21.3: Equações nucleares

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

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 21.4. Prótons $(_{1}^{1} p,$ também representado pelo símbolo $_{1}^{1} H)$ e nêutrons $(_{0}^{1} n)$ são os constituintes dos núcleos atômicos e foram descritos anteriormente. Partículas alfa $(_{2}^{4} Ele,$ também representado pelo símbolo $_{2}^{4} α)$ são núcleos de hélio de alta energia. Partículas beta $(_{−1}^{0} β,$ também representado pelo símbolo $_{−1}^{0} e)$ são elétrons de alta energia e os raios gama são fótons de radiação eletromagnética de altíssima energia. Positrons $(_{+1}^{0} e,$ também representado pelo símbolo $_{+1}^{0} β)$ 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 $_{2}^{4} Ele .$ Isso funciona porque, em geral, a carga iônica não é importante no balanceamento das equações nucleares.

Essa tabela tem quatro colunas e sete linhas. A primeira linha é uma linha de cabeçalho e ela rotula cada coluna: “Nome”, “Símbolo (s)”, “Representação” e “Descrição”. Sob a coluna “Nome” estão as seguintes: “Partícula alfa”, “Partícula beta”, “Positron”, “Próton”, “Nêutron” e “Raio gama”. Sob a coluna “Símbolo (s)” estão os seguintes: “sobrescrito 4 empilhado sobre um subscrito 2 H e ou alfa minúsculo”, “sobrescrito 0 empilhado sobre um subscrito 1 e ou beta minúsculo”, “sobrescrito 0 empilhado sobre um subscrito positivo 1 e ou sinal positivo sobrescrito beta minúsculo”, “sobrescrito 1 empilhado sobre um subscrito 1 H ou rho minúsculo sobrescrito 1 empilhado sobre um subscrito 1 H”, “sobrescrito 1 empilhado sobre um subscrito 0 n ou meta sobrescrito minúsculo 1 empilhado sobre um subscrito 0 n” e uma gama minúscula. Sob a “coluna de representação”, estão as seguintes: duas esferas brancas ligadas a duas esferas azuis de aproximadamente o mesmo tamanho com sinais positivos; uma pequena esfera vermelha com um sinal negativo nela; uma pequena esfera vermelha com um sinal positivo nela; uma esfera azul com um sinal positivo nela; uma esfera branca; e uma rabisco roxo com uma seta apontando para a direita para uma gama minúscula. Sob a coluna “Descrição” estão os seguintes: “Núcleos de hélio (de alta energia) consistindo em dois prótons e dois nêutrons”, “Eleições (de alta energia)”, “Partículas com a mesma massa de um elétron, mas com 1 unidade de carga positiva”, “Núcleos de átomos de hidrogênio”, “Partículas com uma massa aproximadamente igual à de um próton, mas sem carga” e “Radiação eletromagnética de energia muito alta”.

Figura 21.4 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 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, visto na seção anterior. Por exemplo, quando um pósitron e um elétron colidem, ambos são aniquilados e dois fótons de raios gama são criados:

_{−1}^{0} e +_{+1}^{0} e ⟶ γ + γ

Conforme visto no capítulo que discute luz e radiação eletromagnética, os raios gama compõem radiação eletromagnética de curto comprimento de onda e alta energia e são (muito) mais energéticos do que os raios X mais conhecidos que podem se comportar como partículas no sentido de dualidade onda-partícula. Os raios gama são um tipo de radiação eletromagnética de alta energia produzida 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 mais baixo. 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 nucleons (partículas subatômicas dentro dos núcleos dos átomos) 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 $_{8}^{17} O$ é um produto da reação nuclear de $_{7}^{14} N$ e $_{2}^{4} Ele$ se soubéssemos que um próton, $_{1}^{1} H,$ foi um dos dois produtos. O exemplo 21.4 mostra como podemos identificar um nuclídeo equilibrando a reação nuclear.

Exemplo 21.4

Equações de balanceamento para reações nucleares

A reação de uma partícula α com magnésio-25

(_{12}^{25} Mg)

produz um próton e um nuclídeo de outro elemento. Identifique o novo nuclídeo produzido.

Solução

A reação nuclear pode ser escrita como:

_{12}^{25} Mg +_{2}^{4} Ele ⟶_{1}^{1} H +_{Z}^{UMA} X

onde A é o número de massa e Z é o número atômico do novo nuclídeo, X. Porque a soma dos números de massa dos reagentes deve ser igual à soma dos números de massa dos produtos:

25 + 4 = UMA + 1, ou A = 28

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

12 + 2 = Z + 1, e Z = 13

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

Verifique seu aprendizado

O nuclídeo

_{53}^{125} EU

combina com um elétron e produz um novo núcleo e nenhuma outra partícula massiva. Qual é a equação para essa reação?

Resposta:

$_{53}^{125} EU +_{−1}^{0} e ⟶_{52}^{125} Te$

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:

$_{84}^{212} Po ⟶_{82}^{208} Pb +_{2}^{4} Ele$
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:

$_{7}^{14} N +_{2}^{4} Ele ⟶_{8}^{17} O +_{1}^{1} H$
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:

$_{4}^{9} Seja +_{2}^{4} Ele ⟶_{6}^{12} C +_{0}^{1} n$
O primeiro elemento a ser preparado que não ocorre naturalmente na Terra, o tecnécio, foi criado pelo bombardeio de molibdênio por deutérios (hidrogênio pesado, $_{1}^{2} H)$ , de Emilio Segre e Carlo Perrier em 1937:

$_{1}^{2} H +_{42}^{97} Mo ⟶ 2_{0}^{1} n +_{43}^{97} Tc$
A primeira reação nuclear em cadeia controlada foi realizada em um reator na Universidade de Chicago em 1942. Uma das muitas reações envolvidas foi:

$_{92}^{235} U +_{0}^{1} n ⟶_{35}^{87} Br +_{57}^{146} La + 3_{0}^{1} n$