Aula01-ApresentaçãodoCurso-FísicaAtômicaeNuclear

EN3435:Aula 1

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Introdução a Engenharia Nuclear

Introdução a Engenharia Nuclear EN3435:Aula 1

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Introdução a Engenharia Nuclear

Introdução a Engenharia Nuclear

Ø Física Atômica e Nuclear

Ø Interação da Radiação com a Materia Ø Detectores de Radiação

Ø Proteção Radiológica e Blindagem

ØAplicações das Radiações e Radioisótopos Ø Reatores Nucleares

Ø Ciclo do Combustível ØTeoria do Reator

qJohn R. Lamarsh, Anthony J. Baratta, Introduction to Nuclear Engineering, Third Edition – 2001 Prentice Hall

q.Raymond I. Murray, Nuclear Energy: An introduction to the concepts systems and application of nuclear processes, Pergamon Unified Engineering Series, 1975

q Provas: NP=ΣP_i/2 Ø P1: 27/10 Ø P2: 08/12 q13/12: Projeto de Fim de curso( seminário+monografia)-PRO qMF=0,75xNP+0,25xPRO

q Conceitos:

Conceito

Conceito NotaNota

A 8,6 - 10

B 6,6 - 8,5

A gênese da energia nuclear

• 1805: átomo indivisível

• 1896: descoberta da radioatividade (Bequerel). Questiona-se a indivisibilidade do átomo

• 1897: descoberta dos elétrons (Thomson) • 1898: Ra, Th, Po (Pierre e Marie Curie)

• 1911: modelo atômico de Rutherford • 1913: modelo atômico de Bohr

A gênese da energia nuclear: a fissão

• 1931: Chadwick confirma a existência do nêutron • 1934: Joliot Curie e a radioatividade artificial

• 1935: Fermi produz os primeiros núcleos radioativos • 1937: Hahn, Meitner, Strassman e a fissão nuclear

• 1938: demonstração da emissão de nêutrons na fissão, reações em cadeia (Joliot Curie)

• 1939: Einstein e a intuição do poder da fissão. Uma carta para Roosevelt

2 dezembro 1942: o Chicago Pile I demonstra a primeira reação de fissão nuclear em cadeia auto

As principais partículas

• Elétron: m_e=9,10954x10-31_{kg; e=1,60219x10}-19 _C

• Pósitron: anti partícula do elétron

• Próton: m_p=1,67265x10-27_{kg; mesma carga do}

elétron

• Nêutron: m_n=1,67495x10-27_{kg; n→p+β(T}

1/2=12

minutos)

Estrutura Atômica e Nuclear

zXA: nuclideo ou isótopo

A= numero de massa=

prótons(Z)+ nêutrons(N) Z= numero atômico ( numero

de prótons/elétrons) • Isótopos: mesmo Z( quimicamente idênticos): 1H1; 1H2(deutério); 1H3(trítio)/ 92U235(0,3%); 92U238 (99,7%). Estáveis ou

Tabela de Nuclideos

• http://atom.kaeri.re.kr

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Raio Nuclear e Atômico

• Raio do átomo~2x10-10_cm=2x10-2 _A(1A~10-8 _cm)

constante volume) de unidade por nucleons de A/V(numero portanto , 10 fm fermion 1 25 , 1 ) ( 3 13 -3 / 1 » µ ® µ = = = A V R V cm xA fm R nucleo esfera

Exemplo

• Um copo de água contem 6,6x10

_{átomos de}

hidrogênio, sabendo-se que a abundancia

isotópica do deutério e 0,015 % em átomos,

quantos átomos de deutério existe no copo de

água:

Solução :

100%---6,6x1024 _{átomos de Hidrogênio}

Massa Atômica e Molecular

A massa atômica de um isótopo é definida como a massa do átomo neutro relativo a massa atômica do átomo neutro do 12_{C numa escala em que esta é}

arbitrariamente tomada com o valor 12 , ou seja, a massa atômica do isótopo A_{Z, é dada por:}

)

(

)

(

12

)

(

C

m

Z

m

x

Z

M

=

Unidade de Massa Atômica

• O numero de Avogrado( N_a=0,6022045x1024_),

é igual ao numero de átomos/moléculas contidos em uma massa atômica/massa molecular de qualquer elemento, então:

Massa do átomo do 12_{C: m(}12_{C)=12/0,6022045x10}24

=1,99268x10-23gr.

• Define-se 1 unidade de massa atômica(uma), como:

), ( 12 1 uma 1 = m 12C

Massa Atômica e Molecular

Um elemento é constituído de vários isótopos , então se f_i é a abundância isotópica em percentagem atômica do isótopo i com massa atômica M_i, então a massa atômica do elemento é dada por:

A massa molecular relativa ao 12_{C é a soma das massas}

atômicas dos átomos que constituem a molécula. Por exemplo a massa molecular da molécula de O₂ é

2x15,99938=31, 99876.

100

/

M

f

M

=

å

Unidade de Massa Atômica

• O numero de Avogrado( N_a=0,6022045x10-24_),

é igual ao numero de átomos/moléculas contidos em uma massa atômica/massa molecular de qualquer elemento, então:

Massa do átomo do 12_{C: m(}12_{C)=12/0,6022045=1,99268x10}-23_gr.

• Define-se 1 unidade de massa atômica(uma), como:

), ( 12 1 uma 1 = m 12C

EXEMPLO

Usando os dados de massas atômicas da tabela, calcule a massa atômica do oxigênio natural:

isótopo Abundância % atômica Massa atômica 16_{O 99,759 15,99492} 17_{O 0,037 16.99913} 18_{O 0,204 17,99916} Solução:

Densidade Atômica

• Calcular o numero de átomos/moléculas em 1 cm3 _?

N=N_avρ/M(moléculas)

N_av=6,6022x1023 _{átomos/moléculas em 1 mol}

N_i=n_i N_avρ/M(átomos)

• Mistura de Elementos, w_i=porcentagem em peso(w/o)

1. Um reator nuclear é carregado com 1500 kg de urânio enriquecido em 20% em 235_{U em massa. A densidade do urânio é 19,1 g/cm}3_{( urânio metálico).a)}

Quantos Quilos de 235_{U existem no reator? B) Qual são as densidades}

Atômicas do 235_{U e do} 238_U?

Solução:

a) 0,20x 1500= 300 kg

b) As massas atômicas do 235_{U e} 238_{U são 235,0439 e 238,0508}

respectivamente.Portanto:

N(235_{U)=(0,2x19,1x6,022x10}23_{)/235,0439=9,79x10}21_atomos/cm3

N(238_{U)=(0,8x19,1x6,022x10}23_{)/238,0508=3,86x10}22_atomos/cm3

2. Calcule para a água(H₂O), densidade 1 g/cm3_{, a) O numero de moléculas de H} 2O

por cm3_{, b) a densidade atômica do hidrogênio e do oxigênio,c) A densidade atômica}

do deutério 2_H.

Solução:

A massa molecular da H₂O é: 2x1,00797+15,9994=18,0152. Portanto a densidade Molecular é N(H₂O)=(1x0,6022x1024_{)/18,0152=0,03343x10}24 _{moléculas/cm}3

b) Existem 2 átomos de H e 1 átomo de O para cada molécula de H₂O, portanto: N(H)=2x0,03343x1024_=0,06686x1024 _átomos/cm3_{,e N(O)=0,03343x10}24 _átomos/cm3

c) A abundância relativa do deutério é 0,015%, e portanto N(2_{H)=0,00015x0,06686x10}24₌

1,0029x10-19 _átomos/cm3_.

3. Calcule a densidade do núcleo de 235_{U, assumindo que o núcleo é uma esfera de raio}

R

Exercícios Propostos

Lista 1

1. A massa atômica do59_{Co é 58,93319. Quantas vezes o} 59_{Co é mais pesado que o} 12_C?

2. Quantos átomos existem em 10 gr de 12_C?

3. O urânio Natural é composto de 3 isótopos 234_U; 235_U; 238_{U. A abundância natural e as}

massas atômicas são dadas na tabela abaixo. Calcule a massa atômica do urânio natural? Isótopo abundância% massa atômica

4. Estime o raio do núcleo do 238_{U e estime a densidade nuclear em g/cm}3

levando em conta que cada nucleon tem massa de 1,5x10-24 _gr.

5. Calcule a densidade atômica do 235_{U e do} 238_{U num combustível de UO}

2 que possui uma

densidade de10,8 g/cm3 e 3,5 % de enriquecimento em massa do 235_U.

234_{U 0,0057 234,0409}

235_{U 0,72 235,0409}