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11/06/2014 1 Como ler uma mapa? Carta de Nuclídeos Desintegração β- (Af = A; Zf = Z +1) Captura de elétrons ε ou Desintegração β+ (Af = A; Zf = Z – 1) Desintegração a (Af = A – 4 e Zf = Z – 2) N – 2 Z – 2 A - 4 Emissão de próton (Af = A – 1; Zf = Z -1) Z - 1 11/06/2014 2 Emissão de neutron (Af = A – 1; Zf = Z) N – 1 Exercício 3: 40K ε/β+ β- Exercício 3: 206Pb Exercício 3: 209Pb Z + 1 Exercício 3: 239Pu N – 2 Z – 2 A - 4 Exercício 3: 272Rg N – 2 Z – 2 A - 4 11/06/2014 3 Exercício 3: 141Ho Z – 1 E m is sã o d e p ró to n ε/β+ Af = A; Z – 1 Reações nucleares Transmutações de núcleos por reações nucleares de baixa energia Os tipos de desintegração Tipos de desintegração +24 2He − − e 0 1 +e01 Núcleos de hélio Elétrons Pósitrons Tipo de desintegração Símbolo Radiação emitida Observações Radiação α α Preferencialmente para Z > 83 Radiação β β- Em baixo da linha de estabilidade β β+ Acima da linha de estabilidade β Captura de elétrons ε Raios-X característicos do nuclídeo filha Tipos de desintegração Prótons +p11 Tipo de desintegração Símbolo Radiação emitida Observações Radiação γ γ Fótons (hν) Em geral depois (10-16 – 10-13 s) da desintegração α ou β Transição isomérica Iγ Fótons (hν) Estados excitados metaestáveis (preferencialmente abaixo de números mágicos) Conversão interna e- Elétrons de conversão e raios-X característicos Preferencialmente para energias de excitação baixa (< 0,2 MeV) Radiação de próton p Longe da linha de estabilidade β Fissão espontânea sf Produtos de fissão e nêutrons Preferencialmente para A > 245 Carta de Nuclídeos 11/06/2014 4 Desintegração α • Energia liberada na desintegração α. – Ea energia cinética da partícula α – Ee energia de excitação do nuclídeo filha – Er energia de recuo ret EEEE ++= α filhanúcleodomassamcom m m EE N N r = += αα 1 Desintegração α • Desintegração α do estado fundamental mãe para estado fundamental filha Desintegração α • Desintegração α do estado fundamental mãe para estados excitados da filha Desintegração α • Desintegração α de estados excitados mãe para estado fundamental da filha Desintegração α • Partículas α possuam energias discretas – Espectro da radiação a de 235U. Desintegração α • Regra de Geiger-Nuttall – Existe relação empírica entre alcance de partículas α no ar (energia) e tempo de meia vida. – b´ e b´´ são constantes gerais – a´ e a´´ são constantes que diferiram entre os diversas famílias de desintegração (235U, 238U e 232Th) α αλ Eabtb bEaa ´´log´´log)( ´´loglog)( 2 1 −= += 11/06/2014 5 Desintegração α • Regra de Geiger-Nuttall para as famílias de desintegração (4n + 2), (4n) e (4n + 3) Desintegração α • Regra de Geiger-Nuttall para diversos Nuclídeos par – par Desintegração α • Regra de Geiger-Nuttall para para os isótopos de urânio Desintegração α • Efeito de tunelamento – Energias α variam entre 1,8 MeV (144Nd) e 11,7 MeV 212mPo) mas são pequenas demais para superar a barreira de energia Estimação da barreira de energia por: ][ 3 MeV A ZZ V núcleoCoulomb α≈ Desintegração α • Efeito de tunelamento Grande probabilidade para o tunelamento ⇒ alta energia das partículas α, em geral não se observa desintegração α se a energia cinética da partícula é menor que 2 MeV. Desintegração β− • Transmutação de núcleo por emissão de um elétron • Mudança Z + 1, A = constante • Embora os Nuclídeos mãe e filha possuam energias definidas observa-se espectro continuo para as partículas β. Espectro β- de 32P (t½ = 14,3 d) 11/06/2014 6 Desintegração β− • Embora Eβmax corresponde a diferença de energia entre mãe e filha espectro continuo fere lei da constância de energia • Emissão de elétron com spin = ½ fere também a constância do spin • EXEMPLO: – 32P(spin = 1) → 32S(spin = 0) • POSTULADO de uma partícula adicional (anti-neutrino com spin = ½ por Pauli em 1930 ν++→ −+ epn Detecção de neutrinos e anti-neutrinos • Detecção através da integração β inversa ++ +→+ βν np Clyde Lorrain Cowan jr. Frederick Reines Detecção de neutrinos e anti-neutrinos • Tanques A e B – Anti-neutrino reage com prótons de água – Positron resultante forma com elétron par de fótons (511 keV; 180 °) – Nêutron formado é moderado pela água e capturado pela 113Cd (12,22 %, σ =20760 barn) • Tanques I – III – 1400 de solução scitilante equipados com 2 × 55 multiplicadores de fótons Desintegração β− • Considerando manti-neutrino = 0 (< 2 eV = 3,6⋅10-33 g) • Desintegração β é possível se ∆m = mA –mB >0 • Energias de desintegração β variam entre: – 2,6 keV (187Re) e 20,4 MeV (11Li) • Tempo de meia vida varia entre: – 8,7 ms (11Li) e 7,2⋅1024 a (128Te) ν++→ −+ eBA ZZ 1 Desintegração β+ • Como espectro das partículas β- a de partículas β+ é continuo ν++→ +− eBA ZZ 1 Desintegração β+ • Como a desintegração β+ libera mais um elétron da camada do átomo A a balança de massa é: – zA → z-1B + e+ + e- ⇒ desintegração é possível se – ∆m = (mA – mB – me+ - me-) > 0 • tempo de meia vida para desintegração β+ varia entre 8,9 ms para 13O e 1,4⋅1017 a para 50V, • energia máxima da desintegração β+ varia entre 1,02 MeV e 16,7 MeV para 13O ν++→ +− eBA ZZ 1 11/06/2014 7 Captura de elétron ε • Captura de um elétron de um orbital s (densidade de probabilidade Ψ2 ≠ 0) • Não há emissão de positron e liberação de elétron • Balança de massa para é – ∆m = mA – mB • ⇒ 0 < ∆m < 1,02 MeV somente captura de elétron é possível (exemplo 55Fe) • Com aumento de ∆m aumenta a probabilidade de β+ em relação a ε • Para mesma ∆m a probabilidade de ε aumenta com Z. ν+→+ −+ nep Detecção de neutrinos • Captura de elétrons • 37Ar + e- ??37Cl + ν + 0,8 MeV • Elétron captura possua energia definida portanto ν também possua energia definida que é transferida como energia de repulsão para o átomo de cloro. • Determinação dos elétrons de Auger para determinar o momento da desintegração • Determinar o tempo que os átomos necessitam para percorrer “Laufzeitstrecke” • Acelerar os íons na “Beschleunigungsstrecke” para detecta-los Regras de seleção para desintegração β/ε • Probabilidade de desintegração β ou de ε pode ser estimado pelo fator ft =f⋅t½ • Determinação de Mfi por cálculos quânticos 2 2 1 2 2 1 2ln fi fi M const tfft fMconst t =⋅= ⋅⋅==βλ Regras de seleção para desintegração β/ε • Estimação do valor f para desintegração β e ε • f(ε)/f(β+) ≈ probabilidade ε/probabilidade β+ )1(5,36,5log0,2)(log)( 3 log)1(009,0007,079,0log0,4)(log)( log)1(005,002,078,0log0,4)(log)( 2 ++−∆= ∆+−++∆= ∆−−++∆= + − ZEfc E ZZEfb EZZEfa ε β β Regras de seleção para desintegração β/ε • Probabilidade de desintegração β ou de ε pode ser estimado pelo fator ft =f⋅t½ – Valores de ft baixos para transmutações “permitidas” – Valores ft altos para transmutações “proibidas” – Calculo com mecânica quântica 11/06/2014 8 Regras de seleção para desintegração β/ε • Transmutação de núcleos espelho é permitido e favorecido • Exemplo: 9 17 8 5,64, 8 17 9 2 1 OF st → =+β Calculo de ft • 17F (t½ = 64,5 s; Emax = 2,761 Mev) – logf(β+??????log????????????????????????-??????????log(2,761/3))2 = 2,617 – logft(β+) = 2,617 + logt½ = 2,617 + 1,810 = 4,43 – logf(ε???????????-?????????????????? Regrasde seleção para desintegração β Desintegração γ Radiação γ • desintegração α ou β não ocorre para um estado excitado • Nuclídeo excitado alcança estado fundamental emitindo fótons (radiação γ) com energias variando entre 5 e 7000 keV • Esta emissão de fótons acontece com quanta discretos e segue como no caso da emissão de luz por átomos excitados regras de seleção Radiação γ • Na eletrodinâmica clássica a emissão de energia é causada pela mudança da distribuição de carga no sistema • Emissão de radiação dipolo elétrico, causada pela vibração harmônica de uma carga. • Nas transições dentro da camada eletrônica de um átomo se observa somente são exclusivamente radiação de dipolo elétricos (E1), • outros tipos de radiação multipolos (2l) magnéticos (Ml) ou elétricos (El), são “proibidos”. • Estes tipos de radiação não são observados mesmo se a radiação de dipolo elétrico também é proibida, por que a camada eletrônica de um átomo pode perder sua energia por outros processos como processos de impacto. 11/06/2014 9 Radiação γ • Para núcleos atômicos não há interação com o ambiente ⇒ perda de energia é somente possível pela emissão: – de um fóton (radiação γ) – emissão de elétrons de conversão – formação de um par de posítron – elétron. • Assim a energia pode ser emitida, caso radiação de dipolo elétrico é “proibida” pela emissão de radiação multipolo elétrico (El) ou magnético (Ml). Radiação γ • Constantes de desintegração – radiação de multipolo elétrico – radiação de multipolo magnético – Fator S )(10 197 4,2 121 122 3 1 0 − + ⋅ = s E ArS LL Eλ )(10 197 55,0 121 122 3 1 0 3 2 − + − ⋅ = s E ArSA LL Mλ 2 2 3 3 )]12(...531[ )1(2 ++⋅⋅⋅⋅ + = LLL L S Tabela 36. Tempo de meia vida para transições γ calculado com a Equação 53 e a Equação 54.[i] Tipo de radiação Mudança do spin orbital ∆L* ∆P† Tempo de meia vida (s) para energias de: 1 MeV 0,2 MeV 0,05 MeV E1 1 Sim 2⋅10-16 3⋅10-14 2⋅10-12 M1 1 Não 2⋅10-14 2⋅10-12 2⋅10-10 E2 2 Não 1⋅10-11 3⋅10-8 3⋅10-5 M2 2 Sim 9⋅10-10 3⋅10-6 3⋅10-3 E3 3 Sim 7⋅10-7 6⋅10-2 9⋅102,** M3 3 Não 7⋅10-5 5 8⋅104,†† E4 4 Não 8⋅10-2 2⋅105,‡ 4⋅1010,‡‡ M4 4 Sim 7 1⋅107,§ 4⋅1012,§§ *Mudança do número de spin orbital; †∆P = mudança de paridade; ‡56 h; §116 d; **15 s; ††22 min; ‡‡1270 a; §§126752 a. Regras de seleção l l l l Mradiaçãopara b Eradiaçãopara mmmIIlIIa 2 1 1 21 212121 )1( )( )1( ;)( pipi pipi +−= −= −=−≥≥+ Regras de seleção Exemplo 11/06/2014 10 Exemplo 208Pb duplamente mágica Transição interna (isômeros nucleares) • Tempo de meia vida para transições γ varia entre 0,1 fs e 126754 a. • Em geral a desintegração γ acontece em torno de 10-13 s depois da desintegração α ou β • Desintegração α ou β ou captura de nêutrons térmicos pode resultar num estado excitado cuja transição para o estado fundamental é “proibida” ⇒ transição possua um tempo de meia vida > 10-12 s. ⇒ emissão de radiação γ independente do processo que resultou na formação do nuclídeo excitado – tempo de meia vida varia entre 0,7 ns (214m1Ra) e 241 a (192m2Ir) podendo ser maior que o tempo de meia vida do nuclídeo no estado fundamental (192Ir, t½ = 73,83 d). Transição interna (isômeros nucleares) • isômeros nucleares são esperados se o estado excitado possua uma energia pouco acima do estado fundamental e se seu spin nuclear difere bastante ao do estado fundamental • Tais condições são observadas frequentemente embaixo dos números mágicos 50, 82 e 126 para Z e N (“ilhas de núcleos isômeros”) Ilha de núcleos isômeros Exemplos PaPaTh m234234234 /→ −β Exemplos 11/06/2014 11 Transição sem emissão de γ • spin de fótons ≠ 0 ⇒ transição I1 = 0 → I2 = 0 não é possível pela emissão de quanta de γ. • Energia do núcleo é transferida a um elétron da camada eletrônica ⇒ emissão de um elétron de conversão (e-) – Ee = Eγ – EL, (Eγ é a diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental e EL a energia de ligação do elétron) – Dependendo a camada de origem do elétron de conversão diferencia-se conversão K, conversão L etc. Elétrons de conversão • exemplo para transição somente pela emissão de elétrons de conversão: – 75mGe obtido pela captura de nêutrons pelo nuclídeo estável 74Ge (99,97 % e-; 0,03 % β- para nuclídeo estável 75As) • A emissão de elétrons de conversão também se observa como um processo alternativo simultaneamente com a emissão de quanta γ e aumenta a probabilidade de transição para o estado fundamental. Neste caso a constante de desintegração λ = λγ + λe, Criação de par • para energias de transição > 1,022 MeV. há a possibilidade da formação de um par positron – elétron (ambos com uma massa de repouso de 5,4858×10-4 u = 0,511 MeV) • energia é distribuída aleatoriamente entre as duas partículas ⇒ os espectros dos positrons e elétrons emitidos são contínuos MeVETT ee 022,1−∆=+ +− γ Exemplo • desintegração de 16N, que pode ser gerado pela captura de nêutron pelo nuclídeo estável 15N. • desintegra para o nuclídeo estável 16O e 0,012 % dessas desintegrações resultam no 1º estado excitado de 16O*. • Transição 16O* → 16O não é possível ⇒ criação de um par Fluorescência de raios-X • desintegraão por captura de elétrons ou emissão de elétrons de conversão resulta numa lacuna de elétron nas camadas internas. • Tais lacunas de elétron são preenchidas por elétrons das camadas externas que perdem energia pela emissão de raios-X característica Elétrons de Auger • Auger descreveu em 1925 que alternativamente a diferença de energia entre as duas camadas eletrônicas pode ser transferida para um outro elétron da camada que é emitido como um assim chamado elétron de Auger 11/06/2014 12 Elétrons de Auger • Processo Auger • Os espectros dos elétrons de Auger mostram energias discretas (EAuger = E1 – E2 – E3) Espectros observados • espectro de desintegração β com emissão simultânea de elétrons de conversão Espectros observados • Desintegração de 137Cs. Espectros observados • Espectro de 137Cs. Fissão espontânea • Observado por Georgy Nikolayevich Flyorov Como processo alternativo a desintegração α γradiaçãonêutronsfissãodeprodutos CfCm 2 1 2 1 sf,t252 98 2,645a??? 248 96 ++ → ← == a85 Fissão espontânea • Fissão espontânea é observado somente para números de massa A alta (> 245) e sua probabilidade como alternativa para desintegração a aumenta com o número de ordem Z. – 238U a razão entre fissão espontânea e desintegração α é aproximadamente 1 : 106, – 252Cf 3,2 % : 96,8 % – 256Fm a probabilidade de fissão espontânea em relação a desintegração α é 92 %. 11/06/2014 13 Fissão espontânea • fissão de um núcleo pesado, como por exemplo, urânio (A ≈ 240) em dois fragmentos iguais libera uma energia em torno de 200 MeV por núcleo fragmentado • Esta energia é transformada em energia cinética e energia de excitação dos fragmentos • os fragmentos de fissão possuam um excesso de nêutrons e mostram transmutação β- que também contribua para a energia liberado pela fissão Tabela 38. Energia liberada na fissão de 235U. Forma de energia Energia (MeV) Energia cinética dos fragmentos de fissão 167 Energia cinética dos nêutrons liberados 5 Radiação γ imediata 6 Desintegração β- dos produtos de fissão 8 Radiação γ dos produtos de fissão 6 Energia cinética dos anti- neutrinos liberados 12 SOMA204 Fissão espontânea • Fissão pode acontecer na linha A resultando em fragmentos de massa aproximadamente igual, mas de energias de excitação diferente (fissão simétrica). • Mais provável na linha B resultando em fragmentos com massa diferente, mas energias de excitação semelhante (fissão assimétrica) • Quebra na linha C (Figura 154a), resultaria em fragmentos de massa diferente e energias diferentes. Fissão espontânea • Devido à repulsão eletrostática as duas partes se afastem, atingindo alta energia cinética • Estes fragmentos altamente excitados emitem nêutrons (nêutrons imediatos) e fótons (radiação γ imediata) • Até este ponto o processo de fissão decorreu em aproximadamente 10-15 s. os produtos de fissão primários perdem sua energia de excitação sofrendo várias transmutações β-, acompanhadas de radiação γ até a formação de nuclídeos estáveis • Caso os nuclídeos intermediários possuam alta energia de excitação observa-se também a emissão de nêutrons (nêutrons retardados). • Devido à liberação de nêutrons durante o processo de fissão nuclídeos que mostram fissão espontânea são utilizados como fonte de nêutrons. 11/06/2014 14 Fissão espontânea • No modelo da gotinha a força de Coulomb proporcional a Z(Z-1)A? tenta de distorcer o núcleo enquanto a força superficial proporcional a A??tenta de manter o núcleo numa forma esférica. • Devido ás distorções do núcleo resultando de oscilações a força de Coulomb pode superar a força superficial é o núcleo é fragmentado em duas partes • A relação x entre a força de Coulomb e a força superficial é conhecido como parâmetro de fissão. Parâmetro de fissão A Z AA ZZ x 2 3 2 3 1 )1( ≈ − ∝ Parâmetro de fissão para núcleos par - par Problemas do modelo da gotinha • Figura mostra a tendência geral do aumento da probabilidade de fissão espontânea com o aumento do parâmetro de fissão • Porém observa-se para cada elemento um máximo para o tempo de meia vida • Também os tempos de meia vida em respeito à fissão espontânea de núcleos par – impar, impar – par e impar – impar são diferentes em ordens de magnitude dos valores extrapolados a partir dos valores observados para núcleos par – par Isômeros de fissão Isômeros de fissão • A existência de isômeros de fissão pode ser explicada utilizando um modelo modificado que considera efeitos de camada Modelo da gotinha Modelo modificado 11/06/2014 15 Fissão assimétrica Rendimento da fissão espontânea de 257Fm e rendimento de fissão de 257Fm induzido por nêutrons térmicos Fissão assimétrica Rendimento da fissão espontânea como função de número de massa (A) de: 242Cm; 250Cm e 250Cf. Fissão assimétrica Rendimento de fissão induzida para 206Pb e 226Ra Fissão assimétrica Modelo da gotinha e Modelo modificado para fissão espontânea 228Ra 234U Outros tipos de desintegração • Shake-off – A desintegração β- aumenta a carga nuclear Z em 1. – Assim os elétrons da camada são mais ligados – diferença de energia deve ser transmitida para o ambiente. • Em alguns casos rearranjo da camada eletrônica pode resultar na expulsão de elétrons das camadas externas – Por exemplo: desintegração β- de 23Ne (t½ = 37,2 s) em 23Na • 71,9 % dos átomos de 23Na possuam uma carga positiva (esperado para desintegração β- • 17,5 % dos cátions possuam a carga 2+ • 2,85 % a carga 3+, • alguns átomos podem mostrar cargas de até 6+. Outros tipos de desintegração • Emissão de prótons – Para núcleos com deficiência grande de nêutrons a podem emitir um próton (p). – Exemplos para desintegração p • 112Cs (t½ = 500 ms), • 131Eu (t½ = 26 ms), • 145Tm (t½ = 3,5 ms) • que desintegram em 111Xe, 130Sm, e 144Er, respectivamente. – emissão de um próton é observada como processo alternativo á desintegração α ou β+, • 160Re (t½ = 0,79 ms; p = 91 %; α = 9 %) • 156Ta (t½ = 144 ms; p = 4,2 %; β+ = 95,8 %). 11/06/2014 16 Outros tipos de desintegração • Emissão de nêutrons – nuclídeos ricos em nêutrons podem emitir um nêutron (n) transformando-se no isótopo com número de massa igual A – 1. Tabela 39. Nuclídeos mostrando desintegração n. Nuclídeo t½ (s) Nuclídeo t½ (s) Nuclídeo t½ (s) 4H 1,0⋅10-22 10He 2,7⋅10-21 21C 3,0⋅10-8 5H 8,0⋅10-23 10Li 2,0⋅10-21 24N 5,2⋅10-8 6H* 3,2⋅10-22 12Li 1,0⋅10-8 25O 5,0⋅10-8 5He 7,6⋅10-21 13Be 2,7⋅10-21 28F 4,0⋅10-8 7He 2,9⋅10-21 16B 1,9⋅10-10 49S 2,0⋅10-7 9He 7,0⋅10-21 18B 2,61⋅10-8 *desintegração múltipla: 6H(3n)4H; 6H(4n)2H. Outros tipos de desintegração • Emissão de núcleos pesados (clusters) – em 1984 observado para 223Ra emissão de 14C como processo alternativo a desintegração α (λC : λα = 8,5⋅10-10; λα = 7,02⋅10-7 s-1). • Além da emissão de 14C, também foi provado a emissão de núcleos de 12C, 20O, 24Ne e 28Mg. • λc : λα varia entre 10-9 – 10-16 • núcleos emitidos possuam números de nucleons pares entre 6 e 14, • nuclídeos filha são perto do núcleo duplamente mágico 208Pb. Outros tipos de desintegração • Emissão de núcleos pesados (clusters) – emissão de núcleos pesados é um processo alternativo à desintegração α e fissão espontânea. Outros tipos de desintegração • Desintegrações duplas e múltiplas – Desintegrações duplas β- são observadas para alguns nuclídeos com número de núcleons par – par onde a desintegração β- simples resultaria num nuclídeo com número de núcleons impar – impar com uma energia maior. – por exemplo desintegração 2β- de: • 128Te (t½ = 7,2⋅1024 a) • 100Mo (t½ = 1,15⋅1019 a) • 40Ca (t½ ?????????21 a) 2 ε Estabilidade de 40Ca; 40K; 40Ar • EL média (MeV/nucleon) ver Exercício 4b: – 40Ar (-8,60) < 40Ca (-8,55) < 40K (-8,54) – OBS: 40Ca constitua: • 3,5 % da crosta terrestre!!!! • 1,5 % do corpo humano!!!!! Outros tipos de desintegração • Desintegrações duplas e múltiplas –desintegração 2p de: • 45Fe que pode se transmutar com tempo de meia vida de 3,5⋅10-7 s por desintegração p em 44Mn ou por desintegração p dupla em 43Cr –Desintegração múltipla n para • 6H: – 6H(3n)4H – 6H(4n)2H 11/06/2014 17 Outros tipos de desintegração • Desintegrações β retardadas – Em geral um núcleo excitado formado por desintegração β perde sua energia pela emissão de quanta γ. – Em alguns casos, porém o núcleo excitado pode emitir um nucleons (próton ou nêutron) ou sofrer fissão espontânea. • Desintegração retardada é indicada como por exemplo: – βn, » nêutrons retarados são importantes na regulagem de usinas nucleares! – βp – βsf
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