Cap 02 Física atomica e nuclear

ENE-204: Energia nuclear

Prof. Dr. Jose Rubens Maiorino Prof.Dr. João Manoel Losada Moreira

Engenharia da Energia CESC

Joserubens.maiorino@ufabc.edu.br

PLANEJAMENTO

•AULA 1(25/09): NOÇÕES DE FÍSICA ATÔMICA E NUCLEAR (MAIORINO)

•AULA 2(02/10): INTERAÇÃO DA RADIAÇÃO COM A MATÉRIA (MAIORINO)

•AULA 3(09/10): APLICAÇÕES NÃO ENERGÉTICAS PACIFICAS (MAIORINO)

•AULA 4(16/10): REATORES NUCLEARES E CICLO DO COMBUSTÍVEL (MOREIRA)

•AULA 5(23/10): TEORIA DO REATOR NUCLEAR (MOREIRA) -ESTATICA

•AULA 6(06/11): TEORIA DO REATOR NUCLEAR (MOREIRA) - DINÂMICA

•AULA 7(13/11): TERMO-HIDRÁULICA DE REATORES (MAIORINO)

•AULA 8(27/11): SEGURANÇA NUCLEAR E ACIDENTES (MAIORINO)

•AULA 10(04/12) ECONOMIA, IMPACTOS AMBIENTAIS E PERSPECTIVAS FUTURAS (MOREIRA)

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)

2 dezembro 1942: o Chicago Pile I demonstra a

primeira reação de fissão nuclear em cadeia auto

As principais partículas

•

Elétron: m

=9,10954x10

_{kg; e=1,60219x10}

_C

•

Pósitron: anti partícula do elétron

•

Próton: m

=1,67265x10

_{kg; mesma carga do}

elétron

•

Nêutron: m

=1,67495x10

kg; n→p+β

_(T

1/2

=12

minutos)

•

Fóton: ondas eletromagnéticas (m=0;

q=0,c=2,9979x10

_m/s)

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

Exemplo

•

Um copo de água contem 6,6x10

_{átomos de}

hidrogênio, sabendo-se que a abundancia

isotópica do deutério e 0,015 % em atomos,

quantos átomos de deutério existe no copo de

água:

Solução :

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

0,015--- átomos de D

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

_{C numa escala em que esta é}

arbitrariamente tomada com o valor 12 , ou seja, a

massa atômica do isótopo

_{Z, é dada por:}

)

(

)

(

12

)

(

C

m

Z

m

x

Z

M

A

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:

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

/

i i

i

M

f

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:

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 cm

_?

N=N

ρ/M(moléculas)

N

=6,6022x10

_{átomos/moléculas em 1 mol}

N

=n

N

ρ/M(átomos)

•

Mistura

de

Elementos,

w

=porcentagem

em

peso(w/o)

Raio Nuclear e Atômico

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

Exercícios Propostos

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.

234_{U 0,0057 234,0409}

Exercícios Propostos

5.

6.

Estado da Matéria

LÍQUIDO SÓLIDO

GASOSO

Forças Intermoleculares!

Plasma

• Plasma e o quarto estado da matéria. Neste estado todas ligações químicas(moleculares) e atômicas são quebradas, e este estado e basicamente constituída de núcleo atômico(+)e elétrons(-)(matéria Ionizada em

movimento - Chama ou fogo,T=milhares- milhões K

).

Nota: Existem outros estados da matéria, por exemplo a matéria nuclear

Sólidos(Corpos Rígidos/deformáveis)

Estados da Matéria

Diamante

Grafite

Líquido(Fluidos incompressíveis)

um estadoda matériano qual a distânciaentre suas moléculasé suficiente para se adequar a qualquer meio (tomando sua forma),porém sem alterar o volume

Estados da Matéria

Gases( Flamengo Caos)- Fluidos Compreensíveis(

ρ

,V variam com P,T)

Distribuição de Maxweell

dE kT E

kT E kT

N dE

E

N( )  2 exp[ / ]



k= constante de Boltzman=1,3806503x10-23 _J/K

OU k=8.617X10-5 _eV/K

Ponto de Vista Macroscópico e

Microscópico

Gelo Sólido H20 liquida Vapor

H e O (Gás) Plasma kT dE E EN N E     0 2 3 ) (

1 _{Temperatura e a medida da}

Energia Media das Mol. ou átomos nRT PV T Nk PV T V Nk P kT E V E N P c

c       

 ( ) 2 3 , 3 2

Teoria da Relatividade

Massa e Energia

Postulados da Teoria da Relatividade Especial(

Einstein, A. ,

Ann. Physik,4, 1905)

•

A velocidade da Luz( c ~ 300000 km/s)

independe do sistema de coordenadas e é

uma constante universal

•

As leis da Física( ex: Eqs de Maxwell) são

validas em qualquer sistemas inerciais de

Transformações de Lorentz

P

x x’

Σ _{Σ ’}

v

)

(

;

)

(

x

c

t

t

z

z

y

y

ct

x

x





















c

v





1

)

1

(







_



Contração do Espaço e Dilatação do

Tempo

Considere 2 eventos ocorrendo simultaneamente em Σ( Δt=0) separados por Δx, então em Σ’, , ou seja γΔx, e desde que γ≥1, Δx≤Δx’, ou seja para um observador em repouso um objeto em

movimento tem seu comprimento diminuído quando comparado

com o mesmo objeto em repouso( contração de Lorentz). Da mesma maneira ,

eventos que ocorrem no mesmo local em Σ’( Δx’=0), e não simultâneos, no

sistema Σ, Δt=γΔt’≥Δt’, ou seja para um observador em repouso, a progressão do

tempo é diminuída para um observador em movimento. Este fato dá origem ao famoso paradoxo dos gêmeos, ou do filme de ficção científica o planeta dos macacos. Dois gêmeos no planeta terra, sendo que um parte para uma viagem espacial com velocidade próxima da luz, após alguns anos terrestres é com supressa que o gêmeo viajante verifica que seu irmão está muito mais velho do que ele. Cientificamente estes fenômenos podem ser constatados pelo fato que

os mésons μ que possuem um tempo de vida média de 2.26x10-6_{segundos pode}

ser detectado na superfície da terra. Assim pela mecânica clássica o livre caminho médio seria de ~ 700 m, enquanto estes penetram ~30 km na

atmosfera( que seria equivalente a um encurtamento em sua vida para ~10-4

segundos.

ENERGIA NUCLEAR

•

A+B→ C+D: Q=[(M

+M

)- (M

+ M

)]c

₌

VARIAÇÃO DA ENERGIA CINÉTICA( 1 uma=

931.478 MeV)

•

_{U +}

n→ (

U)*→

_{Cs +}

_{Rb + 3}

n + γ(

exemplo típico de fissão)+ neutrino

•

Calcule Q=931,478

∆M≈200 MeV

Elementos da Mecânica Quântica

Comprimento de Onda de Partículas

De Broglie( Tese de Doutorado, 1924): partícula de

momento p pode ser interpretada como uma onda de λ= h/p( h é a constante de Plank; E=hν). Em 1927 Davison&

Germer DEMONSTRARAM EXPERIMENTALMENTE O COMPORTAMENTO ONDULATÓRIO DE PARTÍCULAS( ELETRONS)

Mecânica Ondulatória( Schrondinger) Mecânica Matricial( Heisenberg)

Equação de Schondinger

• Max Plank: E=hυ( Emissão de corpo negro), h= 6.6256x10-27 erg.seg( quantum de Energia)

• Einsten- Efeito fotoelétrico(1905)- Premio

Nobel-Comportamento de partícula da radiação eletromagnética: Momento= hν/c=h/λ

• Niels Bohr( 1913): teoria semi clássica e quântica. Postulados: 1) Um sistema atômico existe em certos estados estacionários de energia E_j, 2) A transição entre estados estacionários é

acompanhada pela absorção ou emissão de energia, , 3) os estados estacionários

são dados por: n=1,2,...h

E E₂  ₁

 

0

)

(

8

2













E

V



h

m

função(de onda),Ψ que descreve

totalmente o sistema

nh mv

r( )  2

Estados Atômicos e Excitação

• A solução da Equação de Schondinger aplicada, por exemplo ao atomo de hidrogênio (V=e2_{/r), fornece que os elétrons somente podem ocupar}

determinados níveis de energia( números quanticos).

Níveis de Energia do H

h E E₂  ₁

 

Átomo de ₆C12-_{Orbitas K,L,....( Valencia)}

A energia suficiente para arrancar um elétron de uma orbita, e chamada de Energia de ionização

Estado fundamental nh mv

Núcleo Atômico

• Modelos das Camadas equivalente aos níveis de Energia do

átomo-Mecânica quântica

•

Modelo da Gota Liquida

(Bohr)

Energia de Ligação

Δ

=ZM

+NM

-M

Δ

=Z(M

+m

)+NM

-(M

+Zm

)

Δ

=ZM(

_H)+NM

n

-M

BE/NUCLEON=

Δ

/A(Energia de Ligação

por Nucleon)

Radioatividade

Cálculos de Radioatividade

λ=constante de desintegração radioativa (probabilidade de decaimento/unidade

A=atividade= _λN(desintegracoes/segundo 1 Becquerel=1 des./seg

1 Curie(Ci)=3,7x1010_des./seg