21.2: Equações nucleares

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Objetivos de

Identifique partículas e energias comuns envolvidas em reações nucleares
Escreva e balanceie equações nucleares

Mudanças de núcleos que resultam em mudanças em seus números atômicos, números de massa ou estados de energia são reações nucleares. Para descrever uma reação nuclear, usamos uma equação que identifica os nuclídeos envolvidos na reação, seus números de massa e números atômicos e as outras partículas envolvidas na reação.

Tipos de partículas em reações nucleares

Muitas entidades podem estar envolvidas em reações nucleares. Os mais comuns são prótons, nêutrons, partículas alfa, partículas beta, pósitrons e raios gama, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{1}\). Os prótons\( (\ce{^{1}_{1}p}\), também representados pelo símbolo\(\ce{^1_1H})\) e pelos nêutrons,\( (\ce{^1_0n})\) são os constituintes dos núcleos atômicos e foram descritos anteriormente. As partículas alfa\( (\ce{^4_2He}\), também representadas pelo símbolo,\(\ce{^{4}_{2}\alpha})\) são núcleos de hélio de alta energia. As partículas beta\( (\ce{^{0}_{−1}\beta}\), também representadas pelo símbolo,\(\ce{^0_{-1}e})\) são elétrons de alta energia, e os raios gama são fótons de radiação eletromagnética de altíssima energia. Os pósitrons\( (\ce{^0_{+1}e}\), também representados pelo símbolo,\(\ce{^0_{+1}β})\) são elétrons carregados positivamente (“antielétrons”). Os subscritos e sobrescritos são necessários para equilibrar equações nucleares, mas geralmente são opcionais em outras circunstâncias. Por exemplo, uma partícula alfa é um núcleo de hélio (He) com uma carga de +2 e um número de massa de 4, então é simbolizada\(\ce{^4_2He}\). Isso funciona porque, em geral, a carga iônica não é importante no balanceamento das equações nucleares.

Figura\(\PageIndex{1}\): Embora muitas espécies sejam encontradas em reações nucleares, esta tabela resume os nomes, símbolos, representações e descrições das mais comuns.

Observe que os pósitrons são exatamente como os elétrons, exceto que eles têm a carga oposta. Eles são o exemplo mais comum de antimatéria, partículas com a mesma massa, mas com o estado oposto de outra propriedade (por exemplo, carga) do que a matéria comum. Quando a antimatéria encontra a matéria comum, ambas são aniquiladas e sua massa é convertida em energia na forma de raios gama (γ) — e outras partículas subnucleares muito menores, que estão além do escopo deste capítulo — de acordo com a equação de equivalência massa-energia\(E = mc^2\), vista anteriormente seção. Por exemplo, quando um pósitron e um elétron colidem, ambos são aniquilados e dois fótons de raios gama são criados:

\[\ce{^0_{−1}e + ^0_{+1}e } \rightarrow \gamma + \gamma \label{21.3.1} \]

Os raios gama compõem radiações eletromagnéticas de curto comprimento de onda e alta energia e são (muito) mais energéticos do que os raios X mais conhecidos. Os raios gama são produzidos quando um núcleo passa por uma transição de um estado de energia mais alto para um mais baixo, semelhante à forma como um fóton é produzido por uma transição eletrônica de um nível de energia mais alto para um menor. Devido às diferenças de energia muito maiores entre as camadas de energia nuclear, os raios gama que emanam de um núcleo têm energias que são normalmente milhões de vezes maiores do que a radiação eletromagnética que emana de transições eletrônicas.

Equilibrando reações nucleares

Uma equação balanceada de reação química reflete o fato de que, durante uma reação química, as ligações se quebram e se formam, e os átomos são reorganizados, mas o número total de átomos de cada elemento é conservado e não muda. Uma equação de reação nuclear balanceada indica que há um rearranjo durante uma reação nuclear, mas de partículas subatômicas em vez de átomos. As reações nucleares também seguem as leis de conservação e são equilibradas de duas maneiras:

A soma dos números de massa dos reagentes é igual à soma dos números de massa dos produtos.
A soma das cargas dos reagentes é igual à soma das cargas dos produtos.

Se o número atômico e o número de massa de todas as partículas de uma reação nuclear, exceto uma, forem conhecidos, podemos identificar a partícula balanceando a reação. Por exemplo, poderíamos determinar que\(\ce{^{17}_8O}\) é um produto da reação nuclear de\(\ce{^{14}_7N}\) e\(\ce{^4_2He}\) se soubéssemos que um próton\(\ce{^1_1H}\),, era um dos dois produtos. \(\PageIndex{1}\)O exemplo mostra como podemos identificar um nuclídeo equilibrando a reação nuclear.

Exemplo\(\PageIndex{1}\): Balancing Equations for Nuclear Reactions

A reação de uma\(α\) partícula com o magnésio-25\( (\ce{^{25}_{12}Mg})\) produz um próton e um nuclídeo de outro elemento. Identifique o novo nuclídeo produzido.

Solução

A reação nuclear pode ser escrita como:

\[\ce{^{25}_{12}Mg + ^4_2He \rightarrow ^1_1H + ^{A}_{Z}X} \nonumber \]

onde

\(\ce A\)é o número da massa e
\(\ce Z\)é o número atômico do novo nuclídeo,\(\ce X\).

Porque a soma dos números de massa dos reagentes deve ser igual à soma dos números de massa dos produtos:

\[\mathrm{25+4=A+1} \nonumber \]

então

\[ \mathrm{A=28} \nonumber \]

Da mesma forma, as cobranças devem ser equilibradas, então:

\[\mathrm{12+2=Z+1} \nonumber \]

então

\[\mathrm{Z=13} \nonumber \]

Verifique a tabela periódica: O elemento com carga nuclear = +13 é alumínio. Assim, o produto é\(\ce{^{28}_{13}Al}\).

Exercício\(\PageIndex{1}\)

O nuclídeo se\(\ce{^{125}_{53}I}\) combina com um elétron e produz um novo núcleo e nenhuma outra partícula massiva. Qual é a equação para essa reação?

Resposta: \[\ce{^{125}_{53}I + ^0_{−1}e \rightarrow ^{125}_{52}Te} \nonumber \]

A seguir estão as equações de várias reações nucleares que têm papéis importantes na história da química nuclear:

O primeiro elemento instável natural que foi isolado, o polônio, foi descoberto pela cientista polonesa Marie Curie e seu marido Pierre em 1898. Ele decai, emitindo partículas α:\[\ce{^{212}_{84}Po⟶ ^{208}_{82}Pb + ^4_2He}\nonumber \]
O primeiro nuclídeo a ser preparado artificialmente foi um isótopo de oxigênio, ¹⁷ O. Foi feito por Ernest Rutherford em 1919 bombardeando átomos de nitrogênio com partículas α:\[\ce{^{14}_7N + ^4_2α⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]
James Chadwick descobriu o nêutron em 1932, como uma partícula neutra até então desconhecida produzida junto com ¹² C pela reação nuclear entre ⁹ Be e ⁴ He:\[\ce{^9_4Be + ^4_2He⟶ ^{12}_6C + ^1_0n} \nonumber \]
O primeiro elemento a ser preparado que não ocorre naturalmente na Terra, o tecnécio, foi criado pelo bombardeio de molibdênio por deutérios (hidrogênio pesado\(\ce{^2_1H}\)), por Emilio Segre e Carlo Perrier em 1937:\[ \ce{^2_1H + ^{97}_{42}Mo⟶2^1_0n + ^{97}_{43}Tc}\nonumber \]
A primeira reação nuclear em cadeia controlada foi realizada em um reator na Universidade de Chicago em 1942. Uma das muitas reações envolvidas foi:\[ \ce{^{235}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{87}_{35}Br + ^{146}_{57}La + 3^1_0n} \nonumber \]

Resumo

Os núcleos podem sofrer reações que alteram o número de prótons, o número de nêutrons ou o estado de energia. Muitas partículas diferentes podem estar envolvidas em reações nucleares. Os mais comuns são prótons, nêutrons, pósitrons (que são elétrons carregados positivamente), partículas alfa (α) (que são núcleos de hélio de alta energia), partículas beta (β) (que são elétrons de alta energia) e raios gama (γ) (que compõem radiação eletromagnética de alta energia). Assim como nas reações químicas, as reações nucleares são sempre balanceadas. Quando ocorre uma reação nuclear, a massa total (número) e a carga total permanecem inalteradas.

Glossário

partícula alfa: núcleo de hélio (α\(\ce{^4_2He}\) ou ou\(\ce{^4_2α}\)) de alta energia; um átomo de hélio que perdeu dois elétrons e contém dois prótons e dois nêutrons

antimatéria: partículas com a mesma massa, mas propriedades opostas (como carga) de partículas comuns

partícula beta: (\(β\)ou\(\ce{^0_{-1}e}\) ou\(\ce{^0_{-1}β}\)) elétron de alta energia

raio gama: Radiação eletromagnética de alta energia (γ ou\(\ce{^0_0γ}\)) de comprimento de onda curto que exibe dualidade onda-partícula

reação nuclear: mudança em um núcleo resultando em mudanças no número atômico, número de massa ou estado de energia

pósitron (\(\ce{^0_{+1}β}\)ou\(\ce{^0_{+1}e}\)): antipartícula para o elétron; tem propriedades idênticas a um elétron, exceto por ter a carga oposta (positiva)