Reações Nucleares

Marcelo G. MunhozSetembro, 2006

Um pouco da história da Física Nuclear Como o núcleo atômico foi descoberto? Virada do século XIX para o século XX:

Mecânica; Termodinâmica; Eletromagnetismo.

Disputa entre atomistas e energeticistas;

Radioatividade Através de trabalhos de vários físicos, como

Röentgen, Becquerel, os Curies, etc. sabia-se que certos materiais podiam emitir partículas como elétrons (radiação β) e partículas-;

Não demorou muito para os físicos perceberem que uma maneira muito útil de estudar a estrutura atômica da matéria era através do “bombardeamento” dessas radiações em diversos materiais.

1904 - O Modelo Atômico de Thomson Philosophical Magazine,

7 (1904), 237 A partir da descoberta

dos elétrons (carga negativa corresponde a corpúsculos), Thomson propõe um modelo atômico, chamado de “pudim de passas”.

Como testar o modelo de Thomson? Através do

“bombardeamento” do átomo com diferentes partículas;

No caso do modelo de Thomson, se espera que as deflexões sejam pequenas: massa do elétron << massa da partícula-

Dados observados Geiger e Marsden (1909)

observam o resultado do bombardeamento de elétrons e partículas- em finas folhas de certos materiais;

Para a surpresa de todos, eles observam partículas espalhando em ângulos bastante traseiros

1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico Rutherford demonstra quantitativamente que

os resultados de Geiger e Marsden seriam obtidos a partir de novas hipóteses para o modelo atômico.

A partir dessas novas hipóteses, ele calcula quantas partículas- deveriam ser vistas em função do ângulo de espalhamento.

1911 - Rutheford propõem a existência do núcleo atômico As hipóteses para o modelo

atômico e a sua interação são: O átomo contém um núcleo de carga

+Ze e Z életrons orbitando a sua volta; O núcleo alvo não sofre recuo; A mecânica clássica é válida; O núcleo e a partícula incidente são

pontos; Somente a força Coulombiana agindo; Nenhuma mudança ocorre no estado

do alvo ou da partícula incidente;

Rutherford (1911)

Objetivo: calcular o número de partículas espalhadas em função do ângulo.

1o passo: o ângulo de espalhamento da partícula incidente depende da proximidade da colisão. Portanto, é preciso calcular o ângulo de espalhamento em função da proximidade, ou parâmetro de impacto, da colisão.

Mecânica Clássica (H. Goldstein, capítulo 3) Força central

que varia com o inverso da distância: órbita hiperbólica, onde O é o centro e S é o foco (localização da força central)

Rutherford (1911)

2o passo: Qual a probabilidade de uma partícula interagir com o núcleo e ser espalhada em um ângulo ?

Dados observados

Geiger e Marsden, em nova e mais precisa medida (1911), observaram que: A distribuição angular variava com 1/sen4(/2),

para 5o< <150o; A intensidade de partículas espalhadas era

proporcional a espessura da folha; A intensidade de partículas espalhadas era

proporcional a ao quadrado do peso atômico (medido para Al, Cu, Ag, Sn e Au).

Dimensões nucleares

A partir deste trabalho, Rutherford foi capaz de estimar o raio do núcleo, a partir da distância de maior aproximação:

Ele obteve valores da ordem de 10-15 m !!!

242

0

2

mvZzep

Unidades nucleares

Este é o fim da história? O modelo de Rutherford é apenas uma

aproximação; O núcleo como um sistema quântico:

Em experiências com Al, Rutherford já observa que seu modelo não é mais válido:

242

0

2

mvZzep

Como podemos estudar o núcleo? Interações eletromagnéticas:

Campos eletromagnéticos; Elétrons;

Observação do comportamento natural e dinâmico do núcleo;

Reações nucleares;

Reações Nucleares

Conceitos básicos para o estudo de reações nucleares: Seção de choque Cinemática de reações

Tipos de reações nucleares observadas;

Seção de choque

A seção de choque ( ) é tal que:

N = Número de partículas espalhadas ; I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área;

ou seja, ela fornece o número de partículas espalhadas na interação.

nIN

Seção de choque

A seção de choque diferencial (d/d) fornece o número de partículas espalhadas em um dado elemento de ângulo sólido d , ou seja:

I = intensidade do feixe; n = centros espalhadores por unidade de área;

dnIdddN

Seção de choque

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

20

40

60

80

100

120

ERES

(MeV)EOUT

(MeV)

ELAB

= 100 MeV 208Pb(16O,16O) 40Ca(16O,16O) 28Si(16O,16O) 20Ne(16O,16O) 16O(16O,16O) 12C(16O,16O) 6Li(16O,16O)

LAB

COLISÃO DISTANTE

COLISÃO RASANTE

COLISÃO FRONTAL

ESPALHAMENTO ELASTICO

ESPALHAMENTO INELASTICO“STRIPPING”

“PICK-UP”

REAÇÕES DIRETAS

QUEBRA NUCLEAR (”BREAK-UP”)

NUCLEO COMPOSTO

FUSÃOFUSÃO INCOMPLETA

FISSÃO

TRANSFERENCIA DE NUCLEONS

FUSÃO COMPLETA

Aa

antes depois

A

A

A

AReações diretas (rápidas)

Aa

antes depois

A

A

A

AReações diretas (rapidas)

Aa

antes depois

A

A

A

AReações diretas (rapidas)

Aa

antes depois

A

A

A

AReações diretas (rapidas)

A

A

Aa

antes depois

N.CA+a

Fusão completa

N.C´A+x

N.CA+a

F 1

F2

Fusão Incompleta

FissãoProcessos estatísticos (lentos) via Núcleo Composto (N.C.)

A

A

Aa

antes depois

N.CA+a

Fusão completa

N.C´A+x

N.CA+a

F 1

F2

Fusão Incompleta

FissãoProcessos estatísticos (lentos)

A

A

Aa

antes depois

N.CA+a

Fusão completa

N.C´A+x

N.CA+a

F 1

F2

Fusão Incompleta

Fissão

Processos estatísticos (lentos)

Sumário

O estudo de reações nucleares é a melhor maneira se investigar e compreender o núcleo atômico e seus constituintes;

O entendimento de como ocorrem as reações nucleares pode elucidar muitos fenômenos que ocorrem na natureza, como aqueles ligados a astrofísica;

Ainda existem muitos problemas para serem resolvidos...