Desvendando o Núcleo Atômico - Portal de Estudos em Química
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Desvendando o Núcleo Atômico Nilberto H. Medina Instituto de Física da Universidade de São Paulo 24 de Julho de 2009 V Encontro IFUSP­Escola Um pouco de história ... Democrito de Abdera (Grécia, 460 a.C. ­ 370 a.C.). Antoine Becquerel (França, 1852­1908) Prêmio Nobel em 1903. Descoberta da radioatividade espontânea. Marie Curie (Polônia, 1867­1934) Prêmio Nobel em 1903 e 1911. Pierre Curie (França, 1859 ­1906) Prêmio Nobel em 1903. Pesquisas sobre o fenômeno da radioatividade espontânea. Joseph Thompson (Inglaterra, 1856­1940) Prêmio Nobel em 1906. Investigações da condução elétrica dos gases. Ernest Rutherford (Nova Zelândia, 1871­1937) Prêmio Nobel em 1908. Estudo das propriedades das partículas α . Criador da Física Nuclear Niels Bohr (Dinamarca, 1885­1962) Prêmio Nobel em 1922. Investigações sobre a estrutura de átomos e suas radiações. James Chadwick (Inglaterra,1891­1974) Prêmio Nobel em 1935. Descoberta do nêutron. 2 α Sais de Urânio: Emitem partículas α , raios β (elétrons) e raios γ β Comportamentos diferentes sob a influência de um campo magnético Marie Curie 3 Antoine Becquerel Pierre Curie Marie Curie O modelo de Joseph J. Thompson Plum pudding model O modelo do pudim de passas. 4 Experimento de Ernest Rutherford (1910) Hans Geiger e Ernest Marsden Universidade de Manchester, Inglaterra. Fonte radioativa de partículas α Folha de ouro Maioria das partículas colidem na região central Resultado Bloco de chumbo Tela de sulfeto de Zinco Algumas partículas α são defletidas em grandes ângulos Resultado O Modelo Atômico Niels Bohr Ernest Rutherford James Chadwick O Núcleo Atômico Átomo 10­10 m Núcleo 5x10­15 m 7 Tamanho do Núcleo Atômico Átomo ~10­10 m (Angstrom) Núcleo ~ 5x10­15 m (Fermi) 10­10m |10­15m| Átomo = núcleo + elétrons nêutrons prótons 8 A Tabela Periódica (1500 a.C. ­ 2000) Elementos conhecidos em 1500 aC Final do Século 18 Final do Século 17 Final do Século 19 9 www.uniterra.de/rutherford Tabela de Isótopos ó tons N ú mero de pr 256 núcleos estáveis terra incognita 2000 núcleos conhecidos Número de nêutrons 10 Vale de Estabilidade dos Núcleos Núcleos com grande número de prótons decaem para os núcleos estáveis Núcleos com grande número de nêutrons são pouco conhecidos. Elementos superpesados ê utr on s prata is n ouro ma s ton ó pr is ma chumbo ferro carbono Elementos estáveis 11 Decaimentos Radioativos Decaimento α Seaborgium – Elemento super pesado ( descoberto em 1974) Rutherfordium – Elemento super pesado ( descoberto em 1964) Decaimento β 12 Radioatividade Decaimento α Decaimento β − Decaimento β + Decaimento γ antes depois 13 Fusão Nuclear Fissão Nuclear 14 Astrofísica Nuclear • • • • Como foram formados os elementos químicos? Por que a abundância dos elementos é diferente? Quanto tempo leva o processo de formação dos elementos químicos ? Como as estrelas produzem energia? 15 Imagens do telescópio Hubble (NASA) Abundância dos Elementos no Universo 16 17 18 A Teoria do Big Bang (1948) George Gamow (Russia, 1904­1968) 19 1 5 10 1 2 TEMPERATURA ( kelvin ) 10 HADRONIZAÇÃO 9 10 NUCLEOSÍNTESE 6 10 3 10 FORMAÇÃO DOS ÁTOMOS HOJE 1 ­9 ­6 10 10 ­3 10 1 3 10 6 10 9 10 1 2 10 1 5 10 1 8 10 Tempo a partir do BIG­BANG (segundos) 2 1 20 10 Antes da Formação das Estrelas • • Após o Big Bang, o Universo expande e esfria. Durante o processo, prótons e nêutrons se agrupam formando deutério, núcleos de hélio e de lítio. Não há como formar elementos mais pesados. Com o esfriamento, elétrons são capturados por prótons e núcleos de hélio, formando átomos neutros. Este processo permite o surgimento das estrelas. 21 Element Genesis - Solving the Mystery Yuko Mochizuki, Isao Tanihata, Yasushige Yano, Richard Boyd RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) – Japan 22 A Síntese dos Elementos • Nas estrelas, os processos de fusão de hélio e deutério continuam, formando o lítio, como no Universo primordial. No núcleo das estrelas entretanto, a densidade é muito maior, permitindo a formação de elementos mais pesados. 3 4He →12C 12 C + 4He → 16O • Uma estrela como o Sol, morre quando grande parte de sua massa é transformada em carbono e oxigênio. • A formação de elementos mais pesados se dá em estrelas muito maiores que o sol. 23 O Ciclo CNO Formação de elementos no interior das estrelas massivas 12C e 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S → Ni, Fe Element Genesis - Solving the Mystery Yuko Mochizuki, Isao Tanihata, Yasushige Yano, Richard Boyd RIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) – Japan 24 Transmutação dos Elementos A fusão nuclear só pode sintetizar elementos até o ferro/níquel. Processo S (LENTO). Estrelas do tipo Gigantes Vermelhas ( > 8 vezes a massa do sol) são fontes de nêutrons. Reações: 12C+p → 13N* → 13C + 4He → 16O+n 25 Transmutação dos Elementos Processo S (LENTO) 106 Sb 107 Sb Sn Sb 111 109 Sn In 108 Cd Sb 109 Sb 110 Sn 67 As 106 In 108 Sn 107 Cd 106 108 Sb 113 Sb 114 Sb 115 Sb Sn 112 Sn 113 Sn 114 Sn 110 In 111 In 112 In 113 In Cd 109 Cd 110 Cd 111 Cd 112 Cd Ag 108 Ag 109 Ag 110 Ag 111 Ag 107 Pd 108 Pd 109 Pd 110 Pd Sb 112 110 Sn 111 In 109 In 107 Cd 108 104 Sn 105 Sn 106 103 In 104 In 105 In 102 Cd 103 Cd 104 Cd 105 101 Ag 102 Ag 103 Ag 104 Ag 105 Ag 106 Ag 107 100 Pd 101 Pd 102 Pd 103 Pd 104 Pd 105 Pd 106 Pd Rh 100 Rh 101 Rh 102 Rh 103 Rh 104 Rh 105 Rh Ru 99 Ru 101 Ru 102 Ru 103 Ru 104 99 98 Ru 100 107 Ru O que estudamos do núcleo atômico ? Reações Nucleares Mecanismos: espalhamento, transferência, fusão, fusão incompleta, etc. Estrutura Nuclear Estados nucleares, propriedades eletromagnéticas, vidas médias, etc. Aplicações Tecnológicas Datação, análise de elementos traços, aplicações em medicina, etc. 27 Estudo do Mecanismo de Reações Colisões entre núcleos A + B Projétil C + D Alvo Rasantes Distantes Frontais Representação esquemática da fissão nuclear 29 Acelerador de partículas PELLETRON Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) IFUSP 30 Reações do tipo fusão­evaporação 31 Átomo de Hidrogênio Modelo de Bohr Espectro de Hidrogênio 32 33 Espectrômetro Saci ­ Pererê Pererê: 4 detectores semicondutores de germânio com supressores Compton Pequeno Espectrômetro de Radiação Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento Saci: 11 detectores telescópios ∆ E­E compostos por cintiladores plásticos. Sistema Ancilar de Cintiladores 34 J.A. Alcántara­Nuñez et al., Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A 497, 429 (2003) Gammasphere (EUA) Espectrômetro de raios gama GASP ­ Itália Conjunto de detectores cintiladores. 35 Estrutura dos Núcleos Eixo de rotação Núcleo esférico Núcleo deformado 36 Coexistência de formas 152 Dy S.G Nilsson e I. Ragnarsson, Shapes and Shells in Nuclear Structure Cambridge University Press 1995 Núcleos exóticos 37 Aplicações Tecnológicas Utilização de feixes iônicos na medicina 20 40 60 80 Dose Relativa (%) Radiação para eliminar células cancerígenas 0 5 10 15 20 Profundidade (cm) Feixe de prótons Raios­X 38 Irradiação de Alimentos Esterilização Raios γ , elétrons, nêutrons, prótons 39 Espectrometria de massa com aceleradores fonte de íons (multicatodo) selecionador de massa ISÓTOPOS E APLICAÇÕES: 14 acelerador C (6x103 a) Arqueologia, Geologia, Medicina 36 Cl (3x105 a) Geologia, Oceanografia, Climatologia, Arqueologia 10 Be (2x105 a) Hidrologia 26 Al (7x105 a) Medicina 41 Ca, 59Ni, 60Fe, 129I, 238U Selecionador de estado de carga detector “filtro” Concentrações absolutas > 105 átomos/amostra Concentração relativa: 10­15 a 10­12 41 ANÁLISE POR FEIXES IÔNICOS ARTE E ARQUEOLOGIA RADIOFÁRMACOS TERAPIA DE CANCER γ, prótons PIXE, ERDA, RBS, PIGE, AMS. . . . DATAÇÃO DETECTORES DE IMAGEM NMR , PET ESTERILIZAÇÃO FISSÃO DE ÍONS PESADOS TRANSMUTAÇÃO DE LIXO RADIOATIVO PESQUISA BÁSICA EM FÍSICA NUCLEAR MODELAGEM BIOFÍSICA CLIMA IMPLANTAÇÃO IÔNICA POLUIÇÃO ANÁLISE DE PARTICULADOS MOVIMENTO DE ÁGUAS BURACO DE OZÔNIO ENERGIA NUCLEAR MICROPOROS NANOESTRUTURAS DANOS DE RADIAÇÃO NOVOS MATERIAIS ANÁLISE ELEMENTAR CALIBRAÇÃO DE DETECTORES DANOS POR RADIAÇÃO 42 Grupo Gama Departamento de Física Nuclear (IFUSP) http://www.dfn.if.usp.br OBRIGADO 43 44
