Física Nuclear

Física Nuclear

Enquanto a Física Atômica estuda o átomo como um todo, a Física Nuclear estuda apenas o núcleo do átomo.  Os físicos buscam entender melhor a área que circunda o núcleo. Contudo, concentram seus estudos nas forças que mantêm o núcleo do átomo unido.

O núcleo é constituído por prótons e nêutrons. A força nuclear mantém as partículas juntas. A energia nuclear é a energia que é liberada quando o núcleo é dividido (fissão) ou quando ocorre a união de núcleos menores (fusão). À medida que os físicos entendem tais forças, eles frequentemente tentam criar novas formas de reações de fissão e fusão.

Albert Einstein desempenhou um papel fundamental na Física Nuclear. Sua fórmula famosa E=mc2 explica como a energia e a massa estão relacionadas. Essa ideia foi aplicada ao estudo das reações nucleares: foi provado que mesmo um único átomo de uma substância contém quantidades enormes de energia.

O Núcleo Atômico

Como já estudamos em Química, o átomo é formado por um núcleo, constituído por prótons e nêutrons, e pela região ao seu redor, que é ocupada por elétrons. Prótons são partículas elétricas positivas, elétrons são partículas elétricas negativas e nêutrons são partículas eletricamente neutras.

O número atômico (Z) é o número de prótons presentes no núcleo, ou seja, é a carga elétrica positiva de seus núcleos, denominada carga nuclear.  A massa de um átomo, denominada número de massa (A), está praticamente toda concentrada no núcleo. Por isso, o número de massa (A) é a soma de prótons e nêutrons.

Cada átomo é representado por

Exemplo:

Isótopos

Átomos com o mesmo número atômico (Z) – isto é, o mesmo número de prótons - e com números de massa (A) diferentes – isto é, diferentes números de nêutrons - são chamados isótopos.  Isótopos são idênticos em sua natureza química: fazem parte do mesmo elemento químico. É comum representar um isótopo pelo seu símbolo químico e seu número de massa em sobrescrito. Por exemplo, Césio - 137 é o isótopo de césio de massa 137  (137Cs).

Por exemplo:

Isótopos do urânio: O urânio (Z = 92) existe na forma de 3 isótopos: urânio 234, 235 e 238. Apresentam o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons.

Isótopo

Número de partículas fundamentais no átomo eletricamente neutro

Porcentagem na natureza

p

n

e

234U

92

142

92

0,005%

235U

92

143

92

0,720%

238U

92

146

92

99,274%

As emissões de isótopos radioativos causam com que estes se desintegrem e se transformem em outros elementos.

Emissões radioativas

Radioatividade ocorre quando o núcleo do átomo se quebra em partículas ainda menores. Por meio de emissões radioativas, o átomo passa de um estado de alta energia para um de baixa energia. Esse fenômeno foi observado em 1896 pelo físico francês Henri Becquerel. Marie Curie e seu marido, Pierre Curie, contribuíram ainda mais para o estudo da Radioatividade. Suas pesquisas levaram ao descobrimento de dois novos elementos radioativos, polônio e rádio, e levaram os cientistas a mudar suas ideias sobre a estrutura do átomo.

Os átomos denominados radioativos são aqueles que apresentam instabilidade nuclear. Em alguns casos, a força nuclear não consegue manter o núcleo junto. Na tentativa de alcançar a estabilidade em seu núcleo, esses átomos emitem algumas partículas chamadas de radiação ou emissões radioativas, e se transformam em átomos com números atômicos ou de massas diferentes das dos originais.

A força nuclear é considerada extremamente forte. Como é possível, então, que o núcleo perca partículas? Por que a força nuclear não consegue manter essas partículas dentro do núcleo?

A resposta é que a força nuclear tem um raio de ação curto. Ela consegue manter junto as partículas que estão próximas umas às outras. Quando as partículas estão distantes, a força nuclear já não é tão eficaz. Um núcleo com um número equilibrado de prótons e nêutrons é estável e não emite partículas. Contudo, se um núcleo tiver prótons em excesso, a repulsão elétrica será mais forte que a atração da força nuclear e, portanto, ele emitirá partículas.

Existem três tipos de decaimento nuclear: as emissões alfa, beta e gama. Partículas alfa têm cargas positivas, partículas beta têm cargas negativas e emissões gama não possuem nenhuma carga.  A radiação também possui níveis crescentes de energia: primeiro, alfa, segundo, beta e terceiro, gama. Esta é a mais energética de todas. Alfa e beta são partículas, mas gama é uma onda.  

A partícula alfa (α) possui dois prótons e dois nêutrons, semelhantes ao núcleo do elemento Hélio.

Representação:  (massa = 4, carga = +2).

Isso significa que quando ocorre uma emissão alfa por um isótopo radioativo, emergem de seu núcleo dois prótons e dois nêutrons. Quando uma partícula alfa é emitida, o átomo perde quatro unidades de massa e duas unidades em seu número atômico e se transforma em um átomo menor com um número atómico inferior ao inicial.

Through alpha decay, an atom transforms into a smaller atom with a lower atomic number.

Exemplo:

O Urânio emite uma partícula α e perde duas unidades em seu número atômico, transformando-se em Tório e quatro unidades na massa . É importante notar, na equação acima, que a adição das unidades de massa e de números atômicos das duas partículas à direita equivalem ao átomo de Urânio, que se encontra à esquerda.

Notice that the combined mass number and atomic number of the two particles on the right adds up to the mass number and atomic number of the uranium atom on the left.

As emissões beta () são elétrons emitidos pelo núcleo em alta velocidade.

Representação:   (massa = 0, carga = -1).

Um núcleo com muitos nêutrons é instável. A emissão de partícula beta () significa que ocorreu no núcleo uma transformação. Um nêutron se transformou em um próton e emitiu um elétron (chamado de partícula ) e um neutrino. Os prótons criados pela transformação permanecem no núcleo. Os elétrons e os neutrinos deixam de fazem parte do núcleo ao emergirem dele. Um neutrino é uma partícula eletricamente neutra de pouca massa. A emissão de elétron é mais facilmente detectada do que a do neutrino.

Quando há emissão beta, não há alteração na massa, pois um nêutron foi substituído por um próton; há, porém, alteração no número atômico.

Exemplo

Bi = Bismuto

Po = Polônio

Percebe-se, na equação acima, que a adição das unidades de massa e de números atômicos das duas partículas à direita equivalem ao átomo de Bismuto à esquerda. O Bismuto emite uma partícula  (um elétron) e ganha uma unidade em seu número atômico, transformando-se em Polônio. Um neutrino também é emitido, mas como seus efeitos são mínimos, ele é frequentemente omitido da equação.

É importante observar que, com a emissão das partículas alfa () e beta (), o número de prótons é alterado. Portanto, é alterado o número atômico, formando assim novos elementos químicos.

Emissões Gama ()  são emissões de ondas eletromagnéticas, como a luz ou as ondas de rádio, mas providas de enorme energia e poder de penetração.  

Representação.

Emissão gama é a forma mais simples de decaimento nuclear. Por meio da emissão gama, um elemento em estado excitado (de alta energia) passa para outro de menor energia. A emissão resulta apenas em alterações energéticas no átomo. Uma onda eletromagnética é constituída apenas de energia; portanto, não há emissão de prótons, nêutrons ou elétrons.  O núcleo não é transformado em outro elemento; portanto, não perde suas características: apenas emite energia. O resultado é somente a emissão da onda gama.

Por ser uma onda eletromagnética de pequeno comprimento e alta frequência, é de grande perigo para os seres humanos.

Sumário

- O Núcleo Atômico
- Isótopos
- Emissões radioativas
- Os benefícios e malefícios da radiação
- Energia de Ligação
- Tempo de Meia Vida
- Reações Nucleares
i. Fissão nuclear
ii. Fusão nuclear
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