1.Radioproteç_o_Revisao_FN_04092013
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1
Radioproteção Básica
Fundamentos da Física 
Atômica e Nuclear
2
MODELOS ATÔMICOS
Modelo de Rutherford-Bohr (1913)
(a base da Física Nuclear)
Modelo Atual
3
Do ponto de vista da Física clássica (teoria 
eletromagnética clássica), qual a falha do modelo 
de Rutherford ?
Rutherford - 1911
4
A experiência consiste em contar o número de partículas
Alfa que são desviadas através de vários ângulos de espalhamento
Arranjo experimental usado no Laboratório de Rutherford - 1911
5
A experiência de Rutherford leva à proposição de um modelo do 
tipo planetário - Forças Elétricas
Pela análise dos dados experimentais, Rutherford concluiu:
1) No átomo há grandes espaços vazios (a maior parte das 
partículas \u3b1 atravessou a placa) \u2013 Entre os elétrons e o núcleo havia um imenso 
espaço vazio !
2) No centro do átomo existe um núcleo pequeno e denso
(algumas partículas \u3b1 colidiam com esse núcleo e voltavam, sem atravessar a placa)
3) O núcleo do átomo tem carga positiva (as partículas \u3b1, 
positivas, que passavam perto do núcleo eram repelidas, sofrendo desvio em sua 
trajetória) 
6
Modelo Atual
- Noções Básicas-
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Modelo Atômico Moderno
Os elétrons estão em constante movimento em torno do núcleo; os 
prótons (Z) e os nêutrons (n) vibram dentro do núcleo e os quarks 
vibram dentro dos prótons e nêutrons
Os quarks são partículas elementares que se combinam para formar
os prótons e nêutrons
8
Modelo Atômico Moderno
O átomo de Bohr comparado com o descrito pela mecânica quântica \u2013
probabilidade associada de encontrar o elétron.
Orbitais são representados por nuvens de 
probabilidade envolvendo o núcleo
9
Não existe correlação entre orbitais e trajetória geométricas
10
Orbital e energia dos elétrons 
Os elétrons de um átomo se 
distribuem em orbitais quânticos. Cada orbital representa uma 
distribuição de probabilidades
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200
2\u3c8
\u201cSpherical Shells\u201d
n = 2
s-orbital
l = 0
12
Complete Wave Function \u3c8n,l,m
l = 1m = ±1
l = 0n = 1
n = 2
n = 3
l = 0,1
l = 0,1,2
13
14
E s t r u t u r a 
N u c l e a r
15
O Núcleo
Na década de 1960 descobriu-se que
os prótons e os nêutrons são compostos de 
partículas ainda menores chamadas \u201cquarks\u201d
2/3e + 2/3e \u20131/3e = e
2/3e - 1/3e \u20131/3e = 0
Têm cargas fracionárias e só existem em
grupos e dentro do núcleo
16
Elétrons e quarks são as partículas 
fundamentais do átomo 
17
O tamanho do átomo
18
E as dimensões dos Nucleons?
19
O tamanho do átomo
-99,9999% do volume de um átomo é apenas espaço vazio
-o núcleo é 104-105 vezes menor que o átomo
- A matéria é, na maior parte, constituída de espaços vazios !!!
20
AR
3
4R
3
4 V 3o
3 \u3c0\u3c0 ==
Raio Nuclear
Experiências de espalhamento de elétrons (\u2248 200 MeV) mostram que o núcleo 
(supostamente esférico) tem um raio médio característico R, dado por:
R = Ro.A1/3\u2192relação empírica
Onde A é o número de núcleons (Z+N = massa) e Ro \u2248 1,2 fm
(1 fm = 1 fermi = 10-15 m).
R \u2248 2×10-15 m \u2013 R \u2248 7×10-15 m
63Cu : R = (1,2fm)(63)1/3 = 4,3 fm
Vemos que o volume de um núcleo, que é
proporcional a R3, é diretamente proporcional 
ao número de massa (A - núcleons).
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( )NZR
mNmZ
R
mNmZ
V
m npnp
+\u3c0
\u22c5+\u22c5=
\u3c0
\u22c5+\u22c5==\u3c1
3
0
3
3
4
3
4
3171032 mkg. \u22c5=\u3c1 33102 mkgOH =\u3c1
Densidade Nuclear
197Au Z = 79 = np e N = 118 = nn
Densidade de ocupação de 1,6x1038 nucleons/cm3
22
Estabilidade Nuclear
Como o núcleo se mantém unido ?
Devido à força elétrica repulsiva, os prótons deveriam se afastar uns 
dos outros. Os nêutrons não possuem carga elétrica, logo não interagem
por meio da força elétrica. Então, como é que todas essas partículas 
se mantêm unidas, formando o núcleo ?
Força elétrica de repulsão entre dois prótons no núcleo:
N
d
ee
o
230
)10(
)106,1(109
4
))((F 215
2199
2pp =××== \u2212
\u2212
\u3c0\u3b5
23
Força elétrica entre um próton e um elétron separados por 
uma distância de 10-10 metros \u2013 ordem de grandeza para 
distâncias atômicas. 
 N10x3,2
)10(
)106,1(109
4
))((F 8
210
2199
2pe
\u2212
\u2212
\u2212
=××==
d
ee
o\u3c0\u3b5
Fpp 100 milhões de vezes maior que Fpe
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Força Nuclear \u2013 está associada a interação forte
Força eletrostatica
repulsiva
Os prótons se atraem uns aos outros por intermédio da força nuclear (Forte), e 
ao mesmo tempo se repelem uns aos outros pela força Coulombiana.
\u21d2 Origina-se da força que liga os quarks entre si para formar prótons e nêutrons
\u21d2 Força de curto alcance \u2013 3 fm
\u21d2 São 10× mais intensas que as forças coulombiana
\u21d2 São atrativas e atuam indistintamente entre n-n, n-p e p-p
\u21d2 Independe da carga
\u21d2 dependente da distância (não se sabe a fórmula exata)
\u21d2 depende da posição dos núcleons
\u21d2 dependente do spin
25
26
27
Importância da Relação Nêutron / Próton
e a
Estabilidade Nuclear
Admite-se que a estabilidade do núcleo de um átomo esteja ligada à
relação entre o número de nêutrons (N) e o número de prótons (P)
Relação : N / P \u21d4 Estabilidade Nuclear
4He4 até 40Ca20 \u21d4 N / P = 1
A medida, porém, que o número de prótons do núcleo atômico 
aumenta, o valor da relação N/P vai se tornando cada vez menor
200Hg80 \u21d4 N / P = 1,5
Quando, entretanto, há mais que 83 prótons num núcleo, nenhum 
número de nêutrons é capaz de torná-lo estável. 
28
29
Line of Stability
N = Z
Proton Number Z
N
e
u
t
r
o
n
 
N
u
m
b
e
r
 
N
10050
100
50
Last stable element
Z = 83 (Bi)
O bismuto (Z=83) é o
Último elemento da
Tabela periódica que
Possui isótopo estável
209Bi.
Existem cerca de 400 
núcleos estáveis
São conhecidos mais de 
40 isótopos naturais 
radioativos, de número 
atômico superior a 82. 
O número de isótopos
Radioativos artificiais
Conhecidos ultrapassa
800.
30
Curva da Estabilidade Nuclear vs Razão N/Z
Os que estão dentro da faixa são estáveis. Os que estão fora da faixa são radioativos; eles 
vão emitir uma ou mais radiações procurando cair na faixa de estabilidade
M u
i t o
s p
r o t
o n
s p
a r a
s e r
 e s
t a v
e l
M u
i t o
s n
e u
t r o
n s
 p a
r a
s e r
 e s
t a v
e l
Linha da Estabilidade
31
\u3b2 -
\u3b2 +
\u3b1
32
Decaimento do Nêutron
No decaimento do n, um de seus quarks d se transforma num quark u. A 
combinação resutante nada mais é do que um próton. Durante esse processo, 
para garantir a conservação da carga elétrica, é emitido um elétron 
(juntamente com um antineutrino)
1n0 \u21d2 1p+ + 0e- + \u3bd
t1/2 = 12 min
33
Decaimento \u3b2
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Constitui um processo comum em núcleos de massa pequena ou
intermediária
-
antineutrino
+
neutrino
Núcleo com excesso
de nêutrons
Núcleo com excesso
de prótons
1n0 \u21d2 1p+ + 0e- + \u3bd
1p+ \u21d2 1n0 + 0e+ + \u3bd
0e+ = \u3b2+ e 0e- = \u3b2-
\u3bd= partícula sem carga, de massa muito 
pequena em relação ao elétron \u2013 difícil detecção
34
Emissão \u3b2-
Excesso de nêutrons \u2194 Falta de prótons
ZXA \u21d2 Z+1YA + \u3b2- + \u3bd (antineutrino)
3 3 0
1 2 -1H He + e
3 3 0
1 2 -1H He + e
 
 
 
 
 
 
 
\u3b2-
0.018 
H31
Tritio
He32
1n0 \u21d2 1p+ + 0e- + \u3bd
Energia repartida entre o e- e \u3bd
\u3b2 divide com o antineutrino, a energia liberada pelo núcleo no processo de decaimento
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Emissão \u3b2+
Excesso de prótons \u2194 Falta de nêutrons
ZXA \u21d2 Z-1YA + \u3b2+ + \u3bd (neutrino)
Exemplo: F O + \u3b2+189 188
F189
18
8O
1.8 hrs
\u3b2+
Número atômico
energia
Z: -1
A: não altera
\u3b2+
e-
\u3b3 511keV
\u3b3 511keV
e- 180 o
1p+ \u21d2 1n0 + 0e+ + \u3bd
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Importância da Relação Nêutron / Próton
e a
Estabilidade