Física nuclear

Um átomo 原子 é composto por um pequeno núcleo central 原子核 com eletrons 电子 orbitando ao redor (em órbita 轨道, como planetas ao redor do Sol).

• O núcleo tem uma carga positiva 电荷.
• Os elétrons têm carga negativa.
• O átomo como um todo é neutro, porque as cargas positivas e negativas são iguais.

Quase toda a massa 质量 está no núcleo, mas o núcleo é muito pequeno em comparação com todo o átomo. Portanto, um átomo é majoritariamente espaço vazio.

Íons

Um átomo é neutro, mas pode ganhar ou perder elétrons para se tornar um íon 离子.

• Perder um ou mais elétrons → íon positivo (agora há mais prótons que elétrons).
• Ganhar um ou mais elétrons → íon negativo.

Experimento de espalhamento alfa

Este experimento forneceu evidências para o modelo nuclear. Partículas alfa α粒子 (pequenas, rápidas e positivas) foram disparadas contra uma fina folha de ouro 金箔, e o espalhamento 散射 (a forma como elas ricochetearam) foi observado.

Os resultados e o que eles nos dizem:

• Quase todas as partículas alfa passaram reto. → O átomo é majoritariamente espaço vazio.
• Algumas foram defletidas 偏转 (curvadas) em pequenos ângulos. → O núcleo tem carga positiva, que repele as partículas alfa positivas.
• Muito poucas voltaram quase diretamente. → O núcleo é muito pequeno e muito pesado, e contém a maior parte da massa do átomo.

O núcleo é composto por dois tipos de partícula, chamados coletivamente de nucleons 核子:

• prótons 质子, que têm uma carga relativa 相对 de $+1$;
• nêutrons 中子, que têm carga relativa de $0$ (são neutros).

Um elétron tem carga relativa de $-1$. Um próton e um nêutron têm cada um uma massa relativa de aproximadamente $1$; um elétron é quase sem massa em comparação.

Dois números descrevem um núcleo:

• o número de prótons 质子数 $Z$ (também chamado número atômico) — o número de prótons;
• o número de nucleons 核子数 $A$ (também chamado número de massa) — o número de prótons mais nêutrons.

Então o número de nêutrons é $A - Z$.

Escrevemos um núcleo em notação de nuclídeo 核素:

onde X é o símbolo químico. Por exemplo, $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ tem $79$ prótons e $197 - 79 = 118$ nêutrons. A carga relativa de todo o núcleo é apenas $+Z$ (aqui $+79$), e sua massa relativa é cerca de $A$.

Isótopos

Isótopos 同位素 são átomos do mesmo elemento (o mesmo $Z$) mas com diferentes números de nêutrons (diferente $A$). Eles se comportam da mesma forma na química, mas diferentemente no núcleo. Por exemplo, $^{12}_{\ 6}\text{C}$ e $^{14}_{\ 6}\text{C}$ são ambos carbono.

Fissão e fusão nuclear

Na fissão nuclear 核裂变, um núcleo pesado absorve um nêutron e depois se divide em dois núcleos menores, liberando dois ou três nêutrons e muita energia 能量:

Os números superiores (números de nucleons) equilibrados em ambos os lados, assim como os números inferiores (números de prótons). Você pode usar isso para encontrar um número faltante — por exemplo, quantos nêutrons são liberados.

Na fusão nuclear 核聚变, dois núcleos leves se unem para formar um mais pesado, também liberando energia. É assim que o Sol produz sua energia, fundindo núcleos de hidrogênio 氢 para fazer hélio 氦. A reação abaixo — duas formas pesadas de hidrogênio (deutério e trítio) se unindo em hélio — é a usada em reatores de fusão na Terra:

Tanto na fissão quanto na fusão, uma pequena quantidade de massa é perdida e convertida em energia.

Um núcleo instável 不稳定 quebrará e emitirá radiação 辐射, seja mais cedo ou mais tarde. Isso é decaimento 衰imento radioativo 放射性. Um núcleo pode ser instável porque tem muitos nêutrons ou porque é muito pesado.

O decaimento é espontâneo 自发 (ocorre sozinho, e você não pode acelerá-lo ou desacelerá-lo) e aleatório 随机 (você não pode dizer qual núcleo decairá a seguir ou exatamente quando).

Radiação de fundo

Alguma radiação está ao nosso redor o tempo todo. Esta é a radiação de fundo 背景辐射. Suas principais fontes são:

• gás rônio 氡 no ar (geralmente a maior fonte);
• rochas e edifícios;
• alimentos e bebidas;
• raios cósmicos 宇宙射线 do espaço.

Medindo radiação

A radiação pode ser medida com um detector 探测器 conectado a um contador 计数器. A taxa de contagem 计数率 é o número de contagens por segundo (ou por minuto).

Para encontrar a taxa de contagem real de uma fonte, primeiro meça a taxa de contagem de fundo sozinha, depois subtraia-a. A resposta é a taxa de contagem corrigida 修正:

Exemplo resolvido. Um detector colocado ao lado de uma fonte lê $250$ contagens/min. Com a fonte removida, a taxa de contagem de fundo é $30$ contagens/min. Encontre a taxa de contagem corrigida.

A radiação pode ser de um dos três tipos. Cada tipo é ionizante 电离, o que significa que pode arrancar elétrons de átomos em seu caminho.

Assim, uma partícula alfa é a mais ionizante, mas a menos penetrante 穿透 (é facilmente absorvida 吸收). Uma partícula beta β粒子 está no meio. A radiação gama γ射线 é a menos ionizante, mas a mais penetrante.

Podemos explicar os efeitos de ionização pela carga e energia cinética 动能: uma partícula alfa tem grande carga ($+2$) e é lenta e pesada, então puxa fortemente os elétrons que passa e ioniza muito. Uma partícula beta tem carga menor e se move mais rápido, então ioniza menos.

Deflexão em campos

Como as partículas alfa e beta possuem carga, elas são defletidas por um campo elétrico 电场 e por um campo magnético 磁场. Elas curvam em direções opostas, porque suas cargas têm sinais opostos, e a partícula beta mais leve curva mais. Raios gama não têm carga, então não são defletidos de forma alguma.

Quando um núcleo decai, os números de nucleons e prótons devem equilibrar em ambos os lados.

Decaimento alfa — o núcleo perde 2 prótons e 2 nêutrons, então $A$ cai em $4$ e $Z$ cai em $2$. Ele se torna um elemento diferente:

Exemplo resolvido. Um núcleo de rádio $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ emite uma partícula alfa. Encontre o número de nucleons e o número de prótons do novo núcleo.

O decaimento alfa diminui $A$ em $4$ e $Z$ em $2$:

Então o novo núcleo (radônio) tem número de nucleons $222$ e número de prótons $86$.

Decaimento beta — dentro do núcleo, um nêutron se transforma em um próton mais um elétron:

O elétron rápido sai como a partícula beta. Então $A$ permanece o mesmo, mas $Z$ aumenta em $1$, resultando em um elemento diferente:

Emissão gama — o núcleo perde apenas energia, então $A$ e $Z$ não mudam. O decaimento alfa e beta deixam o núcleo mais estável 稳定; a gama é frequentemente emitida ao mesmo tempo para levar embora a energia excedente.

Como o decaimento é aleatório, não podemos acompanhar um único núcleo. Em vez disso, descrevemos uma grande amostra 样品 usando sua meia-vida.

A meia-vida 半衰期 de um isótopo é o tempo necessário para que metade dos núcleos instáveis em uma amostra decaia. Após cada meia-vida, a taxa de contagem (ou o número de núcleos instáveis restantes) cai à metade.

Por exemplo, se uma fonte tem uma taxa de contagem de $800$ contagens/min e uma meia-vida de $3$ horas:

Após $6$ horas (duas meias-vidas), a taxa de contagem caiu à metade duas vezes: $800 \to 400 \to 200$. Você pode ler uma meia-vida em um gráfico de decaimento encontrando o tempo para a taxa de contagem cair de qualquer valor para a metade dele. Se as leituras incluírem radiação de fundo, subtraia a taxa de contagem de fundo de cada leitura primeiro, depois encontre a meia-vida a partir dos valores corrigidos.

Exemplo resolvido. A atividade de uma fonte cai de $800$ contagens/min para $100$ contagens/min. Sua meia-vida é $5$ dias. Quanto tempo levou?

Conte as divisões ao meio: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ são três meias-vidas, então o tempo é $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.

O isótopo escolhido para uma tarefa depende do seu tipo de radiação e da sua meia-vida:

• alarmes de incêndio 烟雾报警器 usam uma fonte alfa (a alfa é facilmente bloqueada, sendo segura fora do alarme, e uma longa meia-vida significa que dura anos);
• usar radiação em alimentos ou equipamentos mata bactérias 细菌 e germes — isso precisa de raios gama penetrantes para esterilizar 消毒 o item selado;
• medir e controlar a espessura de folhas de papel ou metal usa uma fonte beta (a quantidade que passa através muda com a espessura);
• um traçador médico 医用示踪剂 é uma pequena quantidade de um isótopo emissor de gama com curta meia-vida, injetado no corpo: um detector fora do corpo segue onde ele vai, os raios gama escapam facilmente do corpo, e a atividade cai rapidamente para um nível seguro;
• os raios gama são usados para encontrar e tratar câncer 癌症 dentro do corpo, porque podem passar para fora (ou para dentro) do corpo.

A radiação ionizante danifica células vivas 细胞. Pode causar morte celular, mutações 突变 (alterações nos genes) e câncer.

Ao trabalhar com fontes radioativas, mantenha a dose 剂量 (a quantidade de radiação recebida) baixa fazendo:

• reduzir o tempo de exposição 照射 — passe o mínimo possível de tempo perto da fonte;
• aumentar a distância entre si e a fonte;
• usar blindagem 屏蔽, como chumbo, entre a fonte e o seu corpo.

As fontes radioativas devem ser manuseadas com pinças (não com as mãos nuas), mantidas apontando para longe das pessoas e guardadas numa caixa forrada de chumbo.

• O número nucleônico (em cima) é prótons + neutrões; o número protónico (em baixo) é apenas prótons. Número de neutrões = número nucleônico − número protónico.
• Isótopos têm o mesmo número protónico mas números nucleónicos diferentes — o mesmo elemento com um número diferente de neutrões.
• Classifique as radiações de duas formas: a alfa é a mais ionizante mas menos penetrante (bloqueada por papel); a gama é a menos ionizante mas mais penetrante (precisa de chumbo espesso). A beta está no meio (bloqueada por alguns mm de alumínio).
• Em toda equação de decaimento, os números de cima devem equilibrar e os números de baixo devem equilibrar. Decaimento alfa: $A-4$, $Z-2$. Decaimento beta: $A$ inalterado, $Z+1$.
• Sempre subtraia a taxa de contagem de fundo antes de usar as leituras de uma fonte. Após $n$ meias-vidas, a taxa de contagem dividiu-se ao meio $n$ vezes — conte as divisões ao meio em vez de adivinhar pelo tempo total.