Radioquímica. Utilização de radioelementos ou radiações nucleares. Química das Radiações...
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Radioquímica
Radioquímica
Utilização de radioelementos ou radiações nucleares.
Química das Radiações
Química Nuclear: estudo da estrutura dos núcleos instáveis e estáveis e das reações nucleares
Radioquímica
Está incluída no campo da Química Nuclear, que também engloba:
Reacções Nucleares Radioelementos Química das Radiações Aplicações de marcadores radioactivos
Radioquímica - ramos principais:
Química Nuclear: estudo do núcleo por métodos químicos.
Química de radiomarcadores - aplicações químicas das substâncias radioactivas.
Química das transformações nucleares (hot atom chemistry).
Química das Radiações
Definições (Ehmann & Vance)
• Química Nuclear: aplicações de procedimentos e técnicas comuns á química para estudar a estrutura do núcleo e definir a natureza das partículas fundamentais
• Radioquímica: aplicação do fenómeno do decaimento radioativo e técnicas comuns á física nuclear para resolver problemas no campo da química
Radioquímica-Aplicações
Estudos de mecanismos de reação Medicina Nuclear e Radiofarmácia:
p.e. produção de 99mTc e 131I
Estudos de processos de equilíbrio: difusão líquido-líquido; formação de complexos; reações de
troca isotópica
Aplicações em Química Analítica : análise por activação com neutrões (ativação neutrónica); desenvolvimento de métodos de separação radioquímica
PRINCÍPIO BÁSICO:
Isótopo Estável +
Partículaincidente
IsótopoRadioativo +
Partículas emitidas
Medida dasradiações emitidas
(n, p, a, g…)
(n, p, a, g…)
O Núcleo Atómico
Importância de A (número de massa). Nuclídeo: espécie de átomo caracterizado pela
constituição do seu núcleo, em particular por seu número de protões (P) e de neutrões (N).
Isótopos: mesmo Z (número atómico). Isóbaros: mesmo A (número de massa). Isótonos: mesmo N (número de neutrões). Comportamento nuclear vs estado químico. Tabela de nuclídeos.
NUCLÍDEOS
Espécies de átomos caracterizados pela constituição do seu núcleo, em particular pelo seu número de protões e de neutrões.
Dos 111 elementos químicos usuais, 81 possuem isótopos estáveis, sendo o Bi (Z=83) o mais pesado.
NUCLIDEOS
Os isótopos dos 28 elementos restantes são radioactivos. O U (Z=92) é o mais pesado dos que ocorrem na natureza.
Cerca de 2000 nuclídeos já foram identificados. Desses, somente 264 nuclídeos são estáveis, sendo os restantes radioactivos.
Tipos de Nuclídeos
Isótopos - Possuem o mesmo número de protões (Z= constante) mas diferentes números de massa e diferentes números de neutrões. Ex:
Isóbaros - Possuem o mesmo número de nucleões (A = constante). Pertencem a diferentes elementos químicos. Ex:
UUU 234
92
238
92
235
92,,
ySr 90
39
90
38,
Isótonos - Possuem o mesmo número de neutrões
Ex:
Isodiáferos - Possuem o mesmo excesso de neutrões relativamente aos protões (A-2Z=N-Z=constante).
Ex:
34,, 6228
6329
6430 NNiCuZn
ArClSPSi 3818
3617
3416
3215
3014 ,,,, 2 ZN
Isómeros ou Nuclídeos Isoméricos
Não diferem no número de protões ou de neutrões, mas somente no estado energético do núcleo.
Estado fundamental - estado de energia mais baixo.
Isómero de meia vida muito curta estado excitado.
Meias vidas maiores estados meta-estáveis. )s1t( 2/1
Nuclídeo isomérico em estado de energia mais alto que o estado fundamental libertação de energia geralmente por emissão de radiação .
ScSc g46s7.18tm46 2/1
RhRh g103m57tm103 2/1 g=ground state
Classificação dos Nuclídeos
• Nuclídeos estáveis - não sofrem decaimento radioativo: são 264 atualmente; Ex: 12C, 16O
• Radionuclídeos naturais primários - existem desde a origem do sistema solar; Ex: 238U , 40K, 87Rb
• Radionuclídeos naturais secundários - produzidos pelo decaimento dos anteriores; Ex: 226Ra,234Th (“filhos “do 238U)
• Radionuclídeos naturais “induzidos”: produzidos pela Acão dos raios cósmicos na atmosfera; Ex: 3H ,14C
• Radionuclídeos artificiais: produzidos pelo homem, em reações nucleares: cerca de 2000 são conhecidos
Energia de Ligação do Núcleo
Energia de ligação nuclear total: energia libertada no processo hipotético de reunir Z protões e N neutrões para formar um núcleo.
E = mc2
ΜeV*ΜMΖΑ+zM=Ε ΝΗΒ _931
Unidades de energia em física nuclear.
Energia de ligação: ~ proporcional a A.
Energia de ligação/nucleão (MeV/nucleão).
Cálculo da energia de ligação/nucleão para o 4He.
CBBBeLiLiHeHeH 1 2111 0976432
1.11 2.57 7.07 5.33 5.60 6.46 6.47 6.93 7.68
Eletrão-volt: variação de energia cinética do eletrão, quando a diferença de potencial for de 1 volt.
Unidades de energia – o eletrão-volt
voltV 1+
-
q.V
J=eV 19101.6021733x1
2mcE
MeVeV==E Kg29
1
16
1 10.6095864,56095864,510.6021733,1
10.987552,9
C=e 19101.6021733x 1
JeV= 19101.6021733x/1J 1
2c
E=m
JKg=E Kg168
1 08,987552.1m/s10.9979246.2*1
150
8
7
6
250200
9
100500
Número de Massa
Energ
ia d
e Li
gaçã
o
Por
Nuc
leão
(M
eV)
Diferença entre as EL/nucleão para nuclídeos estáveis e radioativos.
26.5
Li5
33.5
6Li
60.5
7Li
16.5
8Li
Definições de Estabilidade
1. Não se deteta radioatividade. Não há transformação em outro nuclídeo.
2. Sistema nuclear é estável em relação a outro quando a diferença de energia é negativa: massa em repouso do primeiro é menor que a do segundo.
Definições de Estabilidade
Ex: 4He é mais estável do que os seus constituintes isolados.
235U é instável em relação ao sistema 231Th + 4He
03895.235
04393.235
00498.0Diferença
235U
231Th + 4He
Forças Nucleares
Atracção gravitacional – fraca
Força electrostática – protões ( repulsão )
Características das Forças Nucleares
- Alcance muito curto: experiências de bombardeamento com partículas elementares e a partir das propriedades do deuterão.
- A atracção transforma-se em repulsão com uma maior aproximação (semelhança com Forças de Van der Waals ).
oo
NeutrãoProtão
Barreira
coulombiana
“Poço de potencial”
Distância a partir do centro do núcleo (Fermi = 10-15 m)
Neutrão
E pot = oo
- Independência da carga – a força é de mesma magnitude para 2 protões, 1 protão e um neutrão ou 2 neutrões.
- Saturação das forças nucleares :
Interacções possíveis entre pares de nucleões:
1AA2
1
Energia da ligação:
- proporcional a A
- Semelhança com as forças de valência.
- Repulsões Coulombianas (protões): não mostram saturação.
- São aproximadamente proporcionais ao número de protões que interagem:
121 ZZ
Consequência :
-Queda suave na energia de ligação/nucleão para núcleos pesados.
- Dependem do estado quântico do sistema.
Estado estável do deuterão: neutrão e protão com spins paralelos.
Experiência de espalhamento : interação de 2 nucleões depende de sua quantidade de movimento angular relativa.
Sistemática dos Núcleos Estáveis
- Nuclídeos estáveis: formam uma banda através da tabela de nuclídeos.
- Parte inferior: associada c / Z = N (4He, 16O)
-até o 40Ca (Z=N=20) último nuclídeo estável
com Z = N
- A partir daí: N / Z > 1
Sistemática dos Núcleos Estáveis
Nuclídeo estável mais pesado
(209Bi), Z=83 N=126
N / Z = 1.52
Excesso de neutrões: compensação para repulsão Coulombiana.
Equação da linha de estabilidade:
N ~= Z para os nuclídeos leves.
60/32
ZAZN
40 60 30 10 80 50 0 20 70
10
30
50
Z=
2
90
110
N =126
70
N=82
N=50
N=28
N=20
N=8 N=2
Z=
8
Z=
28
Z=
82
Z=
20
Z=
50
N
Z
LadoRicoemN() N=Z
Lado Ricoem protões(+)
Efeito par - ímpar Nenhum elemento com Z ímpar, possui mais do que dois isótopos estáveis.
Elementos com Z par possuem até 10.
Categorias de Nuclídeos
1.Z – par, N – par – 144
2.Z – impar, N – ímpar – 4
3.Z - par , N ímpar – 55
4.Z - ímpar , N par – 50
- A formação de pares de protões e de neutrões conduz à estabilidade.
Nucleões : possuem spin e quantidade de movimento
orbital.
Spins dos nucleões : + ½ , - ½
Quantidade de movimento angular total : I
I = L + S
L orbital S spi
A quantidade de movimento angular é normalmente chamada de spin nuclear
Estado fundamental: tem spin diferente de um no estado excitado.