10: Física nuclear
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Neste capítulo, estudamos a composição e as propriedades do núcleo atômico. O núcleo está no centro de um átomo e consiste em prótons e nêutrons. Uma compreensão profunda do núcleo leva a inúmeras tecnologias valiosas, incluindo dispositivos para datar rochas antigas, mapear os braços galácticos da Via Láctea e gerar energia elétrica.
- 10.1: Prelúdio da Física Nuclear
- O Sol é a principal fonte de energia no sistema solar. O Sol tem 109 diâmetros terrestres de diâmetro e representa mais de 99% 99% da massa total do sistema solar. O Sol brilha ao fundir núcleos de hidrogênio - prótons - nas profundezas de seu interior. Uma vez gasto esse combustível, o Sol queimará hélio e, posteriormente, outros núcleos. A fusão nuclear no Sol é discutida no final deste capítulo. Enquanto isso, investigaremos as propriedades nucleares que governam todos os processos nucleares, incluindo a fusão.
- 10.2: Propriedades dos núcleos
- O núcleo atômico é composto por prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons têm aproximadamente a mesma massa, mas os prótons carregam uma unidade de carga positiva e os nêutrons não carregam nenhuma carga. Essas partículas são agrupadas em um espaço extremamente pequeno no centro de um átomo. De acordo com experimentos de dispersão, o núcleo tem formato esférico ou elipsoidal e tem cerca de 1/100.000 do tamanho de um átomo de hidrogênio. Prótons e nêutrons dentro do núcleo são chamados de nucleons.
- 10.3: Energia nuclear vinculativa
- O defeito de massa de um núcleo é a diferença entre a massa total de um núcleo e a soma das massas de todos os seus núcleons constituintes. A energia de ligação (BE) de um núcleo é igual à quantidade de energia liberada na formação do núcleo, ou o defeito de massa multiplicado pela velocidade da luz ao quadrado. Um gráfico da energia de ligação por núcleo (BEN) versus o número atômico A implica que núcleos divididos ou combinados liberam uma enorme quantidade de energia.
- 10.4: Decaimento radioativo
- Na decomposição de uma substância radioativa, se a constante de decaimento\((\lambda)\) for grande, a meia-vida é pequena e vice-versa. A lei de decaimento radioativo,\(N = N_0 e^{-\lambda t}\), usa as propriedades das substâncias radioativas para estimar a idade de uma substância. O carbono radioativo tem a mesma química do carbono estável, então ele se mistura com a ecosfera e eventualmente se torna parte de todos os organismos vivos.
- 10.5: Reações nucleares
- Os primeiros experimentos revelaram três tipos de “raios” nucleares ou radiação: raios alfa (α), raios beta (β) e raios gama (γ). Esses três tipos de radiação são diferenciados por sua capacidade de penetrar na matéria. A radiação alfa mal consegue passar por uma fina folha de papel. A radiação beta pode penetrar no alumínio até uma profundidade de cerca de 3 mm, e a radiação gama pode penetrar até uma profundidade de 2 ou mais centímetros.
- 10.6: Fissão
- A divisão de um núcleo é chamada de fissão. As mudanças de energia em uma reação de fissão nuclear podem ser entendidas em termos da energia de ligação por curva de núcleo. A fissão U-235 pode produzir uma reação em cadeia. Em um composto composto composto por muitos núcleos U-235, os nêutrons no decaimento de um núcleo U-235 podem iniciar a fissão de núcleos adicionais do U-235. Essa reação em cadeia pode ocorrer de forma controlada, como em um reator nuclear em uma usina, ou prosseguir de forma incontrolável, como em uma explosão.
- 10.7: Fusão nuclear
- A fusão nuclear é uma reação na qual dois núcleos são combinados para formar um núcleo maior; a energia é liberada quando os núcleos de luz são fundidos para formar núcleos de massa média. A quantidade de energia liberada por uma reação de fusão é conhecida como valor Q. A fusão nuclear explica a reação entre deutério e trítio que produz uma bomba de fusão (ou hidrogênio); a fusão também explica a produção de energia no Sol, o processo de nucleossíntese e a criação dos elementos pesados.
- 10.8: Aplicações médicas e efeitos biológicos da radiação nuclear
- Compostos radioativos são usados para identificar câncer, estudar artefatos antigos e alimentar nossas cidades. A fusão nuclear também alimenta o Sol, a principal fonte de energia na Terra. O foco deste capítulo é a radiação nuclear. Nesta seção, fazemos perguntas como: Como a radiação nuclear é usada para beneficiar a sociedade? Quais são seus riscos à saúde? A quanta radiação nuclear uma pessoa média é exposta ao longo da vida?
Miniatura: Em uma reação em cadeia de fissão U-235, a fissão do núcleo de urânio produz nêutrons de alta energia que dividem mais núcleos. A energia liberada nesse processo pode ser usada para produzir eletricidade.