Conceitos Básicos da Física Nuclear

1. Conceitos Básicos daFísica Nuclear Prof. Fernando Carvalho Programa de Engenharia Nuclear COPPE/UFRJ

2. Constituintes do Núcleo Atômico O núcleo atômico é composto por prótons e nêutrons, os nucleons. Número de prótons: Z (Número atômico) Número de nêutrons: N Número de nucleons: Z+N=A (Número de massa) Representação de um núcleo atômico: As diferentes espécies de núcleos são chamadas de nuclídeos. Conceitos Básicos da Física Nuclear

3. Isótopos Isótopos do Hidrogênio: Isótopos Gadolínio: Isótopos do Urânio: Conceitos Básicos da Física Nuclear

4. Estabilidade • A cor verde representa os nuclídeos estáveis. • A cor abóbora representa os radionuclídeos. Para Z>83 (Bismuto) só há radionuclídeos. Conceitos Básicos da Física Nuclear

5. Núcleos Mágicos Os núcleos que contém 2, 6, 8, 14, 20, 28, 50, 82 ou 126 nêutrons ou prótons são especialmente estáveis. Estes núcleos são chamados de mágicos, pois o número de nucleons associado é dito ser um número mágico. Núcleos com número mágico de nêutrons quase não absorvem nêutrons. - usado como material estrutural em reatores nucleares - poderia ser usado (na forma líquida) como refrigerante Conceitos Básicos da Física Nuclear

6. Raio e Massas Nucleares • Raio Nuclear (considerado por ser uma esfera) • Massas Nucleares Massa do nêutron: Massa do próton: Massa do núcleo: Conceitos Básicos da Física Nuclear

7. Massa e Energia A unidade usada para as massas nucleares é a unidade de massa atômica (amu), que equivale a 1/12 da massa em gramas do Então: • Equivalência entre massa e energia: Conceitos Básicos da Física Nuclear

8. Energia de Ligação Conceitos Básicos da Física Nuclear

9. Conceitos Básicos da Física Nuclear

10. Núcleos para os quais a energia média por nucleon é alta são particularmente estáveis ou firmemente ligados. • Grande quantidade de energia deve ser suprida a estes núcleos para separá-los em seus constituintes. • Quando tais núcleos são formados, a partir de seus constituintes, grande quantidade de energia é liberada. • Por outro lado, núcleos com baixa energia de ligação por nucleon podem facilmente ser separado em seus nucleons constituintes. • Estes núcleos liberam menos energia quando são formados. Conceitos Básicos da Física Nuclear

11. Se for possível produzir uma configuração mais estável juntando núcleos menos estáveis, então energia é liberada. Este processo chama-se fusão nuclear. • E se for possível produzir uma configuração mais estável dividindo-se um núcleo pesado em dois outros núcleos, também há liberação de energia. Este processo chama-se fissão nuclear. Conceitos Básicos da Física Nuclear

12. Fontes de Energia Nuclear • Fusão Nuclear: • Fissão Nuclear: Conceitos Básicos da Física Nuclear

13. Conceitos Básicos da Física Nuclear

14. Energia Produzida Conceitos Básicos da Física Nuclear

15. Exercício Se você pudesse aproveitar toda a energia disponível em 1g de lixo, quanto de energia, em KWh, você teria? E se pudesse vendê-la a R$ 0,01 por KWh, quanto você ganharia? Dados: Cálculo da energia: Conceitos Básicos da Física Nuclear

16. Em uma casa cujo consumo mensal de energia é de 695 KWh/mês, esta quantidade de energia daria para abastecer esta casa por ~36 mil meses. Cálculo dos rendimentos em reais: Rendimentos Conceitos Básicos da Física Nuclear

17. Níveis de Energia do Núcleo Estados Excitados Estado Fundamental Conceitos Básicos da Física Nuclear

18. Radioatividade • A cor verde representa os nuclídeos estáveis. • A cor abóbora representa os nuclídeos instáveis. Para Z>83 (Bismuto) só há radionuclídeos. Conceitos Básicos da Física Nuclear

19. Radiações Nucleares • Certos núcleos, mesmo em seu Estado Fundamental, são instáveis no sentido que podem se transformar, espontaneamente, em um nuclídeo diferente, usualmente acompanhado pela emissão de partículas energéticas (decaimento alfa e decaimento beta). • Núcleos em Estados Excitados também podem decair de estados com maior energia para estados de menor energia e, neste caso, podem, por exemplo, emitir um nêutron ou um fóton (radiação eletromagnética). Conceitos Básicos da Física Nuclear

20. Decaimento alfa • Decaimento beta • Decaimento de núcleos em estados excitados Conceitos Básicos da Física Nuclear

21. Materiais Radioativos • Decaimento alfa • Decaimento beta Obs.: A partícula tem a massa e a carga de um elétron e tanto o quanto o não possuem massa, mas carregam energia. Conceitos Básicos da Física Nuclear

22. Meia Vida É o intervalo de tempo necessário para que a quantidade de núcleos radioativos em uma amostra caia a metade. • Constante de Decaimento A probabilidade, por unidade de tempo, que um núcleo radioativo decaia é uma constante e chama-se constante de decaimento. • Relação: Conceitos Básicos da Física Nuclear

23. Materiais Radioativos - Aplicações e Para medidas de datação: Para cura de câncer: Conceitos Básicos da Física Nuclear

24. Transmutações Nucleares • Decaimento alfa • Decaimento beta 14 s 64 s 13 d 40 h Conceitos Básicos da Física Nuclear

25. Decaimento Radioativo Seja N(t) a quantidade de núcleos radioativos, de uma espécie, numa amostra, no instante t. Então, podemos dizer que a taxa de variação no tempo de N(t) é igual a diferença entre a taxa de produção, R(t), e a taxa de perda por decaimento, λN(t). Obs.: λN(t) é também chamado de Atividade. Conceitos Básicos da Física Nuclear

26. A taxa de variação no tempo de N(t) é igual a diferença entre a taxa de produção, R(t), e a taxa de perda por decaimento, λN(t). Matematicamente: Conceitos Básicos da Física Nuclear

27. Equações de Decaimento • 1 2 3 4 5 Conceitos Básicos da Física Nuclear

28. Exercício Um núcleo A decai em um núcleo B que por sua vez decai em um núcleo C que é estável. Se o núcleo A é produzido a uma taxa constante de R núcleos/seg e no instante t=0 não havia nenhum destes três núcleos, calcule a quantidade de cada um deles em um instante t>0. Equações de decaimento (ou transmutação): Conceitos Básicos da Física Nuclear

29. Solução: Conceitos Básicos da Física Nuclear

30. Método de Solução: Conceitos Básicos da Física Nuclear

31. Conceitos Básicos da Física Nuclear

32. Conceitos Básicos da Física Nuclear