O átomo
Como
sabemos, o átomo é a unidade fundamental da matéria. Ele se divide em duas
regiões, uma central, na qual está concentrada praticamente toda a sua massa e
toda a sua carga positiva, denominada núcleo, e uma região periférica, na qual
se concentra sua carga negativa, denominada eletrosfera. As partículas que
formam o núcleo – os prótons e os nêutrons – são denominadas núcleons. As
partículas que se encontram distribuídas pela eletrosfera são os elétrons.
O
total de núcleons em um núcleo atômico é denominado número de massa (A).
REAÇÕES NUCLEARES
As
reações nucleares são fenômenos em que ocorre a alteração da constituição dos
núcleos. Tais reações acontecem quando há uma alteração no número de prótons e
/ ou no número de nêutrons de um núcleo atômico.
Quando a reação
nuclear ocorre com a alteração do número de prótons do núcleo, ela é denominada
transmutação.
Exemplo:
57 90 1
Zn à Se
+ p
30 34
1
Em
um processo de transmutação, a identidade do elemento é alterada, ou seja, um
elemento químico se converte em outro elemento. No exemplo anterior, átomos do
elemento zinco são convertidos em átomos do elemento cobre.
Alguns
processos nucleares ocorrem sem que haja a alteração do número de prótons do
núcleo, como a emissão de nêutrons.
Exemplo:
91 90 1
Se à Se
+ n
34 34
0
No
processo anterior, o nuclídeo selênio-91 emite um nêutron, sem que haja
alteração do número de prótons, transformando-se em outro nuclídeo do mesmo elemento
químico, o selênio-90.
Existem três tipos
de reações nucleares.
● Radioatividade:
Atividade apresentada por alguns nuclídeos instáveis em que há emissão ou
absorção de partículas (prótons, nêutrons, partículas alfa, partículas beta,
pósitrons, elétrons, neutrinos e antineutrinos), com emissão de energia
eletromagnética (radiação), buscando a sua estabilização.
● Fissão nuclear:
Ruptura de núcleos atômicos, originando núcleos menores.
● Fusão nuclear:
Junção de núcleos atômicos, originando núcleos maiores.
PRINCÍPIO
DA EQUIVALÊNCIA MASSA-ENERGIA
Em
1905, Albert Einstein publicou em um artigo a expressão.
E = m . c2
em que E =
energia, m = massa de repouso e c = a velocidade da luz no vácuo.
Essa
expressão sintetiza o princípio da equivalência entre a massa e a energia.
Este, por sua vez, une os princípios da conservação da massa e da energia.
Por
esse princípio, para toda massa, existe uma energia associada equivalente e
vice-versa, ou seja, a massa de um sistema pode ser convertida em energia e
vice-versa.
A
massa de um quilograma possui uma energia associada equivalente igual a.
E = 1 kg . (3x108 m.s–1)2 ≅ 9,0x1016 joules
APLICAÇÕES
DO PRINCÍPIO DA EQUIVALÊNCIA MASSA-ENERGIA
No
processo de aniquilação do elétron e do pósitron, toda massa do sistema é
convertida em energia. Relacionando-se a variação de massa com a variação de
energia em um sistema, tem-se:
E = m . c2
Todo
processo em que há perda de massa (Δm < 0) é considerado exoenergético (ΔE
< 0), ou seja, ocorre com liberação de energia. Em contrapartida, todo
processo em que há ganho de massa (Δm > 0) é considerado endoenergético (ΔE
> 0), ou seja, ocorre com absorção de energia.
Nos
fenômenos químicos exotérmicos, a massa do sistema não se conserva, como
previsto pelo Princípio de Lavoisier. Parte da massa do sistema é convertida em
energia. Contudo, essa variação de massa é desprezível e não consegue ser
registrada nem por uma balança de alta precisão, o que não invalida a aplicação
do Princípio de Lavoisier às reações químicas.
A
combustão de um mol de metano libera 802,3 kJ. A variação de massa nesse
sistema pode ser calculada da seguinte forma:
Δm = ΔE/c2
Δm = 802,3
kJ/(3x108 m.s–1)2
Δm = 8,91x10−12
kg
CH4(g)
+ 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g)
80g 80g – 8,91x10−9 g =
80g
Nas
reações nucleares, o Princípio da Conservação da Massa de Lavoisier não pode
ser aplicado, já que a variação de massa não é desprezível, como nas reações
químicas, e a energia envolvida nesse tipo de processo é milhares de vezes
maior do que a variação de energia envolvida em uma reação química.
ESTABILIDADE NUCLEAR
A
estabilidade nuclear de um nuclídeo está associada à sua energia de ligação
nucleônica. Quanto maior for a energia de ligação, menor será a energia
armazenada no núcleo e, consequentemente, maior será a estabilidade do nuclídeo.
O
gráfico a seguir representa a energia de ligação por núcleon (E/A) em função do
número de núcleons (A).
O
níquel-62 é o nuclídeo com maior energia de ligação entre todos os nuclídeos
conhecidos.
Os
nuclídeos próximos ao ferro-56 e ao níquel-62 são muito estáveis, pois seus
núcleons estão fortemente ligados. Os nuclídeos com número de massa muito
elevado tornam-se mais estáveis quando sofrem fissão nuclear. Já os nuclídeos
com baixo número de massa tornam-se mais estáveis quando sofrem fusão nuclear.
A
estabilidade nuclear depende diretamente da relação entre o número de nêutrons
e o número de prótons.
Em alguns casos, o número de prótons e de nêutrons é tão alto que a força de ligação nuclear não é suficiente para mantê-los unidos. Nesses casos, ocorre emissão alfa para diminuir tanto o número de nêutrons como o de prótons.
Relação
do número de prótons e de nêutrons com a estabilidade
RADIOATIVIDADE
A
radioatividade é um fenômeno nuclear, isto é, deve-se unicamente à emissão de
partículas e radiações pelo núcleo atômico, em um processo que ocorre com a
finalidade de atingir a estabilidade nuclear.
Transmutação
Ocorre
transmutação quando os átomos sofrem transformações em seus núcleos, originando
átomos de um novo elemento.
Transmutação
natural
Ocorre com a
emissão espontânea de partículas por parte do núcleo.
Transmutação
artificial
É
provocada por bombardeamentos de núcleos com partículas subatômicas. As
principais partículas utilizadas são partículas alfa, prótons e dêuterons.
Atualmente, essas reações são feitas, em geral, nos aceleradores de partículas
de alta energia, como o cíclotron, o síncroton e o acelerador linear.
Seguem
algumas transmutações artificiais importantes e seus respectivos pesquisadores.
1. Ernest
Rutherford (1919): Descoberta do próton
2. James Chadwick
(1932): Descoberta do nêutron.
Em
equações de transmutação, é fundamental a igualdade algébrica entre os índices
que representam o número de massa e o número atômico.
Átomos
radioativos artificiais
Átomos estáveis
podem ser transformados em radioativos artificialmente.
Elementos
artificiais
São
divididos em cisurânicos e transurânicos. Os elementos cisurânicos são
elementos artificiais com número atômico inferior a 92 (urânio). São quatro:
promécio, tecnécio, frâncio e astato.
Os
elementos transurânicos são elementos artificiais com número atômico superior a
92 (urânio). Até o presente momento, já foi comunicado a obtenção artificial de
dezoito elementos transurânicos.
Os
primeiros elementos transurânicos preparados pelo homem foram o netúnio e o
plutônio, obtidos pelo bombardeamento de 238 92U por nêutrons lentos.
Natureza
das emissões
O campo elétrico produzido pelas placas desvia a trajetória das emissões. Observe que as partículas a sofrem um desvio bem menor, se comparado com o desvio sofrido pelas partículas β.
Partículas
α (Alfa)
São
partículas constituídas de 2 prótons e 2 nêutrons (conjunto igual ao núcleo do
átomo de hélio), emitidas pelo núcleo radioativo.
Lei
de Soddy: Quando
um elemento radioativo emite uma partícula α, ele origina um novo elemento com
número atômico 2 unidades menor e número de massa 4 unidades menor.
Observe que houve mudança
do número atômico do átomo, logo, haverá mudança de elemento químico,
denominada reação de transmutação.
Partículas
β (BETA)
Cada
partícula β é um elétron emitido em alta velocidade pelo núcleo radioativo.
Admite-se que a partícula β (elétron) deve ser formada pela desintegração de um
nêutron.
Esse elétron é imediatamente expulso pelo núcleo e recebe a denominação de partícula β.
O
neutrino é uma partícula de carga nula e massa desprezível, já que possui uma
massa 20 vezes menor do que a massa do elétron.
Lei de Soddy-Fajans-Russel: Quando um elemento radioativo emite uma partícula β, seu número atômico aumenta uma unidade, e o seu número de massa não se altera.
Radiações γ (Gama)
São
radiações eletromagnéticas cujos comprimentos de onda variam de 0,5 a 0,005 A.
As emissões de partículas α e β são normalmente acompanhadas de emissão de
radiação γ.
Equações
de desintegração
Nas
equações de desintegração, tem-se:
Características das emissões radioativas
Cinética
das emissões radioativas
Leis da desintegração radioativa
Não
é possível prever com exatidão a duração de um núcleo radioativo, pois ele
poderá permanecer sem se desintegrar durante segundos, dias ou até séculos.
Contudo, existem cálculos estatísticos capazes de fornecer uma expectativa do
tempo de vida de um núcleo radioativo.
Período
de semidesintegração ou meia-vida
É
o tempo necessário para que a metade dos átomos presentes em uma amostra se
desintegre.
em que
N = nº final de
átomos em uma amostra radioativa.
N0 = nº
inicial de átomos em uma amostra radioativa.
x = nº de
meias-vidas.
Nessa
expressão, N e N0 podem também representar a massa final (m) e a
massa inicial (m0) de uma amostra radioativa. Assim,
m = m0
2x
O tempo (t)
correspondente a x meias-vidas é dado por
t = x . P
em que
P = tempo
correspondente a uma meia-vida.
OBSERVAÇÕES
1. A temperatura
não interfere na velocidade dos processos radioativos, ou seja, não altera os
fenômenos nucleares.
2. A meia-vida, ou
período de semidesintegração de um elemento, não depende do número de átomos ou
da massa inicial da amostra.
3. A atividade
radioativa de uma amostra diminui no decorrer do tempo porque o número de
desintegrações diminui.
FISSÃO
NUCLEAR
No
processo conhecido como fissão, um núcleo muito pesado se parte e forma núcleos
de peso médio.
Durante a fissão,
são produzidos nêutrons. Os nêutrons emitidos podem causar a fissão de outros
núcleos de 235 U92, ocorrendo uma reação em cadeia.
Reação em cadeia
No
processo da fissão, ocorre uma perda de massa que é convertida em energia de
acordo com o princípio da equivalência massa-energia de Einstein.
A
energia liberada em uma fissão nuclear é aplicada para fins pacíficos nos
reatores nucleares (reação controlada) ou para fins bélicos em bombas atômicas,
bomba A (reação incontrolada).
Reator
nuclear
Em um reator nuclear, a reação de fissão é controlada por moderadores de nêutrons e por barras de controle.
Os
moderadores de nêutrons desaceleram os nêutrons liberados no processo,
viabilizando o prosseguimento da reação em cadeia sob controle.
As
barras controladoras adsorvem os nêutrons, impossibilitando o crescimento
exponencial do número de nêutrons produzidos na reação em cadeia. Os principais
materiais que realizam essa função são aço-boro, cádmio ou háfnio.
Em
um reator nuclear, a reação de fissão é uma fonte de calor utilizada para
elevar a temperatura da água até a ebulição. O vapor produzido aciona uma
turbina que produz eletricidade, mecanismo idêntico ao de uma máquina térmica
convencional.
Lixo
atômico
O processo de fissão
produz um resíduo extremamente perigoso, representando um alto risco à
população e ao meio ambiente. Esse resíduo é denominado lixo atômico ou nuclear.
O
lixo nuclear é constituído de uma série de radionuclídeos (já foram
identificados mais de 200 radionuclídeos diferentes) que normalmente possuem
uma meia-vida longa. Por esse motivo, é necessário armazená-los em recipientes
de chumbo e concreto e guardá-los em locais seguros por um tempo suficiente
para que a radiação emitida atinja níveis não prejudiciais.
Bomba
atômica (Bomba A)
A
bomba atômica é detonada em três estágios. O primeiro consiste em detonar a
espoleta da bomba, uma carga de TNT, que, ao explodir, libera energia
suficiente para juntar massas de material físsil (normalmente urânio-235 ou
plutônio-239). Quando essas massas se juntam, formam uma massa denominada massa
crítica, completando o segundo estágio. No terceiro estágio, a massa crítica
penetra na fonte de nêutrons, dando origem à reação em cadeia.
FUSÃO
NUCLEAR
No
processo conhecido como fusão, núcleos leves combinam-se para formar núcleos
mais pesados.
Exemplo:
No processo, ocorre uma perda de massa, que é convertida em energia. O processo de fusão nuclear libera uma quantidade de energia muito maior do que o processo de fissão nuclear, além de produzir resíduos mais limpos (menos radioativos).
A
temperatura necessária para vencer a repulsão entre os núcleos dos reagentes e
realizar a fusão é da ordem de cem milhões de graus Celsius para a fusão de
quatro átomos de hidrogênio e de um milhão de graus Celsius para a fusão de
deutérios(2 H1) e trítios (3 H1),
isótopos mais pesados do hidrogênio.
Temperaturas
tão elevadas não são encontradas na Terra, porém a produção das bombas atômicas
viabilizara a realização das fusões.
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