 onde RO = 1, 2± 0, 2fm

• Carga – A distribuição da carga eléctrica dentrodo núcleo é a mesma que a distribuição da massanuclear. Resultados experimentais sugerem que ´´oraio eléctrico do núcleo´´ e ´´núcleo da matéria nu-clear´´ são aproximadamente iguais.

• Spin nuclear: para cada momento angular orbitaldo núcleo l e

spin s combinam para formar o momento angular total j.O momento angular total do núcleo I é, portanto, o vectorsoma dos momentos angulares do núcleo:j⃗ = l⃗ + s⃗ I⃗ =

∑Ai=l j⃗i tal que{

A ímpar : I semi-inteiroA pár : I inteiro

• Momento angular: O momento angular I possui to-das as propriedades usuais do vector momento an-gular da Mecânica Quântica:

I⃗2 = ℏ2.l.(l + 1)

Iz = m.ℏ m = −l,−l + 1, . . . , l − 1, l

• O momento angular total I é usualmente referidocomo spin

nuclear e o correspondente número quântico de spin l éusado para descrever estados nucleares.Estabilidade nuclear é relacionada ao número de nucleosque constituem o núcleo. Núcleos estáveis apenas ocor-rem numa banda estreita no plano Z-N.Todos os outros núcleos são instáveis e desintegram-seespontaneamente em vários modos.Existem três modelos de núcleos atômicos: o Modelo dagota líquida, o Modelo do gás de fermi e o Modelo decamada. Cada modelo explica certas observações da pro-priedade nuclear. Nenhummodelo único explica todas asobservações.[4]

4 Modelos Nucleares

Existem dois tipos básicos de modelos nucleares simples.Corpo colectivo sem estados de partículas individuais. Agota de líquido. Modelo que é a base da fórmula semi-empirica de massa. Modelo de partícula individual como núcleo em estados de energia discretos, por exemplo ogás de Fermi ou modelo de camadas/capas (concha).

5 Glossário

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5.1 Terminologia Nuclear

1 . Terminologia Nuclear: Existem diversos termos usa-dos no campo da Física Nuclear que se deve compreen-der,a. Nucleão ou Núcleo: Neutrões (Nêutrons) e protões(prótons) são encontrados no núcleo dum átomo e poressa razão são chamados colectivamente de nucleões.Um nucleão é definido como sendo uma partícula consti-tuinte do núcleo, tanto um neutrão ou um protão.b. Nuclídeo – Uma espécie de átomo caracterizada pelaconstituição do seu núcleo, o qual é especificado pelo suamassa atómica e o seu número atómico (Z), ou pelo seunúmero de protões (Z), número de neutrões (N), e con-teúdo de energia. Uma listagem de todos os nuclídeospode ser encontrada no ´´gráfico dos nuclídeos´´ a qualserá apresentada numa lição mais tarde.c. Isótopos – Isótopos são definidos como nuclídeosque têm o mesmo número de protões mas diferentes nú-meros de neutrões. Portanto, quaisquer nuclídeos quetêm o mesmo número atómico (isto é, o mesmo ele-mento) massa diferentes números de massa são isótopos.Por exemplo, hidrogénio possui três isótopos, conhecidoscomo, Prótio, Deutério, Trítio. Dado que hidrogénio pos-sui um protão, qualquer átomo de hidrogénio terá númeroatómico igual a 1. Contudo, números de massa atómicados três isótopos são diferentes. Prótio (H – 1) tem nú-mero de massa 1 (um protão, sem neutrões), Deutério (Dou H – 2) tem o número de massa igual a 2 (1 protão, 1neutrão), e Trítio (T, H – 3) tem número de massa 3 (1protão, 2 neutrões).2. Defeito de massa e energia de ligação: A massa doátomo provém quase inteiramente do núcleo. Se o núcleopudesse ser decomposto em suas partes constituintes, istoé, protões e neutrões, poderia se concluir que a massatotal do átomo é menor do que a soma das massas dosprotões e neutrões individuais. Esta diferença na massa éconhecida como de feito de massa ∆m , calculada paracada nuclídeo, usando a seguinte equação:∆m = ZMp +ZMe + (A−Z)Mn −Ma = ZMH +(A− Z)Mn −Ma

Onde∆m é o defeito de massa,Z = número atómico,Mp = massa do protão (1.00728 uma),Mn = massa do neutrão (1,00867 uma);Me = massa do electrão (0,000548 uma);A = número de massa;Ma = massa atómica (a partir do gráfico dos nuclídeos);MH = massa do átomo de hidrogénio.3. Energia de ligação: energia de ligação é a energia equi-valente do defeito de massa, 1 uma = 931,478 MeV.4. Energia de ligação por nucleão: Se a energia de ligação

total do núcleo é dividida pelo número total de nucleõesno núcleo, obtém-se a energia de ligação por nucleão.Esta representa a energia média que deve ser fornecidade modo a remover um nucleão a partir do núcleo.5. Radioatividade (decaimento radioativo): a decompo-sição espontânea do núcleo para formar um núcleo dife-rente.6. Marcação de data a partir de Radiocarbono (Obtensãode data a partir do Carbono – 14): um método para amarcação da idademadeira antiga ou roupa antiga na basedo decaimento radiotivo do nuclídeo C – 14.7. Traçador radioativo – um nuclídeo radioativo, intro-duzido no organismo para propósitos de diagnóstico, cujatrajetória pode ser seguida através do monitoramento dasua radioatividade.8. A parte principal do reator – é a parte do reator nuclearonde ocorrem as reações de fissão nuclear.9. REM (roentgen equivalent for man - equivalente Ro-entgen para o Homem) – uma unidade de dosagem deradiação que inclui ambos a energia da dose e a sua efe-tividade em causar danos biológicos.10. Ressonância – uma condição que ocorre quando maisde uma estrutura válida de Lewis pode ser escrita parauma molécula particular. A estrutura electrónica verda-deira é representada, não por qualquer uma das estruturasde Lewis, mas pela média de todos eles.11. Fissão nuclear : a cisão ou divisão de núcleos pesadosem pelo menos dois núcleos pequenos, acompanhado dalibertação de energia é chamado de fissão nuclear.12. Fusão nuclear – fusão é a reação entre núcleos quepode ser uma fonte de energia. Fusão é o ato de combi-nar ou ´´fundir´´ dois ou mais núcleos atómicos. Assim, afusão constrói átomos. Fusão ocorre de foma natural noSol e é a fonte da sua energia.

6 Símbolos e Equações

7 Referências[1] B. R. Martin. Nuclear and Particle Physics (em inglês).

[S.l.]: John Wiley & Sons, Ltd., 2006. ISBN 0-470-01999-9 Página visitada em 05 de junho de 2013.

[2] Becquerel, Henri. (1896). "Sur les radiations émisespar phosphorescence" (em francês). Comptes Rendus 122:420–421. Visitado em 05 de junho de 2013.

[3] Moisés André Nisenbaum. Estrutura Atômica (em portu-guês). 1 ed. [S.l.: s.n.], 2013. 61 p. 1 vol.

[4] [http://oer.avu.org/bitstream/handle/123456789/162/Fisica%20Nuclear.pdf?sequence=1, Telahun Tesfaye,Dr. FÍSICA NUCLEAR. 128 págs. Creative CommonsAtribuição-Partilha (versão 2.5) ISBN 14 de agosto de2013.

4 8 BIBLIOGRAFIA

8 Bibliografia• Nuclear Physics by Irving Kaplan 2nd edition, 1962Addison-Wesley

• General Chemistry by Linus Pauling 1970 DoverPub. ISBN 0-486-65622-5

• Introductory Nuclear Physics by Kenneth S. KranePub. Wiley

• N.D. Cook. Models of the Atomic Nucleus (em in-glês). 2ª ed. [S.l.]: Springer, 2010. p. xvi & 324.ISBN 978-3-642-14736-4

• Ahmad, D.Sc., Ishfaq; American Institute of Phy-sics. Physics of particles and nuclei (em inglês). 3ªed. Universidade da Califórnia: American Instituteof Physics Press, 1996. vol. 27.

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9 Fontes, contribuidores e licenças de texto e imagem

9.1 Texto• Física nuclear Fonte: https://pt.wikipedia.org/wiki/F%C3%ADsica_nuclear?oldid=43420244 Contribuidores: Scott MacLean, E2m,

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9.2 Imagens• Ficheiro:Disambig_grey.svg Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Disambig_grey.svg Licença: Public domainContribuidores: Obra do próprio Artista original: Bub’s

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• Ficheiro:Noyau_atome.png Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3e/Noyau_atome.png Licença: Public domainContribuidores: Obra do próprio Artista original: PerOX

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