10.S: Física nuclear (resumo)

Termos-chave

atividade	magnitude da taxa de decaimento de nuclídeos radioativos
raios alfa (α)	um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo como partículas alfa
decaimento alfa	decaimento nuclear radioativo associado à emissão de uma partícula alfa
antielétrons	outro termo para pósitrons
antineutrino	antipartícula do neutrino de um elétron em decaimento β−β−
massa atômica	massa total dos prótons, nêutrons e elétrons em um único átomo
unidade de massa atômica	unidade usada para expressar a massa de um núcleo individual, onde\(\displaystyle 1u=1.66054×10^{−27}kg\)
núcleo atômico	grupo bem compactado de nucleons no centro de um átomo
número atômico	número de prótons em um núcleo
becquerel (Bq)	Unidade SI para a taxa de decaimento de um material radioativo, igual a 1 decaimento/segundo
raios beta (ββ)	um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo como partículas beta
decaimento beta	decaimento nuclear radioativo associado à emissão de uma partícula beta
energia vinculativa (BE)	energia necessária para quebrar um núcleo em seus prótons e nêutrons constituintes
energia de ligação por núcleo (BEN)	necessidade de energia para remover um nucleon de um núcleo
reator reprodutor	reator projetado para produzir plutônio
datação por carbono-14	método para determinar a idade do tecido anteriormente vivo usando a proporção\(\displaystyle ^{14}C/^{12}C\)
gráfico dos nuclídeos	gráfico compreendendo núcleos estáveis e instáveis
massa crítica	massa mínima exigida de um determinado nuclídeo para que ocorra uma fissão autossustentável
criticidade	condição na qual uma reação em cadeia se torna facilmente autossustentável
Curie (Curie)	unidade de taxa de decaimento, ou a atividade de 1 g de\(\displaystyle ^{226}Ra\), igual a\(\displaystyle 3.70×10^{10}Bq\)
núcleo filha	núcleo produzido pela decadência de um núcleo parental
decadência	processo pelo qual um núcleo atômico individual de um átomo instável perde massa e energia ao emitir partículas ionizantes
constante de decaimento	quantidade que é inversamente proporcional à meia-vida e que é usada na equação do número de núcleos em função do tempo
série decay	série de decaimentos nucleares terminando em um núcleo estável
fissão	divisão de um núcleo
raios gama (γγ)	um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo como partículas gama
decaimento gama	decaimento nuclear radioativo associado à emissão de radiação gama
meia-vida	tempo para metade dos núcleos originais decair (ou metade dos núcleos originais permanecem)
alta dose	dose de radiação maior que 1 Sv (100 rem)
isótopos	núcleos com o mesmo número de prótons, mas números diferentes de nêutrons
tempo de vida	tempo médio que um núcleo existe antes de se decompor
modelo de gota de líquido	modelo de núcleo (apenas para entender algumas de suas características) em que os nucleons em um núcleo agem como átomos em uma gota
dose baixa	dose de radiação inferior a 100 mSv (10 rem)
defeito de massa	diferença entre a massa de um núcleo e a massa total de seus núcleons constituintes
número de massa	número de nucleons em um núcleo
dose moderada	dose de radiação de 0,1 Sv a 1 Sv (10 a 100 rem)
neutrino	partícula elementar subatômica que não tem carga elétrica líquida
número de nêutrons	número de nêutrons em um núcleo
fusão nuclear	processo de combinar núcleos mais leves para criar núcleos mais pesados
reator de fusão nuclear	reator nuclear que usa a cadeia de fusão para produzir energia
nucleons	prótons e nêutrons encontrados dentro do núcleo de um átomo
nucleossíntese	processo de fusão pelo qual se acredita que todos os elementos da Terra tenham sido criados
nuclídeo	núcleo
núcleo parental	núcleo original antes da decadência
pósitron	elétron com carga positiva
tomografia por emissão de pósitrons (PET)	técnica de tomografia que usa\(\displaystyle β^+\) emissores e detecta os dois\(\displaystyle γ\) raios de aniquilação, auxiliando na localização da fonte
cadeia próton-próton	reações combinadas que fundem núcleos de hidrogênio para produzir núcleos de He
unidade de dose de radiação (rad)	energia ionizante depositada por quilograma de tecido
datação radioativa	aplicação de decaimento radioativo em que a idade de um material é determinada pela quantidade de radioatividade de um tipo específico que ocorre
lei de decaimento radioativo	descreve a diminuição exponencial dos núcleos parentais em uma amostra radioativa
etiquetas radioativas	medicamentos especiais (radiofármacos) que permitem aos médicos rastrear o movimento de outros medicamentos no corpo
radioatividade	emissão espontânea de radiação dos núcleos
radiofarmacêutico	composto usado para imagens médicas
raio de um núcleo	raio de um núcleo é definido como\(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\)
eficácia biológica relativa (RBE)	número que expressa a quantidade relativa de dano que uma quantidade fixa de radiação ionizante de um determinado tipo pode infligir aos tecidos biológicos
homem equivalente de roentgen (rem)	unidade de dose mais estreitamente relacionada aos efeitos no tecido biológico
Sievert (Sv)	SI equivalente do rem
tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT)	tomografia realizada\(\displaystyle γ\) com radiofármacos emissores
força nuclear forte	força que une os nucleons no núcleo
elemento transurânico	elemento que está além do urânio na tabela periódica

Equações-chave

Número de massa atômica	\(\displaystyle A=Z+N\)
Formato padrão para expressar um isótopo	\(\displaystyle ^A_ZX\)
Raio nuclear, onde r 0 é o raio de um único próton	\(\displaystyle r=r_0A^{1/3}\)
Defeito de massa	\(\displaystyle Δm=Zm_p+(A−Z)m_n−m_{nuc}\)
Energia vinculativa	\(\displaystyle E=(Δm)c^2\)
Energia de ligação por núcleo	\(\displaystyle BEN=\frac{E_b}{A}\)
Taxa de decaimento radioativo	\(\displaystyle −\frac{dN}{dt}=λN\)
Lei de decaimento radioativo	\(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\)
Constante de decaimento	\(\displaystyle λ=\frac{0.693}{T_{1/2}}\)
Vida útil de uma substância	\(\displaystyle \bar{T}=\frac{1}{λ}\)
Atividade de uma substância radioativa	\(\displaystyle A=A_0e^{−λt}\)
Atividade de uma substância radioativa (forma linear)	\(\displaystyle lnA=−λt+lnA_0\)
Decaimento alfa	\(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\)
Decaimento beta	\(\displaystyle ^A_ZX→^A_{Z+1}X+^0_{−1}e+\bar{v}\)
Emissão de pósitrons	\(\displaystyle A^Z_X→^A_{Z−1}X+^0_{+1}e+v\)
Decadência gama	\(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\)

Resumo

10.1 Propriedades dos núcleos

• O núcleo atômico é composto por prótons e nêutrons.

   

• O número de prótons no núcleo é dado pelo número atômico Z. O número de nêutrons no núcleo é o número de nêutrons, N. O número de nucleons é o número de massa, A.

   

• Núcleos atômicos com o mesmo número atômico, Z, mas números de nêutrons diferentes, N, são isótopos do mesmo elemento.

   

• A massa atômica de um elemento é a média ponderada das massas de seus isótopos.

   

10.2 Energia de ligação nuclear

• 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.

   

• A energia de ligação de um nucleon em um núcleo é análoga à energia de ionização de um elétron em um átomo.

   

10.3 Decaimento radioativo

• Na decomposição de uma substância radioativa, se a constante de decaimento (λλ) for grande, a meia-vida é pequena e vice-versa.

   

• A lei de decaimento radioativo,\(\displaystyle N=N_0e^{−λt}\), 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. Ao comparar a abundância de\(\displaystyle ^{14}C\) em um artefato com a abundância normal em tecidos vivos, é possível determinar a idade do artefato.

   

10.4 Reações nucleares

• Os três tipos de radiação nuclear são raios alfa (\(\displaystyle α\)), raios beta (\(\displaystyle β\)) e raios gama (\(\displaystyle γ\)).

   

• Representamos o decaimento αα simbolicamente por\(\displaystyle ^A_ZX→^{A−4}_{Z−2}X+^4_2He\). Existem dois tipos de\(\displaystyle β\) decaimento: um elétron (\(\displaystyle β^−\)) ou um pósitron (\(\displaystyle β^+\)) é emitido por um núcleo. \(\displaystyle γ\)a decadência é representada simbolicamente por\(\displaystyle ^A_ZX*→^A_ZX+γ\).

   

• Quando um núcleo pesado decai para um mais leve, o núcleo filho mais leve pode se tornar o núcleo pai para o próximo decaimento, e assim por diante, produzindo uma série de decaimento.

   

10.5 Fissão

• A fissão nuclear é um processo no qual a soma das massas dos núcleos do produto é menor do que as massas dos reagentes.

   

• As mudanças de energia em uma reação de fissão nuclear podem ser entendidas em termos da energia de ligação por curva de núcleo.

   

• A produção de isótopos novos ou diferentes por transformação nuclear é chamada de reprodução, e os reatores projetados para esse fim são chamados de reatores reprodutores.

   

10.6 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.

   

10.7 Aplicações médicas e efeitos biológicos da radiação nuclear

• A tecnologia nuclear é usada na medicina para localizar e estudar tecidos doentes usando medicamentos especiais chamados radiofármacos. Os marcadores radioativos são usados para identificar células cancerosas nos ossos, tumores cerebrais e doença de Alzheimer e para monitorar a função dos órgãos do corpo, como fluxo sanguíneo, atividade muscular cardíaca e absorção de iodo na glândula tireoidea.

   

• Os efeitos biológicos da radiação ionizante são devidos a dois efeitos que ela tem nas células: interferência na reprodução celular e destruição da função celular.

   

• As fontes comuns de radiação incluem a emitida pela Terra devido aos isótopos de urânio, tório e potássio; radiação natural de raios cósmicos, solos e materiais de construção e fontes artificiais de testes de diagnóstico médico e odontológico.

   

• Os efeitos biológicos da radiação nuclear são expressos por muitas quantidades físicas diferentes e em muitas unidades diferentes, incluindo o rad ou a unidade de dose de radiação.