Parte II-Fisica nuclear

(1)

ESCOLA SECUNDÁRIA DOMINGOS REBELO

Programa Formativo de Inserção de Jovens – IV

Curso de Técnico de Análise Laboratorial

Disciplina de Física e Química

Unidade de formação de Física Moderna - fundamentos

1

Disciplina de Física e Química Física moderna – fundamentos

Professora: PMargarida Cabral

Sombra e penumbra

Física nuclear

2

1. Reconhece as teorias clássicas da física que deram origem à física atual.

2. Identifica os conceitos clássicos da física e as respetivas aplicações à tecnologia moderna.

3. Reconhece os conceitos fundamentais da física moderna.

4. Descreve os principais fenómenos e ideias que conduziram à física dos nossos dias.

5. Enuncia os conceitos essenciais de física nuclear.

Física e Química – Física moderna - fundamentos 3

o Física nuclear  Teoria de Becquerel

• Núcleo tem estrutura mas não é divisível

 Núcleos estáveis e núcleos instáveis  Núcleos atómicos

• Protões

• Eletrões

• Neutrões

 Fissão nuclear

• Fonte de energia

 Fusão nuclear

• Fonte de energia

Sombra e penumbra

Área da física que estuda os constituintes e interações dos núcleos atómicos.

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Partículas Subatómicas

Modelos Atómicos

Protões (p) Carga = +1

Neutrões (n) Sem carga

A palavra átomo significa indivisível mas hoje sabe-se que o átomo não o é. Existem partículas subatómicas:

Electrões (e) Carga = -1

O protão e o neutrão são as partículas responsáveis pela massa do átomo A massa do electrão é desprezável

m protão = m neutrão = 1840 x m electrão

Física e Química – Física moderna - fundamentos 9 Física e Química – Física moderna - fundamentos 10

O átomo é uma pequena esfera indivisível e indestrutível.

Modelo de Thompson – Pudim de passas

O átomo é uma esfera de carga positiva onde os electrões (carga negativa) estão incrustados como as passas num pudim

• A maior parte do átomo é espaço vazio.

Modelo planetário

• Núcleo:

• tem carga positiva

(protões) ;

• concentra praticamente toda a massa do átomo (protões + neutrões. • Em volta do núcleo, tal como os planetas em volta

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Modelo de Bohr – Rutherford ou modelo de Bohr (Modelo dos Estados estacionários)

• Os electrões movem-se à volta do núcleo em trajectórias circulares bem definidas a que se chamam órbitas;

• A energia do electrão numa determinada órbita é bem definida;

• Enquanto o electrão percorre uma dada órbita não absorve nem emite energia.

E

Quando o electrão absorve energia transita para uma órbita mais externa, mais afastada do núcleo.

Quando o electrão transita de uma órbita mais externa para outra mais interna, emite energia.

Estado excitado

Estado fundamental

Física e Química – Física moderna - fundamentos 15 Modelo de Bohr – Rutherford ou modelo de Bohr

(Modelo dos Estados estacionários)

Modelo da Nuvem electrónica

• Os electrões movem-se a

velocidades elevadíssimas em

torno do núcleo, sem trajectórias

definidas

• A zona mais densa em volta do núcleo, significa maior

probabilidade de aí encontrar electrões

• O conjunto de posições que os electrões podem ocupar forma a

nuvem electrónica

Carga nuclear:

• Múltipla da carga do protão Ex.: Núcleo com 8 protões + 9 neutrões

carga nuclear = 8 x (+ 1) = + 8

Massa nuclear:

• Praticamente igual à massa do átomo (igual à soma da massa de todos os protões e de todos os neutrões).

Ex.: núcleo com 8 protões + 9 neutrões massa nuclear ≈ massa atómica = 17

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Física e Química – Física moderna - fundamentos 19 Núcleo: Carga positiva de valor igual ao n.º de protões Nuvem Electrónica: Carga negativa de valor igual ao n.º de electrões O átomo é electricamente neutro O n.º de protões é sempre

igual ao número de electrões

Núcleo:

Protões e neutrões

Nuvem Electrónica:

Eletrões

Física e Química – Física moderna - fundamentos 21 Nucleões

Número de massa (A):

Número de nucleões existente no núcleo de um átomo. N.º de eletrões = N.º de protões Núcleo: Protões e neutrões Nuvem Electrónica: Eletrões

Física e Química – Física moderna - fundamentos 22 Nucleões

Número de massa (A):

Número de nucleões existente no núcleo de um átomo. Número atómico (Z): Número de protões existente no núcleo de um átomo (é característico de cada elemento químico).

Conhecendo Z, fica-se a conhecer a carga nuclear!

Física e Química – Física moderna - fundamentos 23 X – Símbolo químico do elemento químico.

Z – Número atómico (índice inferior esquerdo). A - Número de massa (índice superior esquerdo).

X

𝑍

A

Nuclido - qualquer espécie nuclear definida pelo seu número

atómico (Z) e pelo seu número de massa (A).

Todos os átomos de um mesmo elemento químico possuem o mesmo número atómico…

O

16 8

O

17 8 16 – 8 =

8

neutrões 17 – 8 =

9

neutrões

Isótopos são átomos do mesmo elemento que diferem no número de neutrões.

…existem átomos do mesmo elemento com diferentes números

de massa.

(5)

- Os isótopos de um elemento químico apresentam propriedades muito semelhantes, por terem o mesmo número de protões e de eletrões.

- A massa dos isótopos é diferente, pois o número de neutrões é distinto.

Prótio Deutério Trítio

Hidrogénio-1 Hidrogénio-2 Hidrogénio-3

Carbono-12 Carbono-13 Carbono-14

Hidrogénio-1 Hidrogénio-2 Hidrogénio-3 • A abundância relativa dos isótopos não é a

mesma;

• O isótopo mais abundante é o prótio e o menos abundante é o trítio, sendo o mais instável.

Hidrogénio-1 Hidrogénio-2 Hidrogénio-3 “A instabilidade do trítio é consequência do elevado número de neutrões relativamente ao número de protões, o que provoca emissão de radiação nuclear”.

Os átomos tendem a transformar-se espontaneamente em espécies químicas mais estáveis, emitindo partículas muito

energéticas a partir do núcleo – radioatividade.

http://wwwdjjradioatividade-radioatividade.blogspot.pt/p/radioatividade.html

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Física e Química – Física moderna - fundamentos 31 http://www.guiadacarreira.com.br/artigos/ciencia/usinas-nucleares/

• Estados Unidos usou-a na Segunda Guerra Mundial contra o Japão, onde matou aproximadamente 350.000 de pessoas em Hiroshima e Nagazaki.

Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/bomba-atomica/

• Primeiros testes da bomba atómica foram realizados no deserto do Novo México.

http://www.brasilescola.com/quimica/bomba-atomica.htm

Física e Química – Física moderna - fundamentos 33 http://jamesmcwhorter.com/2012/06/chernobyl-diaries-truth-stranger-th an-fiction/chernobyl-mutation-photos11/

Física e Química – Física moderna - fundamentos 34 http://www.mundoeducacao.com/quimica/vantagens-desvantagens-uso-en ergia-nuclear.htm

Modalidade que realiza diagnóstico e terapia

através da radiação

emitida por elementos radioativos.

http://www.quimicaonline.net/?p=2420

Modalidade médica que realiza terapia através da radiação ionizante emitida por elementos radioativos e outras

fontes (acelerador

linear).

Radioterapia

A irradiação de tecidos lesionados pode proporcionar a cura.

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Física e Química – Física moderna - fundamentos 37 Tomografia computadorizada

http://portal.unimedbauru.com.br/portal/unimedbauru/Portugues/lisVisita.php?codgaleria_categoria=20

A técnica de datação por carbono-14 foi descoberta nos anos quarenta por Willard Libby (Nobel da Química 1960).

Em 1947, utilizou um contador

Geiger comprovando um método com uma viabilidade até cerca de 70 mil anos.

Isótopo radioativo carbono- 14 é instável e decai a um ritmo perfeitamente mensurável!

http://pt.wikipedia.org/wiki/Contador_Geiger

Fonte: http://www.infoescola.com/fisica/bomba-atomica/

O princípio de funcionamento foi imaginado por volta de 1913 por Hans Geiger e desenvolvido por Geiger e Walther Müller, em 1928.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Contador_Geiger ContadorGeiger

Antoine Henri Becquerel Descobriu de que o urânio emite radiação

Prémio Nobel 1903

Pedaços de filme fotográfico guardados com sal de urânio.

Aplicações :

- Produção de energia nuclear; - Tecnologia de armas nucleares; - Medicina nuclear;

- Ressonância magnética,

- Datação por radiocarbono em geologia e arqueologia.

Área da física que estuda os constituintes

e interações dos

núcleos atómicos.

Reações nucleares Reações químicas

Ocorrem ao nível dos núcleos

Ocorrem ao nível das camadas eletrónicas milhões de vezes maior

ENERGIA

milhões de vezes menor

Originam novos

elementos químicos

Mesmos elementos químicos nos reagentes e nos produtos de reação

(8)

Reações nucleares Reações químicas

Diferença significativa entre a massa total dos reagentes e a

massa total dos

produtos de reação.

A massa total dos reagentes é igual à massa total dos produtos de reação.

Transformação de

massa em energia.

Núcleos instáveis Núcleos radioactivos

Física e Química – Física moderna - fundamentos 45 Fusão nuclear

Dois núcleos de menor massa fundem-se para dar origem a um núcleo de maior massa e mais estável, com libertação de energia.

4 H₁1 _{→ He + 2 e} +10 + Energia 2 4 3 He₂4 _{→ C + Energia} 6 12 Exemplos:

Física e Química – Física moderna - fundamentos 46 Fissão nuclear

O choque de neutrões com núcleos de grande massa e instáveis dá origem à sua desintegração em dois núcleos mais pequenos e mais estáveis e à emissão de neutrões com libertação de elevadas quantidades de energia. U + n₀1 92 235 _{→ Sr +} _{Xe + 3 n} 0 1 54 143 _{+ Energia} 3890 Exemplo:

Física e Química – Física moderna - fundamentos 47 Fusão nuclear

Emitida radiação de vários tipos:

Radiação alfa Radiação beta Radiação gama

𝐇𝐞𝟐+ 𝟐 𝟒 _ou _𝛂 𝟐 𝟒 𝐞 −𝟏𝟎 ou 𝐞−𝟏 ou 𝛃−𝟏_ou _𝛃 −𝟏𝟎 𝛄 𝟎 𝟎 _ou_𝛄

Física e Química – Física moderna - fundamentos 48 Representação convencional de algumas partículas subatómicas:

Protão Neutrão Positrão Neutrino 𝐇+_ou_𝐩+ _n _𝐞+_ou_𝛃+ _𝝂 𝐇 𝟏 𝟏 _ou _𝐩 𝟏 𝟏 _𝐧 𝟎 𝟏 _𝐞 +𝟏𝟎 ou+𝟏𝟎𝛃 𝟎𝟎𝝂

(9)

Física e Química – Física moderna - fundamentos 49 Escrita de equações que traduzem as reações nucleares Obedece a duas regras específicas, além da regra geral de escrita de equações químicas…

Regra Z – A soma dos números atómicos das partículas reagentes é igual à soma dos números atómicos dos produtos de reação.

Física e Química – Física moderna - fundamentos 50 Escrita de equações que traduzem as reações nucleares Obedece a duas regras específicas, além da regra geral de escrita de equações químicas…

Regra A – A soma dos números de massa das partículas reagentes é igual à soma dos números de massa dos produtos de reação.

Complete e classifique as reações nucleares correspondentes a: (A)23592U + ?→14256Ba + Kr + 3 n3691 01 + Energia (B) H + H ₁2 1 2 _{→ H+}_?_+energia 1 3 (C) H + H 13 12 → ? + n + energia 01 Aplicação:

Física e Química – Física moderna - fundamentos 52 Resolução: (A)23592U + ?→14256Ba + Kr + 3 n3691 01 + Energia 235 + A = 142 + 91 + 3 × 1 ⟺ A = 1 92 + Z = 56 + 36 + 0 ⟺ Z = 0

U +

_𝟎𝟏

𝐧

92 235

_→

_{Ba + Kr + 3 n}

0 1 3691

+ energia

56 142

Reação de cisão ou fissão nuclear

(B) H + H ₁2 1

2 _{→ H+}_?_+energia

1 3

Reação de fusão nuclear

H + H

₁2 1 2

_{→ H +}

_𝐩

𝟏 𝟏

_{+ energia}

1 3 2 + 2 = 3 + A ⟺ A = 1 1 + 1 = 1 + Z ⟺ Z = 1 Resolução:

Reação de fusão nuclear 3 + 2 = A + 1 ⟺ A = 4 1 + 1 = Z + 0 ⟺ Z = 2 (C) H + H 13 12 → ? + n + energia 01 H + H ₁2 1 3 _→ _𝐇𝐞 𝟐 𝟒 _{+ n + energia} 0 1 Resolução:

(10)

Complete as equações que traduzem as trasmutações provocadas por partículas aceleradas:

Aplicação:

(A)

?

+ Alfa  Oxigénio-17 + Protão

(B) Berílio-9 + Alfa  Carbono-12 + ?

(C) Alumínio-27 + ? Magnésio-27 + Protão

(D) Oxigénio-16 + Neutrão  Carbono-13 + ?

(E) Sódio-23 + Neutrão ? + Gama

(F)? + Neutrão  Potássio-38 + 2 neutrões

(G) Berílio-9 + Protão  Berílio-8 + ?

(H) Cálcio-44 + Protão ? + Neutrão

(I)? + Protão  Berílio-10 + Gama

Física e Química – Física moderna - fundamentos 56 Resolução:

(A) ?

+ Alfa  Oxigénio-17 + Protão

N

+ He

₂4 7 14

_{→ O}

8 17

_{+ H}

1 1

𝐗

+ He

₂4 𝐙 𝐀

_→

_O

8 17

_{+ H}

1 1 A + 4 = 17 + 1 ⟺ A = 14 Z + 2 = 8 + 1 ⟺ Z = 7 _𝟕

𝐍

(B) Berílio-9 + Alfa  Carbono-12 + ?

Be + He

₂4 49

→ C

126

+ n

01 9 + 4 = 12 + A ⟺ A = 1 4 + 2 = 6 + Z ⟺ Z = 0 ₀1

n

Be + He

₂4 49

→

126

C

+

𝐀𝐙

𝐗

(C) Alumínio-27 + ?  Magnésio-27 + Protão

Al + n

₀1 13 27

_{→ Mg}

12 27

_{+ H}

1 1 27 + A = 27 + 1 ⟺ A = 1 13 + Z = 12 + 1 ⟺ Z = 0 ₀1

_n

Al +

𝐀_𝐙

𝐗

1327

→ Mg

1227

+ H

11

Física e Química – Física moderna - fundamentos 59 Soluções:

(D) Oxigénio-16 + Neutrão  Carbono-13 + ?

O + n₀1 8 16 _{→ C} 6 13 ₊ _𝐇𝐞 𝟐 𝟒 (E) Sódio-23 + Neutrão ? + Gama

Na + n₀1 11 23 _→ _𝐍𝐚 𝟏𝟏 𝟐𝟒 _{+ γ} 0 0 (F)? + Neutrão  Potássio-38 + 2 neutrões

𝐊+ n₀1 𝟏𝟗 𝟑𝟗 _→ _K 19 38 _{+ 2 n} 0 1

Física e Química – Física moderna - fundamentos 60 Soluções:

(G) Berílio-9 + Protão  Berílio-8 + ?

Be + H₁1 4 9 _{→ Be} 4 8 ₊ _𝐇 𝟏 𝟐 (H) Cálcio-44 + Protão ? + Neutrão

Ca + p₁1 20 44 _→ _𝐒𝐜 𝟐𝟏 𝟒𝟒 _{+ n} 0 1 (I)? + Protão  Berílio-10 + Gama

𝐋𝐢+ H₁1 𝟑 𝟗 _{→ Be} 4 10 _{+ γ} 0 0