Aula1-EstruturaAtômica

Prof. Francisco A. Bomfim

M

ATERIAIS

E

LÉTRICOS E

P

ROCESSOS

A

ULA

1

T

ÓPICOS ABORDADOS

 _{Estrutura atômica;}

 _{Níveis de Eletrônicos;}

 _{Transições Eletrônica;}

 _{Energia Nuclear;}

 _{Aplicações da Energia Nuclear.}

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Estrutura Atômica

 Os fatores que governam as propriedades dos materiais estão intimamente ligadas com a estrutura geral do átomo. Propriedades tais como:

 Condutividade elétrica e térmica;  Resistência mecânica;

 Oxidação;

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Estrutura Atômica

Elétron

 Para conhecermos as propriedades dos materiais devemos conhecer como o átomo é organizado.

 Um átomo é formado por um núcleo circundado por elétrons;

 Os elétrons são partículas carregadas e com 1/1836 da massa de um nêutron;

 A carga do elétron é convencionada negativa e em

unidades físicas a carga do elétron vale 1,6.10-19

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Estrutura Atômica

Núcleo

 O núcleo é composto de prótons e nêutrons.  O nêutron não tem carga elétrica;

 O próton tem carga elétrica positiva, que se representa por +e;

 Representa-se por Z o número de prótons de um átomo. A carga positiva do núcleo é então +Ze.

Modelo quântico: Nuvem eletrônica

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Estrutura Atômica

Numero atômico e numero de massa

 Chama-se o número atômico (Z) de um elemento o

número de prótons no seu núcleo.

 Para um átomo neutro, este é também o número de elétrons que o átomo possui;

 Chama-se o número de massa (A) de um elemento a

soma do número de prótons (Z) com o número de

nêutron (N).

A = Z + N

A massa atômica é expressa em gramas por átomo grama. Um átomo grama sempre contem 6,02.1023 _{átomos = 1 mol}

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Estrutura Atômica

Isótopos, Isóbaros, Isótonos

 Isótopos: Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes são denominados isótopos;

Isóbaros: Elementos diferentes com a mesma massa;

 Isótonos: Elementos diferentes com o mesmo número de neutrons ;

 Isoeletrônicos: Elementos diferentes com o número de elétrons.

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Níveis eletrônico

Orbitais

 As órbitas dos elétrons são representadas, de dentro para fora, pelas letras K, L, M, N, O, P, Q. A órbita K é a mais interna, Q é a mais externa

Número máximo de elétrons K= 2, L= 8, M= 18, N=

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Níveis eletrônico

Subníveis

 O número de subníveis que constituem cada nível de energia depende do número máximo de elétrons que cabe em cada nível.

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Níveis eletrônico

Exemplo

 Se Z=25, isto significa que no átomo normal de manganês há 25 elétrons. Aplicando o diagrama de Pauling, teremos: K - 1s2 L - 2s2 _2p6 M - 3s2 _3p6 _3d5 N - 4s2 _{4p 4d 4f} O - 5s 5p 5d 5f P - 6s 6p 6d Q - 7s 7p Resposta: K=2; L=8; M=13; N=2

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Níveis eletrônico

Transições Eletrônicas

 O elétron pode fazer transições entre orbitais absorvendo energia proporcional a diferença entre dois níveis E1 e E2:

E2- E1=h.C/ E₂ E₁ E₂ E₁ Fóton absorvido Fóton emitido Absorção (a) Emissão (b) h h

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Energia Nuclear

Energia e o Urânio

A energia que mantém os prótons e nêutrons juntos no núcleo é a ENERGIA NUCLEAR, isto é a energia de ligação dos

nucleons (partículas do núcleo); E=m.C2

Uma vez constatada a existência da energia nuclear, restava descobrir como utilizá-la;

A energia que mantinha juntos esses núcleos menores, antes constituindo um só núcleo maior, seria liberada, na maior parte, em forma de calor (energia térmica).

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Energia Nuclear

Energia e o Urânio

 Isótopos do urânio

O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na natureza na forma de 3 isótopos:

• U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível);

• U-235, com 143 nêutrons, usado em reatores PWR, após enriquecido

(0,7%);

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Energia Nuclear

Urânio enriquecido

 A quantidade de urânio-235 na natureza é muito pequena: para cada 1.000 átomos de urânio, 7 são de urânio-235 e 993 são de urânio-238 (a quantidade dos demais isótopos é desprezível)

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Energia Nuclear

Urânio enriquecido

 Nos Reatores Nucleares do tipo PWR, é necessário haver a

proporção de 32 átomos de urânio-235 para 968 átomos de

urânio-238, em cada grupo de 1.000 átomos de urânio, ou seja, 3,2% de urânio-235;

 Se o grau de enriquecimento for muito alto (acima de 90%),

isto é, se houver quase só urânio-235, pode ocorrer uma reação em cadeia muito rápida, de difícil controle, mesmo para uma quantidade relativamente pequena de urânio, passando a constituir-se em uma explosão: é a “bomba atômica”.

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Energia Nuclear

O Reator Nuclear existente em Angra

 PWR (Pressurized Water Reactor = Reator a Água Pressurizada);

O urânio, enriquecido a cerca de 3,2% em urânio-235, é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro, dentro de tubos (“varetas”) de 4m de comprimento, feitos de uma liga especial de zircônio, denominada “zircalloy”.

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Energia Nuclear

Barras de Controle funcionamento

Na estrutura do Elemento Combustível existem tubos guias, por onde podem

passar as Barras de Controle, geralmente feitas de cádmio, material que

absorve nêutrons, com o objetivo de controlar a reação de fissão nuclear em

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Energia Nuclear

Proteção

O Edifício do Reator,

construído em concreto e

envolvendo a Contenção de aço, é a quarta barreira física que serve para impedir a saída de material radioativo para o meio ambiente e, além disso,

protege contra impactos

externos (queda de aviões e explosões).

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Energia Nuclear

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Energia Nuclear

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Energia Nuclear

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Energia Nuclear

Contaminação radioativa

Símbolo da presença de radiação*. Deve ser respeitado, e não temido.

* Trata-se da presença de radiação acima dos valores encontrados no meio ambiente, uma vez que a radiação está presente em qualquer lugar do planeta.

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Referências:

Apostilas educativas da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), disponível em:

http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/aplica.pdf http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/energia.pdf http://www.cnen.gov.br/ensino/apostilas/radio.pdf

Prof. Mestre em Tecnologia Nuclear –IPEN/USP. Bolsista da CNEN de 2007 a 2009.