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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 4
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.
Partículas Subatómicas
Modelos Atómicos
Física e Química – Física moderna - fundamentos 7
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 8
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 11
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 12
• 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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 13
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 14
E
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)
Física e Química – Física moderna - fundamentos 16
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
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 20
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).
Física e Química – Física moderna - fundamentos 24
Todos os átomos de um mesmo elemento químico possuem o mesmo número atómico…
O
16 8O
17 8 16 – 8 =8
neutrões 17 – 8 =9
neutrõesIsótopos são átomos do mesmo elemento que diferem no número de neutrões.
…existem átomos do mesmo elemento com diferentes números
de massa.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 25
- 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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 26
Prótio Deutério Trítio
Hidrogénio-1 Hidrogénio-2 Hidrogénio-3
Carbono-12 Carbono-13 Carbono-14
Física e Química – Física moderna - fundamentos 27
Prótio Deutério Trítio
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 28
Prótio Deutério Trítio
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 31 http://www.guiadacarreira.com.br/artigos/ciencia/usinas-nucleares/
Física e Química – Física moderna - fundamentos 32
• 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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 35
Modalidade que realiza diagnóstico e terapia
através da radiação
emitida por elementos radioativos.
http://www.quimicaonline.net/?p=2420
Física e Química – Física moderna - fundamentos 36
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 37 Tomografia computadorizada
http://portal.unimedbauru.com.br/portal/unimedbauru/Portugues/lisVisita.php?codgaleria_categoria=20
Física e Química – Física moderna - fundamentos 38
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 39
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 40
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
Física e Química – Física moderna - fundamentos 43
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 44
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
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.
Física e Química – Física moderna - fundamentos 51
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 +
𝟎𝟏𝐧
92 235→
Ba + Kr + 3 n
0 1 3691+ energia
56 142Reação 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:
Física e Química – Física moderna - fundamentos 55
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 + ProtãoN
+ He
24 7 14→ O
8 17+ H
1 1𝐗
+ He
24 𝐙 𝐀→
O
8 17+ H
1 1 A + 4 = 17 + 1 ⟺ A = 14 Z + 2 = 8 + 1 ⟺ Z = 7 𝟕𝐍
(B) Berílio-9 + Alfa Carbono-12 + ?
Física e Química – Física moderna - fundamentos 57 Resolução:
Be + He
24 49→ C
126+ n
01 9 + 4 = 12 + A ⟺ A = 1 4 + 2 = 6 + Z ⟺ Z = 0 01n
Be + He
24 49→
126C
+
𝐀𝐙𝐗
(C) Alumínio-27 + ? Magnésio-27 + Protão
Física e Química – Física moderna - fundamentos 58 Resolução:
Al + n
01 13 27→ Mg
12 27+ H
1 1 27 + A = 27 + 1 ⟺ A = 1 13 + Z = 12 + 1 ⟺ Z = 0 01n
Al +
𝐀𝐙𝐗
1327→ Mg
1227+ H
11Física 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