apostila parte 1 fisica nuclear

Download Apostila Parte 1 Fisica Nuclear

Post on 29-Oct-2015

57 views

Category:

Documents

7 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • CURSO DE

    INTRODUO A FSICA

    NUCLEAR E DE PARTCULAS

    ELEMENTARES

    UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE CENTRO DE CINCIAS EXATAS E

    TECNOLGICAS DEPARTAMENTO DE FSICA

    Prof. Susana de Souza Lalic

    2013

  • CURSO DE INTRODUO A FSICA NUCLEAR Professora Susana Lalic

    Pgina 2

    Aula 1 Estrutura nuclear: propriedades dos ncleos

    Meta Introduzir os conceitos sobre as propriedades nucleares

    Objetivos

    Ao final desta aula, voc dever ser capaz de:

    Reconhecer a importncia da fsica nuclear na atualidade

    Contextualizar historicamente as descobertas cientficas ligadas s radiaes.

    Reconhecer as propriedades do ncleo atmico:

    Raio

    Nmero de massa

    Volume

    Densidade

    Pr-requisitos Pegue uma tabela peridica ou um livro de qumica do ensino mdio e deixe-os prximo para alguma consulta bsica, se necessrio

  • CURSO DE INTRODUO A FSICA NUCLEAR Professora Susana Lalic

    Pgina 3

    Importncia da Fsica Nuclear Tambm j soube que algum com cncer se submeteu a uma radioterapia e que se curou? Tambm j viu que armas nucleares so extremamente poderosas e perigosas? Voc j foi a um museu de arqueologia? J parou para pensar como que eles sabem datar aqueles esqueletos?

    Quais os princpios fsicos envolvidos nessas coisas? No ltimo sculo (XX) a fsica nuclear produziu efeitos arrebatadores sobre a humanidade: benficos e malficos. Voc seria capaz de discutir com algum sobre esses efeitos. Teria argumentos a favor ou contra baseados em conhecimento cientfico? OU simplesmente contra tudo o que for NUCLEAR por que pode matar, poluir etc. Veja bem: A opinio ideal aquela baseada, no em emoes, mas em dados tcnicos. Vamos comear nessa aula a mostrar a voc do que se trata esse assunto para que voc possa opinar com mais segurana!

    O tomo No de hoje que as pessoas perguntam: "Do que o mundo feito?" As pessoas concluram que a matria que compe o mundo na verdade um conglomerado de alguns blocos fundamentais de construo da natureza. A palavra "fundamental" a chave aqui. Entendemos por blocos fundamentais de construo objetos que so simples e sem estrutura -- no so constitudos por nada menor. Mesmo na Antiguidade, as pessoas procuravam organizar o mundo ao seu redor em elementos fundamentais, como terra, ar, fogo e gua. O pensador grego Empdocles foi o primeiro a classificar os elementos como fogo, ar, terra e gua, embora nosso diagrama seja em homenagem classificao de Aristteles.

    Hoje ns sabemos que h algo mais fundamental que terra, gua, ar e fogo...

    Por definio h cor, Por definio h doce, Por definio h amargo, Mas na realidade h tomos e espao. -Demcrito (c. 400 AC) Por volta de 1900, as pessoas pensavam nos tomos como bolas permeveis com pequenas quantidades de carga eltrica vibrando internamente.

    Mas o tomo fundamental? As pessoas logo perceberam que poderiam classificar os tomos em grupos que compartilham propriedades qumicas similares

    (como na Tabela Peridica dos Elementos). Isso indicava que os tomos eram simples blocos de construo, e que esses blocos em diferentes combinaes que determinavam quais tomos teriam quais propriedades qumicas. Alm disso, experimentos que "olharam" o interior de um tomo usando sondas de partculas indicaram que os tomos tinham estrutura e que no eram somente bolas permeveis. Esses

  • CURSO DE INTRODUO A FSICA NUCLEAR Professora Susana Lalic

    Pgina 4

    experimentos ajudaram os cientistas a determinar que os tomos tm um minsculo ncleo denso, positivo e uma nuvem de eltrons negativos (e

    -).

    O termo "tomo" uma expresso errada. Por que? Em grego a palavra tomo ("atomon") significa "que no pode ser dividido". Mas as entidades que ns chamamos de tomos so feitas de partculas mais fundamentais! O tomo No final do sculo XIX, o eltron j estava estabelecido como partcula fundamental, principalmente depois de 1897, ano em que J. J. Thomson determinou a sua razo carga/massa. E j se sabia que eltrons eram liberados por emisso termoinica (de um metal a alta

    temperatura), no efeito fotoeltrico e no decaimento de certos elementos radioativos. Desse modo, os eltrons j eram considerados como constituintes bsicos dos tomos.

    Segundo o modelo atmico apresentado em 1904 por J. J. Thomson, o tomo deveria ser constitudo por algum tipo de fluido de forma esfrica, com uma distribuio contnua de carga positiva, e de eltrons com carga negativa distribudos no fluido em nmero suficiente para que a carga total do sistema fosse nula. O modelo exigia dos eltrons que tivessem movimentos oscilatrios ao redor de certas posies que definiriam configuraes estveis para o sistema. E como, segundo a teoria eletromagntica clssica, qualquer partcula com carga eltrica em movimento acelerado emite radiao eletromagntica, o modelo tambm exigia que os modos normais das oscilaes dos eltrons tivessem as mesmas frequncias que aquelas observadas associadas s raias dos espectros atmicos. Contudo, segundo a teoria eletromagntica clssica, no pode existir qualquer configurao estvel num sistema de partculas carregadas se a nica interao entre elas de carter eletromagntico. Alm disso, no foi encontrada qualquer configurao para os eltrons de qualquer tomo cujos modos normais tivessem qualquer uma das frequncias esperadas. De qualquer modo, o modelo de Thomson foi abandonado principalmente devido aos resultados do experimento de Rutherford. Experimento de Rutherford Na poca em que J. J. Thomson props seu modelo, H. Geiger e E. Marsden estudavam o

    espalhamento de feixes bem colimados de partculas , que j se sabia serem ncleos de tomos de hlio, por finas folhas de ouro, pelo que hoje se conhece como o experimento de Rutherford.

    Uma fonte radioativa emite partculas que so colimadas, formando um feixe paralelo e estreito, que incide sobre uma folha metlica muito pouco espessa. Para que fosse possvel

  • CURSO DE INTRODUO A FSICA NUCLEAR Professora Susana Lalic

    Pgina 5

    construir tal folha, a maleabilidade do metal deveria ser grande e, por isso, era usado normalmente o ouro. A folha to fina que as partculas a atravessam completamente com apenas uma pequena

    diminuio no mdulo da velocidade. Ao atravessar a folha, entretanto, cada partcula sofre muitos desvios devido a sua interao eletrosttica com as cargas positivas e negativas dos tomos da folha. As partculas espalhadas eram detectadas por um microscpio com uma tela de sulfeto de zinco (ZnS).

    A tela de sulfeto de zinco cintila no local onde incide uma partcula . O microscpio permite identificar a cintilao de cada partcula a individualmente.

    Os resultados experimentais de Geiger e Marsden mostraram que o nmero de partculas que eram desviadas com ngulos maiores do que 90 graus era muito maior que o esperado pelo modelo de Thomson. Em 1911, E. Rutherford mostrou que os dados de Geiger e Marsden eram consistentes com um modelo atmico em que a carga positiva do tomo se concentrava em uma pequena regio que, alm disso, continha praticamente toda a massa do tomo, com os eltrons espalhados ao redor dessa pequena regio (chamada ncleo).

    EEllee ttiirroouu aass sseegguuiinntteess ccoonncclluusseess ddoo eexxppeerriimmeennttoo::

    EExxppeerriinncciiaa ddee RRuutthheerrffoorrdd

    EEmm 11991111,, EErrnneesstt

    RRuutthheerrffoorrdd rreeaalliizzoouu

    eexxppeerriinncciiaass bboommbbaarrddeeaannddoo

    uummaa ffiinnssssiimmaa llmmiinnaa ddee oouurroo

    ((1100--44

    mmmm ddee eessppeessssuurraa)) ccoomm

    ppaarrttccuullaass aallffaa,, ccuujjaa ccaarrggaa

    eellttrriiccaa ppoossiittiivvaa ((22++)),,

    eemmiittiiddaass ppeelloo ppoollnniioo,, uumm

    mmaatteerriiaall rraaddiiooaattiivvoo..

  • CURSO DE INTRODUO A FSICA NUCLEAR Professora Susana Lalic

    Pgina 6

    AA mmaaiioorriiaa ddaass ppaarrttccuullaass aallffaa aattrraavveessssaa aa ppllaaccaa NNoo ttoommoo hh ggrraannddeess

    eessppaaooss vvaazziiooss..

    AAllgguummaass ppoouuccaass ppaarrttccuullaass aallffaa ffoorraamm rreebbaattiiddaass.. NNoo cceennttrroo ddoo ttoommoo

    eexxiissttee uumm nncclleeoo mmuuiittoo ppeeqquueennoo ee ddeennssoo..

    AAss ppaarrttccuullaass aallffaa,, qquuee ppoossssuueemm ccaarrggaa ppoossiittiivvaa,, qquuaannddoo ppaassssaavvaamm ppeerrttoo ddoo

    nncclleeoo,, eerraamm rreeppeelliiddaass ssooffrreennddoo ddeessvviioo eemm ssuuaa ttrraajjeettrriiaa OO nncclleeoo ddoo

    ttoommoo tteemm ccaarrggaa ppoossiittiivvaa..

    RRuutthheerrffoorrdd aaddmmiittiiuu qquuee hhaavviiaa eellttrroonnss ggiirraannddoo aaoo rreeddoorr ddoo nncclleeoo ppaarraa

    eeqquuiilliibbrraarr ssuuaa ccaarrggaa ppoossiittiivvaa..

    Proposta de Rutherford: A estrutura de um tomo semelhante do Sistema Solar

    O Ncleo O raio de um ncleo tpico cerca de dez mil vezes menor que o raio do tomo ao qual pertence, mas contm mais de 99,9% da massa desse tomo.

    Por parecer pequeno, slido e denso, os cientistas pensaram originalmente que o ncleo era fundamental. Mais tarde, descobriram que ele era feito de prtons (p), que so carregados positivamente, e nutrons (n), que no tm carga. E ento, os prtons e os nutrons so fundamentais? Os fsicos descobriram que os prtons e os nutrons so compostos de

    partculas ainda menores, chamadas quarks. At onde sabemos, os quarks so como os pontos na geometria. Eles no so compostos de nada mais. Depois de testar extensivamente essa teoria, os cientistas agora suspeitam que os quarks e o eltron (e algumas outras coisas que veremos na segun