Tabela Periódica


A Tabela Periódica fornece as informações básicas para o estudo de combustíveis.

Diversas tabelas estão disponíveis mas a mais interessante no ambiente virtual é a fornecida pela Knovel.

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Tabela de Isótopos


Este link apresenta a tabela dos diversos Isótopos.

 

Perguntas para Pesquisa


  1. O que mantém os prótons unidos no núcleo do átomo?
  2. Qual o maior núcleo estável encontrado na natureza da terra?
  3. Por que núcleos grandes são instáveis?
  4. Como se proteger da radiação nuclear?
  5. Como detetar a radiação nuclear?
  6. Como somos afetados pela radiação nuclear?
  7. Qual a meia vida do Iodo 131?
  8. Qual a meia vida do Césio -137?
  9. Qual a meia vida do Estrôncio - 90?

 

Definições


Meia-vida

Meia-vida é o tempo necessário para que metade dos núcleons de um isótopo radioativo decaia.

Por exemplo, a meia-vida do Indio-117 é 54 minutos enquanto que a meia-vida do Urânio-234 é de 245 mil anos.

Partículas Alfa e Beta

Em 1896, o físico francês Antoine Henri Becquerel, em seus estudos sobre substâncias fosforescentes, verificou que compostos de urânio, causavam manchas escuras em chapas fotográficas, e mais tarde pode evidenciar que a radiação emitida pelo composto de urânio não era devida ao fenômeno de fosforescência e sim devido a radiação invisível emitida pelo composto de urânio, ou seja, o composto de urânio tinha uma atividade própria para emitir “raios” invisíveis.

A partir de 1898, o estudo da radioatividade se desenvolveu e outros elementos radioativos foram descobertos, inclusive o rádio, de onde veio o nome “radioativo”.

A descoberta da radiação trouxe o conhecimento da existência das partículas subatômicas: os prótons e neutrons (que compõem o núcleo do átomo) e os elétrons que se movimentam a altas velocidades.

Um elemento radioativo, por exemplo, o rádio, (Ra), emitindo radiação entre duas chapas metálicas, uma carregada positivamente e outra carregada negativamente, de forma que a radiação entre no campo entre as chapas na forma de um feixe, tem sua radiação dividida em três partes: raio gama, raio beta e o raio alfa.

A partícula alfa é a que sofre o maior desvio e foi atraída pela placa negativa. Ela possui carga elétrica positiva (por esta razão é atraída pela placa negativa) e pôde ser verificado mais tarde que ela é formada por dois prótons e dois neutrons, como o núcleo do elemento Hélio (He).

Estas partículas liberadas possuem alta energia cinética, ou seja, alta “energia de movimento”, pois o núcleo, além de liberar os prótons e neutron, também libera energia, na forma de energia cinética das partículas. No entanto, essas partículas possuem baixo poder de penetração.

Em razão de ter massa e carga elétrica maiores que o raios beta e gama, o raio alfa é a radiação menos penetrante, podendo ser bloqueada por uma folha de papel, portanto é a menos perigosa, desde que não haja o contato com o organismo.

Se isso ocorrer, o raio alfa pode causar sérias lesões. O átomo do qual a partícula alfa sai também sofre uma alteração significativa. Isso porque as propriedades químicas dos átomos são determinadas pelo número de prótons existentes no núcleo.

Dessa forma, ao emitir uma partícula alfa, o átomo perde dois prótons, e assim passa a se comportar de forma diferente em termos químicos, ou seja, de suas combinações com outros átomos para formar compostos.

A partícula Beta é o elétron originado em reações nucleares.

Radiação Nuclear

Radiação Nuclear são partículas, Fótons e energia eletromagnética gerdos no núcleo dos átomos a partir de reações nucleares.

 

Forças Fundamentais da Natureza


Forças Fundamentais
Nome Raio de ação Força Relativa
Força Nuclear Forte
10-15 m
1
Eletromagnética
Infinito
10-2
Força Nuclear Fraca
10-17 m
10-13
Gravitacional
Infinita
10-40

 

Dados Importantes


Dados Importantes
Dado Valor Unidade
Velocidade da Luz no vácuo -c
299.792.458
m/s
Massa do Proton- Mp
1,007277
u
938,27231
MeV/C2
1836,149
me
Massa do Néutron - Mn
1,008665
u
939,56563
MeV/c2
1838,679
me
Massa do Elétron - me
0,51099906
MeV/c2
Carga Elementar - e
1,60217733e-19
A.s
Constante de Plank
6,626e-34
J.s

 

Unidades


As unidades de energia podem ser encontradas na seção de Tabelas.

1 ev = 1,6022E-19 J

Como a massa das partículas atômicas é muito pequena, criou-se a unidade de massa atômica - u - que equivale a:

1 u = 1,66 E-27 Kg

Ela foi definida como sendo a massa do Carbono 12 dividida por 12 e pode ser expressa da seguinte maneira:

Unidades de comprimento

1 angstrom (A)= 100 picometros (pm) = 1E-10 metros (m)

1 Fermi (fm) = 1E-3 picometros (pm) = 1E-15 metros (m) = 1 femtometro (fm)

 

Proteção contra Radiação Nuclear


As três melhores maneiras de se proteher contra a radiação nuclear são:

  • Tempo
  • Distância
  • Blindagem

Como os efeitos da radiação nuclear dependem do tempo de exposição, uma das formas de proteção é minimizar este tempo.

Como a radiação nuclear decai com o quadrado da distância, outra forma de proteção é ficar longe das fontes emissoras.

Finalmente, como a radiação nuclear que nos afeta é aquela que interage com a matéria, escudos e blindagem são a outra forma de proteção.

Contaminação Radioativa


A contaminação radioativa pode ser:

  • Externa;
  • Interna.

A contaminação externa ocorre apenas na superfície externa do corpo e é causada principalmente pelas formas de radiação eletricamente carregadas - radiação alfa e beta.

A melhor forma de descontaminação é a lavagem com água e sabão.

A contaminação interna é mais perigosa e ocorre principalmente pelas formas de radiação eletricamente neutras - Raios Gama e Néutron, porque elas não são detidas pela pele.

Contudo, todas as formas de radição podem causar contaminação interna se ingeridas e/ou absorvidas através de feridas e/ou mucosas - boca, nariz, olhos, etc..

Medição da Radiação


Os seres humanos não coseguem detetar a radiação nuclear. Por isso, medições indiretas precisão ser feitas.

A unidade de radição nuclear é o rem (Roentgen Equivalent in Man) que representa a quantidade de radição necessária para causar determinadoi tipo de dano no tecido humano.

É importante lembrar que os seres vivos não são afetados da mesma forma pela radiação nuclear.

Outra unidade utilizada na medição da radiação nuclear é o Sievert(Sv), que equivale a 100 rems.

Doses de Radiação


Os efeitos das doses de radiação no corpo humano ainda não são totalmente determinados por falta de dados experimentais.

As bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki propriciaram os primeiros dados práticos para o estudo da radiotividade em seres humanos.

Posteriormente, os acidentes com o Césio em Goiania, Chernobil e, recentemente, Fukushima forneceram mais dados para aumentarmos nosso conhecimento sobre o efeito da radição no homem.

Contudo, com o atual conhecimento, doses de radiação superiores a 300 rems causam perda temporária de cabelos e efeitos internos.

Metade das pessoa submetidas até 450 rems morre e a taxa de mortalidade sobe para praticamente 100% com doses superiores a 800 rems.

Hidrogênio


O Hidrogênio, o formador da água, é o elemento químico mais abundante, representando cerca de 3/4 da massa do universo.

Por isso, apesar a percentagem de Deutério ser de apenas 0,01%, ela representa 75e-6 da massa do universo.

Exemplos

Exercícios


Referências


Beiser, A., Theory and Problems of Applied Physics, 4 ed, 2004, McGraw-Hill.

Bodansky, D. , Nuclear Energy, 2 ed., 2004, Springer-Verlag.

Lewis, E. E., Fundamentals of Nuclear Reactor Physics, 2008, Elsevier.

Povh,B., Scholz, C., Rith, K., Zetsche,F., Particules and Nuclei - An Introduction to the Physical Concepts, 4a edição, Springer.

National Nuclear Data Center

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Capítulos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Introdução


O estudo detalhado da física nuclear é complexo e demanda muito tempo.

No entanto, do ponto de vista de geração de energia, podemos trabalhar com modelos simplificados para compreender o funcionamento dos reatores nucleares.

O modelo conhecido do átomo é um núcleo denso polarizado positivamente - protóns e néutrons, orbitado por cargas polarizadas negativamente - os elétrons.

Conforme mostra a figura abaixo, o diâmetro do núcleo é da ordem de 1 pm e o diâmetro do átomo é da ordem de 100 pm.

A nuvem de elétrons forma uma barreira elétrica que dificulta tremendamente a aproximação de cargas eletricamente carregadas no núcleo.

O núcleo dos átomos é formado por núcleons - Z prótons e N néutrons.

O número de prótons Z é também chamado de número atômico e define suas propriedades químicas e o número de nucleons - A - determina a massa atômica.

A figura abaixo apresenta a forma normalmente utilizada para representar os elementos nas equações de reações nucleares. É importante observar que a posição relativa da massa atômica e do número atômico podem variar dependendo da origem do autor. Contudo, como a massa atômica é sempre maior ou igual ao número atômico, é fácil verificar a referência utilizada.

Onde:

  • Z é o número de prótons ou número atômico;
  • A é a massa atômica, que é igual à soma do número de protons e néutrons do átomo.

Núcleos com o mesmo número atômico mas massa atômica diferente são chamados de isótopos. Eles possuem as mesmas propriedades químicas mas o peso é diferente devido ao número de néutrons diferentes.

Reações Nucleares


A reação nuclear pode ser escrita da seguinte maneira:

ou da seguinte maneira:

Os núcleons com menor número atômico normalmente aparecem entre os parênteses.

Exemplo:

 

Esta equação não explica como ela acontece, não explica se libera ou absorve energia mas obedece às seguintes leis; conservação da carga e conservação de núcleons.

Estes princípios estabelecem que a quantidade de cargas e de núcleons devem permanecer constantes apesar da reação.

Isto significa que o somatório dos índices subescritos e dos sobreescritos devem ser iguais nos dois lados da equação.

Radioatividade

A radioatividade é o resultado do decaimento radioativo de núcleos instáveis.

Como não se sabe ainda como estas reações são originadas, o comportamento dos elementos radioativos é descrito de forma estatística.

A figura abaixo apresenta o decaimento radioativo através da emissão de partículas alfa - Decaimento Alfa, que não passa do núcleo de um átomo de Hélio.

Neste caso, o núcleo original era muito grande e as forças nucleares foram insuficientes para vencer a repulsão eletromagnética. Por isso, este decaimento ocorre apenas em Isótopos de massa atômica elevada, normalmente maior que 50.

Parte do núcleo se desprende na forma de partícula alfa e um novo elemento é formado com massa atômica menor.

Como a partícula alfa é a maior, mais pesada e eletricamente carregada, seu poder de penetração na máteria é o menor de todas as formas de radioatividade porque ela é rapidamente absorvida pela matéria que estiver em seu caminho.

A figura abaixo mostra o processo de emissão de partículas Beta, denominado de decaimento Beta-.

Núcleos instáveis, devido ao número excessivo de néutrons, estabilizam-se através da transformação do Néutron em Próton e, em função disso, emite uma partícula Beta para manter o balaço de cargas elétricas.

Por serem mais leves do que as partículas Alfa, as partículas Beta possuem um poder de penetração maior. Contudo, como são elétricamente carregadas elas são rapidamente absorvidas ou desviadas pela matéria que estiver em seu caminho.

A figura abaixo mostra o decaimento Captura de Elétron. Quando um núcleo é instável devido a uma maior quantidade relativa de Prótons com relação aos Néutrons, ele pode capturar um Elétron. Quando isto ocorre, o Próton é transformado em Néutron.

Neste caso, como se trata de um processo de captura de um eletrón livre, este processo sozinho não afeta a matéria nas próximidades da reação.

Outra forma de transformar o Próton em Néutron é através do Decaimento Beta+. Neste caso, o Próton se transforma em Néutron através da emissão de um Pósitron, que é semelhante a um Elétron com carga positiva. Esta partícula possui um poder de penetração semelhante ao da partícula Beta.

 

Finalmente, a figura abaixo mostra o decaimento radioativo através da emissão de energia eletromagnética na forma de raios gama. Por se tratar de um Fóton de alta energia, a radiação gama é a mais penetrante e perigosa de todas.

As reações nucleares ocorrem normalmente em mais de um estágio. Inicialmente, um núcleo instável é gerado e posteriormente se divide em dois componentes.

Dependendo do que queremos estudar, o estágio intermediário pode ser desprezado, a menos que o tempo de desintegração seja significante.

Por exemplo, a captura de um néutron pelo Índio 116 gera o Índio-117 e a emissão de raio gama, conforme a equação abaixo:

Como Índio-117 não é estável, ele decai da seguinte maneira:

O decaimento de isótopos necessita de um determinado tempo para se completar e este tempo depende do isótopo em questão. Este tempo pode variar de milisegundos a anos.

Por isso, a meia vida de determinado isótopo é definida como sendo o tempo necessário para que metade dos núcleons originais decaia.

Os raios gama são algumas vez omitidos das reações nucleares porque não afetam o balanço de cargas nem de núcleons. Isto ocorre, porque eles não possuem massa nem carga. No entanto, eles precisam ser considerados no balanço de energia.

Após uma colisão nuclear, reação ou decaimento, o núcleo fica excitado. Quando ele relaxa e vai para um estado não excitado, ele emite raios gama. Os raios emitidos possuem energia proporcional à diferença dos níveis quânticos de energia do núcleo excitado e estável.

Este fenômeno equivale à emissão de fótons originada pela mudança de nível de energia dos elétrons que orbitam o núcleo.

A maior diferença entre eles é a quantidade de energia envolvida. A energia relacionada à emissão de fótons é da ordem de eV enquanto a associada aos raios gama é da ordem de MeV.

Resumindo, temos que:

Energia


A equação de Einstein é fundamental para o cálculo do balanço de energia de reações nucleares.

Onde:

  • E é a energia total do núcleo;
  • m é a massa do núcleo;
  • c é a velocidade da luz.

No entanto, a massa utilizada nesta expressão precisa levar em consideração a velocidade relativística das partículas de acordo com:

Onde:

  • m0 é a massa da partícula em repouso;
  • v é a velocidade da partícula.

Para velocidades menores do que a velocidade da luz, a energia total pode ser aproximada por:

Esta aproximação pode ser utilizada para neutrons e núcleons utilizados em reatores nucleares.

A primeira parcela representa a energia em repouso e a segunda a energia cinética.

No caso de partículas sem massa, como os raios gama, a energia será dada por:

onde:

  • h é a constante de Plank;
  • v é a frequência.

Portanto, a lei de conservação de energia pode ser escrita para a a reação nuclear genérica da seguinte maneira:

O balanço de energia da reação é dado por:

Quando Q é maior do que zero, a reação é exotérmica e, quando menor do que zero, é endotérmica.

Quando a reação é exotérmica, massa é transformada em energia cinética.

Quando a reação é endotérmica, ocorre o oposto.

Do ponto de vista de geração de energia, estamos interessados nas reações exotérmicas.

Defeito de Massa

Defeito de massa é a diferença de massa existente entre determinado átomo e o somatório das massas dos seus núcleons., conforme a expressão abaixo:

Onde:

  • Δ é o defeito de massa;
  • Z é o número de Prótons no núcleo;
  • N é o número de Néutrons;
  • Mp é a massa do Próton;
  • me é a massa do Elétron;
  • Mn é a massa do Néutron livre;
  • Mx é a massa do núcleo do isótopo.

De acordo com Povh, a massa do núcleo do isótopo pode ser aproximada por:

O defeito de massa é sempre positivo para todos os elementos.

O defeito de massa multiplicado pela velocidade da luz ao quadrado fornece o valor da Energia de Ligação do núcleo (El=Δ.c²).

Quanto maior esta energia, mais estável é o núcleo. Portanto, a energia de ligação representa a energia necessária para separar totalmente os núcleons de determinado núcleo.

A energia de ligação pode ser normalizada pelo número de núcleons da seguinte maneira:

A figura abaixo apresenta a variação da energia de ligação normalizada para diversos nucleóns.

Observa-se que a energia aumenta rapidamente com o aumento da massa atômica até atingir seu máximo com o ferro. A partir dai, a energia diminui com o aumento da massa atômica.

Para que a reação nuclear tenha utilidade na geração de energia, ela precisa ser exotérmica e, de acordo com a figura acima, apenas dois tipos de reação podem ser utilizados na geração de energia:

  • A Fusão de dois núcleos leves, do início da curva de energia de ligação, para gerar núcleo mais pesado e com maior energia de ligação;
  • A Fissão de um núcleo pesado, do final da curva de energia de ligação, para gerar núcleos mais leves, mas com maior energia de ligação.

Fusão Nuclear


A Fusão Nuclear tem sido considerada o grande avanço tecnológico que revolucionará a geração de energia.

Geração ilimitada de energia, sem emissão de gases tóxicos e geradores do efeito estufa e sem a geração de resíduos radioativos a partir de substâncias disponíveis fartamente em todo o planeta, colocou a Fusão na posição do Santo Graal da geração de energia.

A figura abaixo, obtida a partir dos dados da energia de ligação da figura anterior, apresenta a variação da energia de ligação dividida pela variação da massa atômica. Esta normalização foi necessária porque os dados disponíveis não cobriam continuamente toda a faixa de massas atômicas.

Observa-se que as maiores energias ocorrem com massa atômica 3 e 4. Portanto, os isótopos com estas massas são candidatos para combustível de fusão nuclear.

Consultando a Tabela de Isótopos, constatamos que os elementos adequados para a Fusão Nuclear são os Isótopos de Hidrogênio, conforme mostra a tabela abaixo.

Isótopo Massa Atômica Número Atômico Abundância Decaimento Meia Vida
Hidrogênio
1
1
99,99%
-
Estável
Deutério
2
1
0,01%
-
Estável
Trítio
3
1
-
Beta-:100%
12,32 anos
4H
4
1
-
n:100%
Desconhecida
5H
5
1
-
2n:100%
< e-15s
3He
3
2
0,0001%
-
Estável
4He
4
2
99,9999%
-
Estável
5He
5
2
-
n:100% a:100%
< e-15s
6He
5
2
-
Beta-:100%
801 ms

Como o Deutério é o único Isótopo estável disponível na natureza, ele é o combustível inicial para a geração de energia a partir da fusão nuclear.

As seguintes reações nucleares são possíveis a partir do Deutério e do Trítio.

 

Como apenas o Deutério existe na natureza, ele será sempre o combustível primário para a geração de energia a partir da fusão nuclear.