Química Nuclear - Aula 1

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Definições
• Química nuclear
– estudo de núcleos atômicos e de reações nucleares 
com métodos químicos 
– investiga a ocorrência, separação, preparação pura, 
as propriedades físico-químicas e as reações dos 
radionuclídeos.
• Radioquímica
– investiga a química de radioelementos e 
radiosiótopos que surgem de reações nucleares 
– investigação de efeitos químicos em reações 
nucleares (química de átomos quentes) 
Definições
• Química nuclear técnica ou Tecnologia 
nuclear
– preparação e transformação de radioelementos e 
radionuclídeos 
– preparação e reciclagem de combustível nuclear 
• Radioquímica aplicada
– estuda a aplicação de radionuclídeos na bioquímica, 
medicina nuclear, agronomia e indústria 
– Exemplos: 
• métodos radioanalíticos como análise de ativação (por 
nêutrons), 
• marcação de compostos com nuclídeos radioativos
• métodos para datação na geologia, cosmologia ou 
arqueologia 
Unidades utilizados
• Atividade (A):
– o Bequerel (Bq) com a dimensão 1 s-1
– Atividade especifica 
• Dose de energia (D)
– o Gray (Gy) com a dimensão 1 J/kg 
]/[ gBq
m
A
As =
Unidades utilizados
• Dose de íon (J)
– carga (dQ) de cátions ou ânions gerada pela 
radiação ionizante no volume (dV) de ar com 
a massa (dm)
– unidade da dose de íon é o roentgen (R) com 
a dimensão 2,580⋅10-4 C kg-1. 
dV
dQ
dm
dQ
J
ρ
==
Unidades utilizados
• Dose equivalente (H = D × Q )
– O Sievert (Sv) com a dimensão 1 J/kg
O Fator de qualidade
Tabela 1. Fator de qualidade (Q) para determinação da dose equivalente
Tipo de radiação Energia Fator de qualidade
Fótons (raios-X, radiação γ) Todas as energias 1
Elétrons, radiação β e mions Todas as energias 1
Nêutrons*
< 10 keV 5
10 keV – 100 keV 10
100 keV – 2 MeV 20
2 Mev – 20 MeV 10
> 20 MeV 5
Prótons > 2 MeV 5
Radiação α, fragmentos de fissão, núcleos pesados Todas as energias 20
Fator de qualidade para nêutrons 
0
5
10
15
20
25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Energia (MeV)
F
at
o
r 
d
e 
Q
u
al
id
ad
e 6
))2(ln( 2
175
NE
eQ
⋅
−
⋅+=
Unidades utilizados
• Secção eficaz (ou secção de choque) σ
– reação nuclear é comparável como uma reação química 
bimolecular: A + x → B + y 
– formação do nuclídeo B
• Φ é a densidade de fluxo dos projeteis x
• fluxo possua a dimensão cm-2s-1
• dimensão de σ = cm2
• Na ausência de forças nucleares e de Coulomb σ é igual a área da 
secção transversal do núcleo ≈ 10-24 cm2 = 1 barn (b)
• (barn (inglês) = celeiro)
A
B N
dt
dN
Φ=σ
Unidades obsoletos e fatores de 
conversão
*radiation absorption dose, †roentgen equivalent men.
Propriedade 
Unidade 
antiga
Símbolo Fator de conversão
Atividade Curie Ci; (C) 1 Ci = 37 GBq
Energia elétronvolt eV 1 eV = 1,6⋅10-19 J
Dose de energia Rad* Rd ou rad 1 rd = 0,01 Gy
Dose equivalente Rem† rem 1 rem ≈ 0,01 Sv
Desenvolvimento 
histórico 
Minas de ouro de Scaptensula
Relatos da Antigüidade 
qualis expiret Scaptensula subter 
odores?
quidve mali fit ut exalent aurata 
metalla!
quas hominum reddunt facies 
qualisque colores!
provavelmente 97 – 55 a.C. 
Século 16 
Georg Agrícola
(1494 – 1555 )
“De Re Metallica” 
“Schneeberger Krankheit”
(1493 – 1541) 
“Doença de Schneeberg”
Século 18/19 
Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) 
Descoberta de urânio como 
elemento na pechblenda (uranita, 
UO2) de St. Joachimsthal (hoje 
republica Tcheca)
Século 18/19 
Jöns Jacob Berzelius (1779 – 1848) 
Descoberta do Tório na Torita (Th[SiO4]) 
Século 19 
Utilização de urânio como pigmento na confecção de produtos 
de consumo
Cu(UO2)(PO4)2 ⋅ 10–12 H2O (Torbernita) 
Cu(UO2)(OH)4 (Vandenbrandenita) 
Século 19 
Utilização de urânio como pigmento na confecção de produtos 
de consumo
Século 19 
Utilização de urânio como pigmento na confecção de produtos 
de consumo
Século 19/20 
Utilização de urânio como pigmento na confecção de produtos 
de consumo
Século 19/20
Utilização de tório para confecção de “camisinhas” para 
lampiões
Século 19 
Wilhelm Conrad Röntgen 
(1845 – 1923) 
Anna Röntgen. 
Século 19 
Antoine Henri Bequerel 
(1852 – 1908)
Século 19/20
Pierre (1859-1906 ) e 
Marie Curie (1867-1934 ) 
Tipos de radioatividade 
Tipos de radioatividade 
Tabela 3. Propriedades de radiação radioativa.
Tipo Massa (u) Carga (e) Energia (MeV)
α 4,03190 + 2 4 – 9
β- 5,04858⋅10-4 - 1 0,02 – 4
β+ 5,04858⋅10-4 + 1 0,02 – 4
γ 0 ± 0 0,1 – 2
Detecção de radioatividade
• Placas fotográficas
• Telas cintilantes (ZnS)
• Eletrômetros 
Detecção de radioatividade
• Visualização na câmera de Wilson
Charles Thomson Rees 
Wilson (1869-1959)
Câmera de Wilson
Radioatividade como diversão
Radioatividade como diversão
• http://www.youtube.com/watch?v=qeN1mz
sGR8s
Câmera de Wilson
radiação α
Radiação monoenergetica 
Câmera de Wilson
radiação β
Radiação polienergetica 
Câmera de Wilson
radiação γ
Detecção indireta 
Fontes de Informação 
• International Atomic Energy Agency 
(http://www.iaea.org) 
• Comissão Nacional de Energia Nuclear 
(CNEN) (http://www.cnen.gov.br/) 
• Centro de Desenvolvimento da Tecnologia 
Nuclear (CDTN) (http://www.cdtn.br)
• Instituto de Engenharia Nuclear (IEN) 
(http://www.ien.gov.br) 
Fontes de Informação 
• Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares 
(IPEN) (http://www.ipen.br)
• Instituto de Radioproteção e Dosimetria (IRD) 
(http://www.ird.gov.br; com apostila)
• Centro Regional de Ciências Nucleares (CRCN) 
(http://www.cnen.gov.br)
• Indústrias Nucleares do Brasil (INB) 
(http://www.inb.gov.br)
• Eletrobrás Termonuclear S/A 
(ELETRONUCLEAR) 
(http://www.eletronuclear.gov.br)
Fontes de Informação 
• Nuclebrás Equipamentos Pesados S/A 
(NUCLEP) (http://www.nuclep.gov.br)
• Associação Brasileira de Energia Nuclear 
(ABEN) (http://www.aben.com.br)
• Centro de Energia Nuclear na Agricultura 
(CENA) (http://www.cena.usp.br)
Cartas e Tabelas de Nuclídeos: 
• http://isotopes.lbl.gov/education/isotopes.htm
• http://nucleardata.nuclear.lu.se/nucleardata/toi/i
ndex.asp
• http://www.nndc.bnl.gov/
• http://www.nucleonica.net/unc.aspx
• http://www.nndc.bnl.gov/wallet/wccurrent.html
• http://isotopes.lbl.gov
Do descobrimento do 
núcleo atômico à sua fissão 
Descobrimento das partículas elementares 
Joseph John Thomson (1856-1940) 
Raios catódicos
Carga/massa = 1,76⋅1011 C/kg
Raios anódicos (de canal)
Carga/massa = 9,58⋅107 C/kg para hidrogênio
(próton) 
Determinação da carga elementar
Robert Millikan 
(1868 – 1953) 
e = 1,6022 × 10-19 C 
Modelo de Thomsen
Os experimentos de deflexão de 
Rutherford
Lord Ernest Rutherford 
(1871 – 1937) 
Hans Geiger 
(1882 – 1945) 
Sir Ernest Marsden 
(1889 – 1970) 
Deflexão de partículas α em ouro
Resultado
Esperado pelo modelo de Thomsen
Interpretação dos resultados
• Secção σ efetiva de deflexão
Interpretação dos resultados
Interpretação dos resultados
Deflexão de 3Li3+ num núcleo de 28Ni escala 
1 : 3⋅1012
para ângulos de deflexão > 140° espera-se aberração do decurso da distribuição 
de ângulos de Rutherford, mostrando o contato do núcleo alvo e do núcleo 
projétil 
Procedimento geral 
Procedimento geral 
Determinação do raio do núcleo 
atômico 
Secção efetiva diferencial como: (a) função do 
ângulo de deflexão; (b) função da energia do projétil 
Desvio da deflexão de Rutherford para ângulo de energia critico 
Determinação do raio do núcleoatômico 
Ângulo crítico de deflexão de Rutherford 
Determinação do raio do núcleo 
atômico 
Soma de raios projétil/núcleo como função do ângulo crítico 












+⋅
⋅⋅
=+
2
sin
1
1
2 1
2
21
21
crT
eZZ
RR
θ
fmRb
fmr
bArRRA
19,2
414,10
202
==
=
+=+
α
α
Soma dos raios partícula a/núcleo como função do número de massa A
O Descobrimento do Nêutron 
• Hipótese: Núcleo atômico é constituído de A prótons 
de (A – Z) elétrons.
• Contradições:
– prótons e elétrons possuam um spin de ½. Assim o núcleo 
possua 2A – Z partículas com um spin de ½ e para Z = 
impar o spin total seria um múltiplo impar de ½ = fração, e 
para Z = par o spin total seria um múltiplo par de ½ = 
número inteiro. Contradição para 14N (Z = 7; spin total 1)
– O momento magnético de elétrons e três ordens maior 
que o momento magnético dos núcleos e dos prótons. 
Portanto os elétrons no núcleo atômico não deveriam 
possuir um momento magnético
O Descobrimento do Nêutron 
• Hipótese: Núcleo atômico é constituído 
de A prótons de (A – Z) elétrons.
• Contradições:
– Relação de incerteza prevê energia cinética 
para elétrons confinados no núcleo de 
dezenas de GeV que não corresponde às 
energias da desintegração β-
Relação de incerteza de Heisenberg
(∆x·∆p ≈ h) 
∆x = rnúcleo ≈ 1·10-15 m Ecin = ½mev2 = ½(∆p)2/me
0
10000
20000
30000
40000
1,00E-15 1,00E-14 1,00E-13 1,00E-12 1,00E-11 1,00E-10 1,00E-09
∆x (m)
E
n
er
g
ia
 c
in
ét
ic
a 
(M
eV
)
O Descobrimento do Nêutron 
• em 1920 Rutherford sugeriu que o núcleo atômico seja 
constituído de prótons e partículas neutras com spin = ½ e 
massa semelhante aos prótons 
• Por volta de 1930 observou-se na reação
uma radiação neutra, primeiramente interpretada como 
radiação γ.
• Investigação dessa radiação γ?? Por Chadwick em 1932
??126
4
2
9
4 γ+→+ CHeBe
O Descobrimento do Nêutron 
Sir James Chadwick (1891 – 1974) 
Propriedades de nêutrons 
• Desintegração de nêutrons livres
e
mt
pn νβ ++ → −
=
1
1
6,10
1
0
2
1
Classificação dos neutrons Energia cinética (eV)
Nêutrons ultra – frios < 10-5
Nêutrons frios 10-5 - 5⋅10-3
Nêutrons térmicos 5⋅10-3⋅- 0,5
Nêutrons epitérmicos 0,5 - 103
Nêutrons meio-velozes 103 – 105
Nêutrons velozes 105 - 5⋅107
Nêutrons ultra – velozes > 5⋅107
Tabela 4. Propriedades das partículas elementares.
Partícula Massa (u) Carg
a (e)*
spin Momento
magnético (B.M.)†
elétron 5,4858⋅10-4 - 1 ½ 1
próton 1,0073 + 1 ½ 1/1836
partícula α 4,0319 + 2 0 0
nêutron 1,0087 0 ½ 1,9130/1836
*e = carga elementar = 1,6022⋅10-19 C;
†Magnéton de Bohr:;
magnéticocampodoconstantecommsV
m
e
e
b =⋅==
−
0
290 ;101653,1
2
µµµ h
Reações nucleares
• Desintegração α, β, γ de núcleos é processo espontâneo
• Reação nuclear é processo iniciado por fatores externos 
( )
OpNb
OpFNa
finalprodutoemitidapartículariointermédianúcleoprojétilalvonúcleo
17
8
14
7
17
8
18
9
14
7
),()(
)(
α
α +⇒⇒+
Reações nucleares
A reação 14N(α,p)17O observada numa câmera de Wilson. 
Reações nucleares
Classificação de reações nucleares. 















+
+
+
+
+
→+
propriasnuclearesreações
bB
bB
bB
inelásticadeflexãoaA
elásticadeflexãoaA
aA
ii
22
11
)(´*
)(
Reações nucleares
Transmutações de núcleos por reações nucleares de baixa energia
Reações nucleares
Alquimia nuclear
γβ + →
=− AuAunPt
dt
197
79
3,2
197
79
196
78
2
1
*),(
AunHg
ou
AuHgnHg frios
197
79
196
80
197
79
197
80
196
80
),( ε
ε→→+
Platina é mais valiosa que ouro
Freqüência natural de 196Hg é somente 0,15 %
Reações nucleares
Alquimia nuclear
PbTlnTlHgnHg
PbTlnTlHg
HgnHgnHgnHgnHgnHg
AunAu
ad
d
206min2,4;206205min2,5;205204
204
82
78,3,204
81
203
891
59,46,203
50
203
80
202
80
201
80
200
80
199
80
198
80
69,2,198
79
197
79
),(),(
),(
),(),(),(),(),(
),(
 → →
 → →
 →
−−
−−
−
ββ
ββ
β
γγ
γ
γγγγγ
γ
A transformação de ouro em chumbo é mais fácil!
Reações nucleares
Transmutação de elementos
OpN 178
14
7 ),(α
XeI
InI
128
54
min26;128
53
128
53
0
1
127
53
*
*
 →
+→+
−β
γ
Reações nucleares
Transmutação de elementos
Enrico Fermi 
(1901 – 1954) 
UtransnU −− 23993
238
92 ),( β
Síntese de novos elementos 
(trans-urânios)
Reações competitivas á síntese de trans-urânios
ThnUPadnU
PapnUUnU
ThnUPadnU
PapnUUnU
ThnUPadnU
PapnUUnU
235
90
238
92
237
91
238
92
238
91
238
92
239
92
238
92
232
90
235
92
234
91
235
92
235
91
235
92
236
92
235
92
231
90
234
92
233
91
234
92
234
91
234
92
235
92
234
92
),(),(
),(),(
),(),(
),(),(
),(),(
),(),(
α
γ
α
γ
α
γ
Reações seqüenciais hipotéticas 
dos isótopos de urânio 
RaThU
RaThU
RaThU
231235239
228232236
227231235
→→
→→
→→
αα
αα
αα
Reações seqüenciais hipotéticas 
dos isótopos de protactínio 
RaThUPa
RaThUPa
RaThUPa
RaThUPa
RaThUPa
230234238238
229233237237
227231235235
226230234234
225229233233
→→→
→→→
→→→
→→→
→→→
−
−
−
−
−
ααβ
ααβ
ααβ
ααβ
ααβ
Reações seqüenciais hipotéticas 
dos isótopos de tório 
RaTh
RaTh
RaTh
231235
228232
227231
→
→
→
α
α
α
Assim se espera 7 isótopos de Ra possíveis dos quais 
somente 226Ra e 228Ra ocorrem naturalmente pela 
desintegração de urânio e tório.
A descoberta da fissão nuclear 1939
Lise Meitner 
(1878 – 1968)
Otto Hahn (1879 – 1968)
Fritz Straßmann 
(1902 – 1980)
Isolação de rádio por cristalização 
fracionada com sais de bário
O. Hahn, F. Straßmann, Naturwissenschaften, 1939, 27,11
O. Hahn, F. Straßmann, Naturwissenschaften, 1939, 27,89
Interpretação dos resultados
Otto Robert Frisch (1904 - 1979) 
L. Meitner, O.R. Frisch, Nature 1939, 143, 239
O.R. Frisch, Nature 1939, 143, 276
Energia liberada
Processo Energia
absoluta
(MJ)
Energia
relativa
(1 kg 235U)
Combustão de 
1 kg de carbono
33,9
(mais 1854 L CO2)
3,9·10-7
Fissão de 1 kg 
235U
8,6·107 1
Erupção do 
Vesúvio em 79
6·1012 7,0·104
Os tormentos da radioatividade
A bomba atômica:
explosão no dia 6 de agosto 
de 1945 matando 
imediatamente 80.000 
pessoas e destruindo 75 % 
da cidade de Hiroshima 
Os tormentos da radioatividade
O acidente na usina nuclear de 
Chernobyl no dia 26/04/1986 
matando imediatamente 30 
pessoas e provocando 
transferência permanente 
336.000 pessoas incluindo os 
habitantes de Privjat com 50.000 
moradores
Os tormentos da radioatividade
Os tormentos da radioatividade
Usinas nucleares Angra I e Angra II Rio de Janeiro 150 km distante. 
Os tormentos da radioatividade
A cidade de Nápoles com o Vesúvio