equivalência massa-energia: um assunto nuclear · determinou a carga do electrão. 8 ......

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Combustíveis Energia e Ambiente

Equivalência massa-energia:

um assunto nuclear

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O INÍCIO DA CIÊNCIA

NUCLEAR(1905)

E = m c2

"It followed from the special theory of relativity that mass and energy

are both but different manifestations of the same thing -- a

somewhat unfamiliar conception for the average mind. Furthermore,

the equation E is equal to m c-squared, in which energy is put equal

to mass, multiplied by the square of the velocity of light, showed that

very small amounts of mass may be converted into a very large

amount of energy and vice versa. The mass and energy were in fact

equivalent, according to the formula mentioned above. This was

demonstrated by Cockcroft and Walton in 1932, experimentally."

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um assunto nuclear

1905 – Einstein

Propôs a teoria da relatividade. Considerou que massa e

energia são manifestações da mesma grandeza e são

interconvertíveis.

E = mc2

Até então os físicos consideravam a energia e a massa

entidades distintas – Lei Conservação da Massa e da

Energia.


A DESCOBERTA DO NÚCLEO

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Idade Média

Alquimistas sonham em converter um elemento noutro. Transmutação do chumbo em ouro.

1895 - RÖentgen

descobre os raios X

1896 – Becquerel

Observou emissão de radiação

altamente energéticas de um

composto de urânio

– chamou radioactividade


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1897 –Marie e Pierre Curie

Continuaram as investigações e mostraram

que a radiação era independente do estado

de combinação do urânio.

Mostraram a existência de outros elementos radioactivos

Polónio e rádio. Radioactividade – emissões espontâneas de

alguns elementos (radioisótopos).O núcleo não era ainda

conhecido.

1897- J. J. Thomson

Demonstra que os raios catódicos são

feixes de partículas - electrões

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1898 - Rutherford

Identificou três tipos de partículas radioactivas: “radiações” α, β e γ.

1909 - Robert Milikan

Determinou a carga do electrão

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1911- Ernest Rutherford

Apresenta a célebre experiência

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1911- Niels Bohr

Propõe um modelo de órbitas

circulares para o electrão.

1932 - James Chadwik

Detecta experimentalmente

o neutrão.

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um assunto nuclear

Após Rutherford

Identificados outros tipos de “radiações” nucleares: protão, neutrão e antipartículas

Após descoberta do núcleo

Cientistas percebem que a radioactividade resulta da ejecção de “fragmentos” do núcleo.

Decaimento nuclear

Desintegração nuclear

Reacção nuclear

Mudança da composição do núcleo

.

Chamaram-lhes


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um assunto nuclear

Reacções nucleares vs Reacções Químicas

R.Q. estão envolvidos electrões

•Energia envolvida moderada

•Isótopos do mesmo elemento sofrem reacções químicas iguais

•Há conservação da massa – Lei de Lavoisier

R. N. estão envolvidos núcleos

•Energia envolvida muito

elevada

•Isótopos do mesmo elemento

sofrem reacções nucleares

muito diferentes

•Há conservação da massa-

energia.


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um assunto nuclear

E = mc2

•Qualquer processo exotérmico os produtos tem uma massa inferior aos reagentes.

•Nas reacções químicas a energia envolvida é tão pequena que se verifica a conservação da massa.

•Nas reacções nucleares as energias em jogo são tão elevadas que os valores de massa correspondentes são mensuráveis.

•Reacções em que toda a matéria se converte em energia denominam-se de reacções matéria-antimatéria.

•Quando protões e neutrões se juntam para formar um núcleo de um átomo há diminuição da massa que se transforma em energia – Energia Nuclear


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um assunto nuclear

Qualquer núcleo é mais estável que os respectivos nucleões separados.

Quando protões e neutrões se juntam para formar um núcleo de um átomo há uma diminuição de massa, que se transforma em energia – Energia De Ligação Nuclear.

A diferença entre a soma das massas dos nucleões e a massa do núcleo é – Defeito De Massa, ∆m.

Energia de Coesão Nuclear é a energia necessária para decompor o núcleo nos seus nucleões.


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A escrita de equações nucleares

Representam-se por equações.

Cada nuclido participante na reacção é representado pelo seu símbolo (X), com o respectivo número atómico (Z = n.° de protões) e número de massa (A = n.° de protões + n.° de neutrões):


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um assunto nuclear


No neutrão e no protão a letra Z representa o n.° de protões, mas no electrão representa a sua carga negativa.

Nuclidos


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um assunto nuclear


Regras

1.A soma dos números de massa deve ser

igual nos dois membros da equação.

2.A soma dos números atómicos nos dois membros da equação deve ser igual.

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A estabilidade do núcleo e o decaimento radioactivo

Apesar das forças repulsivas a maior parte dos núcleos é estável – Há equilíbrio entre as atracções e as repulsões.

Casos em que as repulsões vencem as atracções verifica-se o Decaimento Radioactivo ou Nuclear.

Radioactividade Natural


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um assunto nuclear


Quando é que um núcleo é estável/instável?

Se Z >83 são radioisótopos, significa que têm núcleos instáveis e que são radioactivos;

Se Z ≤ 83 têm isótopos (núcleos estáveis) e a maior parte tem pelo menos um radioisótopo (núcleos instável).


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um assunto nuclear


Proporção neutrão-protão (n/p).

elementos estáveis a proporção n/p é aproximadamente igual a 1; (Z<30)

Com o aumento do número atómico aumenta esta proporção, maior 1. Este desvio surge da necessidade de um número cada vez maior de neutrões para compensar as repulsões electrostáticas da interacção entre um número cada vez maior de protões.



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um assunto nuclear


Existem números Mágicos – conferem particular estabilidade aos núcleos.

Os números mágicos, que inicialmente foram propostos de forma empírica, hoje

são relacionados com o modelo de preenchimento em camadas do núcleo. Os

números mágicos Z=114, Z=164, N=184 e N=196 estão previstos teoricamente,

embora não tenham ainda sido observados.



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um assunto nuclear A maioria dos núcleos radioactivos situa-se fora da denominada zona de estabilidade.

Acima da zona estabilidade, para o mesmo número de protões, os núcleos têm razões neutrão/protão superiores às dos núcleos estáveis da faixa.

Abaixo da zona de estabilidade, para o mesmo número de protões, os núcleos têm razões neutrão/protão mais baixas do que os núcleos da faixa de estabilidade.



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um assunto nuclear

Tipos Decaimento Radioactivo

A radioactividade surge da libertação de partículas por parte

de um isótopo fora da banda de estabilidade e que, ao

converter-se num outro isótopo, se aproxima da mesma



Emissão alfa (α)

Emissão beta (β)

Emissão Positrão (β+)

Captura Electrónica

Emissão Gama(γ)

Z ≥ 83

Z ≤ 83

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um assunto nuclear



Emissão alfa (α)

Emissão de um núcleo de hélio 24He,

ou partícula α, por um núcleo instável.

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um assunto nuclear



Emissão beta (β ou β-)

Verifica-se em núcleos ricos em neutrões.

Emissão de um electrão muito acelerado por um núcleo muito instável.

Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um neutrão num protão e num electrão

Acima da faixa estabilidade ⇒ baixar n/p ⇒ diminuir neutrões

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um assunto nuclear



Emissão Positrão (β+)

Verifica-se em núcleos ricos em protões.

Emissão de um positrão por um núcleo instável.

Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um protão num neutrão e num electrão.

Abaixo da faixa estabilidade ⇒ aumentar n/p ⇒ diminuir protões

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um assunto nuclear



Captura Electrónica

Verifica-se em núcleos de maior número atómico ricos em protões.

Captura de um electrão de uma orbital interna do átomo por um núcleo instável.

Equivale à conversão, dentro do núcleo, de um protão num neutrão.

O núcleo capta o electrão de uma orbital interna, outro electrão mais externo vai ocupar o lugar vago deste, havendo emissão de um fotão de raios X.

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um assunto nuclear



Emissão Gama (γ)

Emissão de um fotão de comprimento de onda da ordem de 10-12 m por um núcleo excitado.

Um decaimento radioactivo de outro tipo produz um núcleo excitado. Este tende a passar para um estado mais estável (de menor energia) por emissão de uma radiação EM.

O núcleo formado é apenas um estado de

menor energia que o núcleo original, não

havendo alteração do número atómico nem do

número de massa.

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um assunto nuclear



Série Radioactiva

Atingir da estabilidade não é possível apenas num passo.

Nos elementos com Z > 83, o isótopo necessita de baixar o seu número atómico, mas na generalidade necessita também de perder neutrões.

Decaem então através de uma sequência de reacções que se chama série radioactiva.

Primeiro é emitida uma partícula α, sendo emitida depois outra partícula α ou uma β - e assim sucessivamente até que seja obtido um isótopo estável. Normalmente o elemento final obtido é o chumbo (tem o número atómico mágico 82).

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um assunto nuclear



Tempo de Meia Vida/ Período de Decaimento Radioactivo - t½

Intervalo de tempo necessário para que,

numa dada amostra, o número de núcleos

radioactivos se reduza a metade. É uma

grandeza constante para cada espécie

radioactiva.

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um assunto nuclear



Taxa de transformação radioactiva do carbono-14 em azoto-14, com um período de cerca de 6 mil anos, e que permite a datação de objectos com centenas ou alguns milhares de anos.

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um assunto nuclear

1950 – 1959 W. Libby

Desenvolveu um processo, baseado na velocidade de desintegração do núcleo carbono-14 para datar matéria orgânica.



O carbono-14 produz-se continuamente na atmosfera pela

interacção de neutrões cósmicos com átomos de nitrogénio:

E decai de acordo com a equação:

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um assunto nuclear



O isótopo 14C produzido é incorporado no CO2 atmosférico, estabelecendo-se uma razão 14C/12C aproximadamente constante.

A esta razão corresponde uma actividade de 15,3 desintegrações por minuto por grama de carbono

O dióxido de carbono atmosférico é «ingerido» por plantas (fotossíntese) e estas são eventualmente consumidas por animais.

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um assunto nuclear



Os seres vivos têm uma razão 14C/12C aproximadamente idêntica à da atmosfera.

Quando uma planta ou um animal morre, a «ingestão» de carbono-14 cessa, mas o núcleo continua a decair e a razão 14C/12C diminui o mesmo sucedendo à actividade por grama de carbono.

Medindo esta e comparando com a actividade 14C num ser vivo, tem-se a relação aproximada entre a quantidade actual de 14C em 1 g de carbono da amostra em estudo e a quantidade presente quando a planta, ou o animal, morreu.

Consequentemente, pode-se avaliar a época em que isso ocorreu.

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um assunto nuclear



Aplicações dos radioisótopos

Datação da Terra e Paleontologia

Na Bioquímica e Medicina

Na Industria e Agricultura

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um assunto nuclear



Outras Reacções Nucleares

Fusão Nuclear

Fissão (cisão) Nuclear

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CONTADOR GEIGER Detecção de partículas

Efeito ionizante da radioactividade

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A enorme quantidade de energia armazenada no núcleo deriva da

relação

E = m c2

(diminuição de massa que se verifica quando os nucleões se juntam)

A 2ª guerra mundial foi uma lamentável demonstração…

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6 de Agosto de 1945 – HIROXIMA

Bomba de fissão do urânio-235

4400 kg

3, 2m x 0,737m

15.000 tons TNT

9 de Agosto 1945 - NAGASÁQUI

Bomba de fissão de Plutónio-239

4535 kg

3,25 m x 1,52 m

21.000 tons TNT

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"My God, what have we done?"

- Robert Lewis co-piloto do B-29 Enola Gay

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Radioactividade: prós e contras

Prós

Aplicações benéficas na pesquisa científica e na descoberta

Produção de energia eléctrica com diminuição das emissões de CO2

Aplicações benéficas na área da Saúde (diagnóstico, terapêutica)

Aplicações benéficas na área da Indústria e Agricultura

Contras

Perigo de contaminação radioactiva (alterações nos ecosistemas, mutações,…)

Manipulação, transporte e armazenamento de resíduos radioactivos

Nas centrais nucleares:

- perigo de explosão, ainda que não haja razões técnicas para a existência deste perigo

- risco de roubo de material para fins bélicos. Sendo um risco não controlável, as centrais nucleares são locais de alta segurança militar.

- custos elevados de investimento

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" A BOMBA ATÔMICA MUDOU

TUDO EXCETO A NATUREZA DO

HOMEM"

( Albert Einstein)

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