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Física Nuclear 2006-7Introdução:
Elementos, Átomos e Núclidos
Tabela periódica e tabela (carta) de núclidos
Tabelas de propriedades
Núcleos e nucleões
Partículas e interacções fundamentais
Propriedades dos núcleos – tabelas de propriedades
Modelos de núcleos
Conservação
Física Nuclear 2006-7(…)
… diferentes espécies nucleares (núclidos)
… estabilidade e instabilidade nucleares
Física Nuclear 2006-7(…)
… diferentes espécies nucleares (núclidos)
… estabilidade e instabilidade nucleares
… descoberta da radioactividade átomo com estrutura, núcleo
tipos de declínio radioactivo: , , + …
Física Nuclear 2006-7(…)
… diferentes espécies nucleares (núclidos)
… estabilidade e instabilidade nucleares
… descoberta da radioactividade átomo com estrutura, núcleo
tipos de declínio radioactivo: , , + …
… instabilidade nuclear núcleo com estrutura
instabilidade do núcleo, T1/2, , lei do declínio radioactivo
tipos de declínio radioactivo: , , . Desintegrações, desexcitações
Física Nuclear 2006-7(…)
… diferentes espécies nucleares (núclidos)
… estabilidade e instabilidade nucleares
… descoberta da radioactividade átomo com estrutura, núcleo
tipos de declínio radioactivo: , , + …
… instabilidade nuclear núcleo com estrutura
instabilidade do núcleo, T1/2, , lei do declínio radioactivo
tipos de declínio radioactivo: , , . Desintegrações, desexcitações
… Diagrama (N,Z) – diagrama de Segré
núcleos: neutrões (N) + protões (Z), A = N + Z
Tendência para o equilíbrio declínios radioactivos, “movimento”
Física Nuclear 2006-7diagrama de Segré
Física Nuclear 2006-7(…)
… diferentes espécies nucleares (núclidos)
… estabilidade e instabilidade nucleares
… descoberta da radioactividade átomo com estrutura, núcleo
tipos de declínio radioactivo: , , + …
… instabilidade nuclear núcleo com estrutura
instabilidade do núcleo, T1/2, , lei do declínio radioactivo
tipos de declínio radioactivo: , , . Desintegrações, desexcitações
… Diagrama (N,Z) – diagrama de Segré
núcleos: neutrões (N) + protões (Z), A = N + Z
Tendência para o equilíbrio declínios radioactivos, “movimento”
… o que mantém a coesão e estabilidade nuclear?
Papel dos neutrões, interacções nucleão-nucleão…
Física Nuclear 2006-7Introdução:
Modelos de átomo e modelos de núcleo
(evolução histórica)
Propriedades dos núcleos
Estabilidade e instabilidade nuclear: declínio radioactivo
O declínio do neutrão (livre) 1n 1p + e +…
Questões para resolver:
Porque não há electrões no núcleo?
Porque não se observa o declínio do protão (livre)?
1p 1n + e +…
Física Nuclear 2006-7Introdução:
Modelos de átomo e modelos de núcleo (evolução histórica)
Sinopse cronológica: dos raios catódicos e raios-X aos 1ºs modelos de núcleo
1880 raios catódicos
1895 desviados por acção de E e H cargas em movimento (Perrin)
1897 identificação do electrão e medição de e/m (Thomson)
1910 medição de e (Millikan)
1918 refinação da medição de e (Ioffé)
electrão: natureza descontínua da carga eléctrica, constituinte da matéria
constituinte do átomo
e = F/NA = 96491 C/6.022 10 23 = 1.602 1019 C
(leis da electrólise de Faraday)
1895 raios X (Rontgen)
Física Nuclear 2006-7Introdução (cont.):
Modelos de átomo e modelos de núcleo (evolução histórica)
1896 descoberta da radioactividade (Becquerel)
emissão de radiação penetrante pelo U
característica do átomo, não associada a raios-X
1898 descoberta do elemento radioactivo Th (Curie)
descoberta dos elementos Po e Ra na radioactividade do U
1899 descoberta da radiação (Becquerel, Giesel e Meyer)
identificação de 2 emissões corpusculares na radioactividade do U (Rutherford):
radiação e
1900 descoberta da radiação (Becquerel, Curie e Villard)
1903 identificação da radiação (Rutherford e Soddy): 4He2
"Podemos concluir que uma partícula é, depois de ter perdido a sua carga,
um átomo de He (Rutherford)"
1911 Núcleo atómico (Geiger e Marsden, Rutherford)
1913 Modelo planetário de átomo (Bohr)
Física Nuclear 2006-7Introdução (cont.):
Modelos de átomo e modelos de núcleo (evolução histórica)
A radioactividade, o núcleo e os primeiros modelos
Radioactividade instabilidade do átomo estrutura do átomo
núcleo atómico
Modelo (de átomo) de Thomson:
átomo: esfera de densidade uniforme com carga positiva na qual existem
electrões em número suficiente para assegurar a neutralidade eléctrica da
estrutura
este átomo não tem núcleo
“explica” pequenas deflexões (dispersão de partículas carregadas , )
não explica grandes deflexões (dispersão de partículas …)
Física Nuclear 2006-7Introdução (cont.):
Modelos de átomo e modelos de núcleo (evolução histórica)
Modelo (de átomo) de Rutherford:
átomo: esfera de densidade não uniforme formada por electrões com carga negativa, em
torno de uma região central praticamente pontual, o núcleo, dotado de carga
positiva igual à carga total do conjunto de electrões
explica grandes deflexões (dispersão de partículas …)
Geiger e Marsden: partículas do Rn sobre folha de Au com 0.3 m
N1sen4( /2) = const.
partículas sobre folhas de Al, Cu Ag e Au ( = 25º) N1/x = const.
1919 descoberta de protões no núcleo (Rutherford)
reacções + núcleo 1H identifica p 1H
1920 medição da carga nuclear: Q = +Ze (Chadwick)
Física Nuclear 2006-7Introdução (cont.):
Modelos de (constituição do) núcleo
1º modelo nuclear (Rutherford):
núcleo (esférico) de carga +Ze constituído por protões e electrões
em torno do qual orbitam Z electrões (com carga total Ze)
M.Q. mostra que não podem existir em permanência electrões no núcleo
confinar electrões no núcleo obrigaria a forças atractivas
F{p-e (nucl.)} >> F{p-e (atóm.)} que não se conhecem
confinar electrões no núcleo (em r ~ dnúcl. 10 14 m) resultaria em momentos lineares
p ~ ħ/dnúcl. 10 20 J/ms 1 20 MeV/c). Mas… T 1 MeV << 20 MeV
núcleos com A protões e A Z (ímpar) electrões teria um spin I incompatível com as
observações experimentais... núcleos de A par têm I inteiro. Por exemplo, para o 2H
(A = 2, Z = 1 e A Z = 1) as 3 partículas (2 protões e 1 electrão) teriam spin total 1/2
ou 3/2, mas… para o spin do deuterão observa-se I = 1 (inteiro)
um núcleo com electrões não emparelhados deveria ter um momento magnético
da ordem de grandeza do momento magnético do electrão.
P.ex. (2H) deveria ser e 1 B (5.79 10 5 eV/T) mas… (2H) 2.70 10 8 eV/T
Física Nuclear 2006-7Introdução (cont.):
Modelos de (constituição do) núcleo
1932 descoberta do neutrão, com mn mp e carga nula (Chadwick)
1932 modelo nuclear p-n (Heisenberg)
2º modelo nuclear (Heisenberg): núcleo (esférico) constituído por Z protões (carga
+Ze) e N neutrões (A Z) em torno do qual orbitam Z electrões (carga Ze)
Física Nuclear 2006-7Leis de conservação
Simetrias invariâncias Leis de conservação
Leis de conservação
regras de selecção(só certos processos são possíveis)
números quânticos(grandezas que se conservam)
Conservações: massa-energia
momento linear
momento angular
carga eléctrica
número bariónico
número leptónico
Exemplos: e + e impossível
n p + e + e (declíneo )
possíveis
p n + e+ + e (declíneo +)
Física Nuclear 2006-7Leis de conservação
Simetrias invariâncias Leis de conservação
Leis de conservação
regras de selecção(só certos processos são possíveis)
números quânticos(grandezas que se conservam)
Conservações: massa-energia
momento linear
momento angular
carga eléctrica
número bariónico
número leptónico
…
estranheza
isospin
hipercarga
Física Nuclear 2006-7Leis de conservação
Simetrias invariâncias Leis de conservação
Leis de conservação
regras de selecção(só certos processos são possíveis)
números quânticos(grandezas que se conservam)
Conservações: massa-energia
momento linear
momento angular
carga eléctrica
número bariónico
número leptónico
…
Física Nuclear 2006-7Unidades e Nomenclatura
Unidades
energia: eV (keV, MeV, GeV,…)
1 eV 1.602 10 19 J
massa: u.m.a.
1 u.m.a. 1.661 10 27 Kg 931.5 MeV/c2
Nomenclatura
X elemento (símbolo químico)
A número de massa (número de nucleões)
Z número de protões (carga nuclear)
N número de neutrões
A = Z + N
Núclidos espécie nuclear de um elemento (X) caracterizada por A, Z (e N = A Z)
Para cada elemento X existem núcleos diferentes, com A mas com a mesma carga Z,
os núclidos desse elemento
Isótopos diferentes núclidos de um mesmo elemento (mesmo Z, A)
Isóbaros núclidos com o mesmo A ( Z, N)
Isótonos núclidos com o mesmo N ( Z, A)
Núcleos espelho isóbaros em que o Z de um é igual ao N do outro
Elementos naturais: de Z = 1 (1H) a Z = 92 (92U)
Transuranianos: com Z > 92, de Z = 93 (93Np) a Z = 105 (105Ha)
instáveis ( de 380 s no 258Fm a 16 My no 247Cm)
Física Nuclear 2006-7
Conservação da massa-energia:
use
Em processos X Y + Z
declínios 238U 234Th +
cisão nuclear espontânea (rara) 256Fm 114Rh + 142Cs256Fm 114Rh + 141Cs + n
Em processos a + X Y + b (reacções nucleares)
1ª reacção nuclear artificial (I. Curie e P. Joliot, 1934,): (210Po) + 27Al 30P + n
2
0
X Y Z Y Z X
Y Z X
M M M c T T T
T T T
2 2 2 2 4
N N NE T M c E P c M c
2
0
a X Y b Y b a X
Y b a X
m M M m c T T T T
T T T T
Física Nuclear 2006-7
Conservação da massa-energia:
use
Em processos X Y + Z
declínios 238U 234Th +
cisão nuclear espontânea (rara) 256Fm 114Rh + 142Cs256Fm 114Rh + 141Cs + n
Em processos a + X Y + b (reacções nucleares)
1ª reacção nuclear artificial (I. Curie, P. Joliot, 1934): (210Po) + 27Al 30P + n
2
0
X Y Z Y Z X
Y Z X
M M M c T T T
T T T
2 2 2 2 4
N N NE T M c E P c M c
2
0
a X Y b Y b a X
Y b a X
m M M m c T T T T
T T T T
Q
Q
231,98 MeVQ
227,84 MeVQ
2,637 MeVQ
Física Nuclear 2006-7
Conservação da massa-energia:
use
Em processos X Y + Z
declínios 238U 234Th +
cisão nuclear espontânea (rara) 256Fm 114Rh + 142Cs256Fm 114Rh + 141Cs + n
Em processos a + X Y + b (reacções nucleares)
1ª reacção nuclear artificial (I. Curie, P. Joliot, 1934): (210Po) + 27Al 30P + n
2
0
X Y Z Y Z X
Y Z X
M M M c T T T
T T T
2 2 2 2 4
N N NE T M c E P c M c
2
0
a X Y b Y b a X
Y b a X
m M M m c T T T T
T T T T
Q
Q
231,98 MeVQ
227,84 MeVQ
2,637 MeVQ
Física Nuclear 2006-7
Conservação da massa-energia:
use
Em geral
2 2 2 2 4
N N NE T M c E P c M c
Q
2
1 1
0i i
n n
i i
M c T
2
1i
n
i
Q M c
Física Nuclear 2006-7
Conservação da massa-energia:
use
Em geral
2 2 2 2 4
N N NE T M c E P c M c
Q
2
1 1
0i i
n n
i i
M c T
2
1i
n
i
Q M c
