Paulo Vargas Moniz Modern Physics –TP14

 Paulo Vargas Moniz
Modern Physics –TP14-Lecture27
Reacções Nucleares - Fissão e Fusão
Relembremos a relação entre BE/EL e o número de massa atómica A:
 A fissão é energeticamente favoravel porque a EL/BE por nucleão é
aproximadamente 1 MeV maior para nucleos com A  100 do que
para nucleos com A  200.
 Ie, separando um nucleo pesado em dois sistemas ligados/estaveis, a
energia potencial é reduzida de 200 Mev.
 Tal é libertado em energia cinética.
Consideremos um nucleo de 235U e que captura um n (lento).Obtem-se
236
U mas NÃO no estado fundamental. Em particular:
a) 235U + n = 235.043 u.m.a. + 1.008 u.m.a. = 236.0525 u.m.a
b) No estado fundamental 236U tem 236.0455 u.m.a
c) Temos 6.54 MeV mais em energia e o limite para fissão é 6 MeV…
 O nucleo resultante fica num estado excitado: esfera  oscilações,
interacções de Coulomb vão predominando  separação induzida e
ocorre a fissão nuclear.
 Verifica-se que elementos da fissão são (muito!) radioactivos; tambem
se libertam 2 a 3 neutrões.
 Abrandando n temos possibilidade de reacção em cadeia:
moderadores. Emprega-se água “pesada”, carbono. Outra
possibilidade é com 238U:
U + n  239U*  239Np + e- + 
239
Np 239Pu + e- + 
238
formando-se ... Plutónio!
A energia cinética libertada aquece materiais (eg, água) e permite
produzir electricidade. Mas…
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Qual o perigo da radioactividade da fissão? Cadeia de eleminação lenta...
235
U+n 
235
U + n  89Kr + 144Ba + 3n
89
Kr  89Rb  89Sr (~100 anos)
144
Ba  144La  144Ce  …
93
Rb + 141Cs + 2n
93
Rb 92Rb + n
141
Cs  140Cs +n
A fusão nuclear surge em outro contexto.
Consideremos as reacções (cadeia p-p):
(a) 1H + 1H  2H + e+ +  + 0.42 MeV
(b) 1H + 2H  3He +  + 5.49 MeV
(c) 3H + 3H  4He + 2 1H + 12.86 MeV
(d) 41H  4He + 2 e+ + 2  + 24.68 MeV
(e) 2e— + 2e+   + 2.04 MeV
Comentários:
 As reacções (a) e (b) têm que ocorrer duas vezes antes de (c). A
reacção (d) representa o resultado e com (e) dá no final o balanço
energético libertado de 26.72 MeV.
 Não se libertam tantos elementos radioactivos (ou quase nada) em
contraste com a fissão nuclear.
 A dificuldade provém de iniciar a reacção: para a 1ª reacção a
barreira de potencial é de cerca de 1 MeV; Para T ~ 107 K (núcleo
solar) temos KBT~1 KeV e reacção inicia-se (quanticamente) de
forma lenta.
 No entanto é a base da bomba de Hidrogénio.
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Aplicações de Fisica Nuclear
Medicina - Diagnostico e Terapia:
 Radiação deve ser eficaz na analise em profundidade (10 - 30 cm);
(a) Radiação  e  não são tão eficazes - muito absorvidas
(b) Também são ionizantes - possibilidade de perigo
(c) Radiação  melhor mas ... junto com !
 Radiação NÃO pode danificar orgãos
 A meia-vida efectiva deve ter uma duração pequena.
Mas se radiação puder queimar e destruir, pode destruir tecidos doentes e
irreparaveis (tumores).
Arqueologia:
A fisica nuclear é importante em datar objectos. Justificação:

Radiação cósmica em altitude produz 14C (meia-vida ~ 5730 anos)
14
N + n  14C + 1H
14
C 14N + e-- + 
 A constante produção e decaimento de 14C produz uma concentração
estável de carbono nesse estado.
 Se o fluxo de n é conhecido, então podemos determinar a percentagem
relativa de 14C em amostras de carbono; o quociente entre 14C e 12C é 1
atomo de 14C / 7.6  1011 atomos 14C.
 Então 14CO2 na atmosfera vai ser absorvido em organismos vivos.
 Se organismo morre, não há mais ingestão de 14CO2. E 14C decai sem
ingestão adicional.
 5730 anos após só encontraremos um quociente de 1 / 2  7.6  1011.
Mais 5730 anos decorrem e quociente diminui de um factor de 1/2.
 Assim se pode determinar idade de objectos.
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