Atomo de Uranio A Maquina Perfeita (PDF) (PORTUGUÊS) (COMPLETO)

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Luiz Galileu Spoladore
 
 
Luiz Galileu Spoladore
 Especialista em Didática do Ensino Superior (FR-ASCE-Rio)
 Mestre em Ciências Médicas (UFF-Niterói)
 Ex-Pesquisador-bolsista do CNPq (Inst. Oswaldo Cruz-Rio)
 Do Departamento de Ciência e Tecnologia (MS-Rio)
 
 
Capa: Santana (Republika) e Silas Fernandes de Souza
Ilustrador: Janete Neves Ribeiro
Ficha elaborada pela Bibliotecária Gabriela Faray (CRB7-6643)
 
 
 
RIO DE JANEIRO – RJ
Brasil
Edição do Autor
2015
 
 
 
 
ÍNDICE
 
CAPITULO I
 Urânio
1.1 - Átomo de urânio - A máquina perfeita
1.2 - Emissões e degradações radioativas: efeitos
1.3 - Elétron da fornalha como possível raio catódico
1.4 - Trabalho e calor na dinâmica dos átomos radioativos
1.5 - Efeitos das emissões radioativas
1.6 - Possível via de nucleossíntese do urânio-235
1.7 - Diagrama da sequência radioativa do urânio-235
 
CAPITULO II
 Princípios da Termodinâmica
2.1 - Transformação de trabalho mecânico em calor
2.2 - Transformação de calor em trabalho mecânico
2.3 - Transferência de calor nas Câmaras de Reserva
 a) – Por condução, nas placas protônicas.
 b) – Por convecção, no interior das Câmaras.
 c) – Por radiação, pelas placas protônicas.
2.4 - Rede cristalina de quarks como captadora e emissora de
 fótons térmicos.
 Placas protônicas dos bárions
2.5 - Variações dos Níveis Quânticos dos elétrons com a
 Temperatura
 2.5.1 – Níveis Quânticos Principais
 2.5.2 – Níveis Quânticos Secundários
 
CAPITULO III
 Fótons
2.1 - Conceito de quantum de energia
2.2 - Características físicas dos fótons
2.3 - O fóton como onda
2.4 - O fóton como partícula
2.5 - Classificação dos fótons
 2.5.1 - Segundo a origem
 a) - Fóton nascente do elétron
 b) - Fóton nascente do próton
 2.5.2 - Segundo a mobilidade
 a) - Fóton de emissão
 b) - Fóton de absorção
 c) - Fóton estacionário
 2.5.3 - Segundo a capacidade de produzir calor
 a) - Fótons térmicos
 b) - Fótons atérmicos
 2.5.4 - Segundo a ionização
 a) - Fóton ionizante de elétron
 b) - Fóton ionizante de próton
 2.5.5 - Calculo da energia quântica dos fótons
 2.5.6 - Radiações fotônicas de frequência alta
 a) - Fóton raio X contínuo
 b) - Fóton raio X característico do elemento
 c) - Fóton raio gama
 2.5.7 - Efeitos das colisões fotônicas
 a) - De fonte de fótons para elétron fixo
 b) - Na produção de par de elétrons
 c) - Na dispersão de Compton
 2.5.8 - Transferência de fótons
 a) - De um elétron livre para outro
 b) - De elétron livre para o meio externo
 c) - De elétron orbital para o meio externo
 d) - De próton para elétron
 e) - De antipróton para próton
 f) - De próton para meio externo
 g) - De uma Câmara de Reserva Térmica para outra
 
CAPITULO IV
 Nova Teoria Atômica (Teoria Deuterotômica)
3.1 - Átomo: proposta de novo modelo
3.2 - Elétrons, prótons e nêutrons.
3.3 - Constituição dos átomos de hidrogênio
3.4 - Conceitos de átomo e de deuterótomo
 
CAPITULO V
 Átomos de hidrogênio como capacitores
4.1 - Características dos capacitores elementares
4.2 - Características dos capacitores atômicos
4.3 - Nêutrons: placas dielétricas dos capacitores atômicos
4.4 - Fenômeno físico da redução de volume dos gases nobres
4.5 - Energia de ligação por núcleon
4.6 - Capacitor atômico: a unidade vital da matéria
 a) - Capacitância dos átomos e dos deuterótomos
 b) - O deutério como capacitor unitário e tipos de ligações
 
CAPITULO VI
 Radiações atômicas
5.1 - Raios catódicos
5.2 - Fótons raios X
 a) - Produção de raio X contínuo e bremstrahlung
 b) - Produção de raio X contínuo do elemento (raio X discreto)
 c) - Fontes de raio X característico do elemento
 d) - Elétron Auger
5.3 - Interação das radiações com a matéria
 5.3.1 - Interação dos elétrons rápidos
 5.3.2 - Interação dos fótons raios gama
 a) - Absorção fotoelétrica
 b) - Dispersão de Compton
 c) - Produção de par de elétrons
 
CAPITULO VII
 Fissão nuclear
6.1 - Ampola de Crookes: modelo de dispositivo emissor de radiação
6.2 - Os elétrons da ampola de Crookes como projéteis atômicos
6.3 - Os nêutrons dos reatores como projéteis atômicos
6.4 - Os possíveis pontos de fissão nuclear do urânio-235
6.5 - Urânio: modelo de elemento radioativo natural
 6.5.1 - O Polo genético e o Polo químico dos deuterótomos
 6.5.2 - A Fornalha eletrônica na alfaemissão radioativa.
 a) - Origem da fornalha eletrônica do urânio.
 b) - Origens das partículas alfa e beta e dos raios gama
 c) - Dielétricos: possível causa do betadecaimento
 d) - Termoradioatividade do rádio e seus efeitos
 
Bibliografia consultada
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INTRODUÇÃO
 O objetivo do presente texto é destacar a existência dos dois princípios físicos da
Termodinâmica na propriedade radioativa de alfaemissão do átomo de urânio. A emissão de
partícula alfa ( a 2/4), pelo seu polo químico, resulta na liberação de calor pela ruptura da junção
entre próton e nêutron, isto é, entre o deutério-91 e o nêutron-141, dentro da Teoria Deuterotômica
proposta. A liberação de calor é o resultado do trabalho cuja força lançou elétron acelerado (raio
catódico intradeuterotômico) contra junção no polo químico. Assim, a transformação do trabalho
em calor corresponde à 1ª Lei da Termodinâmica. Uma vez que a junção entre próton e nêutron é
resultado de um anterior processo de fusão termonuclear, ela acumula grande quantidade de energia
que, ao ser liberada, manifesta-se sob a forma de calor ou de fótons térmicos. Há, nesse ponto,
verdadeira microexplosão, com lançamento de partícula alfa, cuja energia cinética está entre 5 e 8
MeV, havendo um rechaço (ou recuo) da massa atômica residual. A energia liberada pela ruptura
dessa junção sofre dispersão, sendo uma parte lançada para o meio externo e outra para o interno. Os
fótons térmicos liberados para o meio externo produzem o calor radiante da radioatividade do
urânio. Os fótons térmicos que retornam ao meio interno do urânio, por reflexão, chocam-se com os
elétrons da fornalha, aumentando a energia cinética deles (efeito fotoetétrico). Esse aumento de
energia representa aumento da força de arremesso do elétron contra outras junções constituidas por
próton e nêutron. Assim, ruptura de junção transforma calor em trabalho, correspondendo à 2ª Lei
da Termodinâmica.
 A radioatividade que leva à alfaemissão só existe nos elementos pesados, sendo ela um
fenômeno físico interno, como consequência da emissão de elétrons pela fornalha eletrônica, os
quais atuam como projéteis atômicos contra junção que se encontra no polo químico.
 A fissão nuclear do urânio-235 é consequência da colisão de nêutrons lentos - atuando como
projéteis atômicos - lançados contra junções que se encontram no polo genético, as quais, ao se
romperem, liberam calor. É um fenômeno físico externo realizado por nêutrons lentos produzidos no
interior dos reatores atômicos.
 
 
CAPÍTULO I
 
Urânio
 
1.1- Átomo de urânio - A máquina perfeita
 Um dos elementos químicos mais formidáveis da natureza é o urânio. Quando está no estado
puro é um sólido branco, com aspecto de ferro; em pó, é cinzento; emmassa compacta é branco,
brilhante. Tem alta densidade (peso específico), com 18,7 g por cm³. Quando pulverizado, arde no
oxigênio a 170°C. A massa deuterotômica do urânio varia de 233 a 239, porém, o urânio-238
representa 99,275% do total encontrado em a natureza; o urânio-235 representa apenas 0,725%.
Assim, são necessários 100 quilos de urânio para se extrair 700 g de urânio-235. Desses dois
somente este último é físsil. Quando submetido a bombardeamento com nêutrons lentos produz vários
elementos, todos mais leves que o próprio deuterótomo de urânio. O urânio-235, pela sua
fissibilidade, tem sido empregado na produção de bombas atômicas. As rupturas de específicas
junções próton-nêutron liberam uma quantidade descomunal de energia. Por sua vez, o urânio-238,
quando submetido a bombardeamento com nêutron rápido, capta esse nêutron e passa a urânio-239;
este emite partícula beta negativa (β-) passando a neptúnio-239; e este, por sua vez, também emite
partícula beta negativa e dá origem ao plutônio-239; este emite partícula alfa e dá origem ao urânio-
235.
 Assim, a degradação radioativa do urânio é uma das suas propriedades fundamentais. Ele se
autodestroi ao emitir partícula alfa pelo polo químico. Dentro da teoria deuterotômica, o elétron
acelerado emitido pela fonte interna (fornalha eletrônica) atinge a junção entre o deutério-90 e o
deutério-91, causando a sua ruptura e a consequente alfaemissão.
 Com base nas estruturas da nova teoria atômica proposta (Teoria Deuterotômica), os
elementos fundamentais do átomo de urânio podem ser representados, esquematicamente, como
segue:
 
 No esquema estão: polo genético (A), polo químico (B) - onde ocorre a ruptura entre próton e
nêutron - e a fonte emissora de elétrons (C), constituída pela fornalha eletrônica.
 
 
 Fig. 1.1 - As duas fontes de projéteis que agridem o deuterótomo de urânio: 1) - a interna,
constituída pelos elétrons – atuando como projéteis - emitidos pela fornalha eletrônica; 2) - a
externa, constituída pelos nêutrons lentos emitidos no interior dos reatores atômicos.
 
 
 Todavia, o átomo de urânio-235, um isótopo do 238, também pode ser fragmentado por
bombardeio, com nêutron lento, produzindo grande liberação de energia pela ruptura das junções
entre um poróton e um nêutron, entre o xenônio (Xe54) e o césio (Cs55), além de causar rupturas
também em qualquer uma das outras três junções existentes: 1) - entre o deutério-55 e o 56; 2) - entre
o deutério-56 e o 57 e, 3) - entre o deutério-57 e o 58, produzindo um “pool” de fragmentos atômicos
radioativos.
 Do ponto de vista da Teoria Deuterotômica proposta o urânio está constituído por complexa
estrutura que se autocomanda e lhe permite transformar trabalho em calor, ao emitir partícula alfa, e
transformar calor em trabalho, ao aumentar a energia cinética dos elétrons intradeuterotômicos, pelo
retorno dos fótons liberados pelas rupturas das Câmaras de Reserva Térmica. Esse ciclo se perpetua
até as degradações radioativas dos elementos alcançarem a estrutura do chumbo, a qual é estável.
 A emissão de partícula alfa ocorre com liberação de calor a partir da ruptura da junção próton-
nêutron.
 A estrutura básica do deuterótomo de urânio, conforme a figura tridimensional da capa, consta
de um polo genético constituído pelo xenônio, seguido por uma carapaça linear de prótons e
nêutrons, de disposição helicoidal ou solenoidal, desde o deutério-55 até o 92; a extremidade oposta
ao polo genético constitui o polo químico, sede das reações químicas e da degradação radioativa.
Internamente, o deuterótomo de urânio tem uma estrutura constituída pela fornalha eletrônica,
composta por 32 elétrons compactados, situada mais próxima do polo genético do que do polo
químico, em função do número quântico n.
 
 
 
 Fig. 1.2 - Distância de arremesso (d2) do elétron intradeuterotômico
 
 
 Os elétrons da fornalha eletrônica atuam como verdadeiros projéteis atômicos lançados em
direção ao polo químico ou ao polo genético. A distância CB é a distância de arremesso do elétron
para a radioatividade. A distância CA é a distância de arremesso do elétron para a fissão nuclear
espontânea, de origem interna
 Na forma bidimensional, o deuterótomo de urânio pode ser representado conforme a Fig. 1.2.
Os elétrons da fornalha eletrônica (C) são verdadeiros raios catódicos intradeuterotômicos, à
semelhança dos produzidos pela ampola de Crookes (produtora de fótons raios X). Eles são
energeticamente acelerados a partir da fornalha e lançados contra as junções próton-nêutron do polo
químico. O elétron pode também sofrer deflexão, formando um ângulo alfa ( a ) e direcionar o fóton
para o interior do deuterótomo. A ruptura da junção próton-nêutron só ocorre se a extremidade do
polo químico estiver com a estrutura de partícula alfa preparada, isto é, com dois prótons e dois
nêutrons.
 
 
 Fig. 1.3 - Esquema simplificado do deuterótomo de urânio-235 mostrando os locais onde
ocorrem o Efeito fotoelétrico e a Dispersão de Compton, como consequência da ruptura da junção
do próton com o nêutron, no polo químico.
 
 
 Para que a ampola de Crookes produza raios X é necessário aplicar uma carga elétrica de
30.000 a 50.000 volts, por exemplo, no catódio da ampola. Os elétrons que se acumulam no catódio
despreendem-se dele e são lançados, aceleradamente, contra a parede de vidro opostamente
localizada. O choque dos elétrons contra essa parede fará com que emitam fótons raios X, os quais a
atravessam.
 
 Fig. 1.4 - Esquema do deuterótomo de urânio-235, com polo genético (A), polo químico (B) e
fornalha eletrônica (C).
 
 O esquema, simplificado e bidimensional, do deuterótomo de urânio-235 mostra como o polo
químico precisa estar preparado para emitir a partícula alfa. A sequência após a emissão dessa
partícula dependerá da disposição dos prótons e dos nêutrons do polo químico, condicionada pelo
código filogenético.
 Após a emissão da partícula alfa, o urânio-238, por exemplo, transforma-se no deuterótomo de
tório-234 como processo natural de degradação radioativa. As sequências das degradações do
urânio-235 poderão ser vistas nas páginas seguintes.
 Os extraordinários fenômenos físicos mais evidentes que ocorrem no urânio-235, com a
alfaemissão, estão dentro dos dois princípios das Leis da Termodinâmica. A primeira Lei se refere à
transformação de trabalho em calor; a segunda, da transformação do calor em trabalho. Ambas
estão presentes no processo natural de degradação radioativa desse elemento.
 
 Fig. 1.5 - Esquema simplificado do urânio-235 mostrando as duas Leis da Termodinâmica:
transformação de trabalho em calor (1ª Lei) e de calor em trabalho (2ª Lei)
 
 Este último esquema, mais complexo, mostra a existência dessas duas leis físicas. No
deuterótomo de urânio o elétron, dotado de energia cinética, move-se ao longo do espaço CB e
produz trabalho. A equação que dá o métrico do trabalho é expressa por: T = F.e. O trabalho é
transformado em calor quando ocorre a ruptura da Câmara de Reserva Térmica, da junção entre o
próton e o nêutron (1ª Lei). Os fótons térmicos liberados da câmara de reserva térmica rupturada
seguem dois caminhos: 1) - alguns vão para o meio externo, gerando calor e 2) outros retornam para
o interior do átomo (ou do deuterótomo) e sofrem colisões com os elétrons da fonte interna
(intradeuterotômicos) e são absorvidos por eles, que aumentam suas energias cinéticas. Assim, o
calor liberado pela ruptura da Câmara de Reserva Térmica produz trabalho porque aumenta a
energia cinética dos elétrons da fornalha eletrônica (2ª Lei).
 
 1) - O efeito fotoelétrico ocorre pela liberação de grande massa de fótons oriunda da ruptura da
junção próton-nêutron entre o deutério-91 e o nêutron-141. Os fótons que são emitidos deslocam-se
para o interior dodeuterótomo, atingem os elétrons da fornalha, aumentam a sua energia cinética e
fazem com que estes se lancem contra o polo químico, repetidas vezes. Esses elétrons são designados
fotoelétrons.
 
 2) - O efeito Compton também ocorre no interior do deuterótomo. Fótons provindos da ruptura
da junção próton-nêutron podem atingir elétrons da fornalha que estejam se deslocando em direção
ao polo químico, isto é, em sentido contrário ao do fóton. Este, ao colidir com o elétron, sofre um
ângulo de desvio ou deflexão ou, então, o fóton pode ser absorvido pelo elétron, tornando-o um
fotoelétron.
 
1.2 - Emissões e degradações radioativas: efeitos
 A forma oval e espiralada do deuterótomo pesado, radioativo, composto pelos polos genético e
químico, bem como pela fornalha eletrônica, fornece condições para que ocorram vários fenômenos
físicos, verdadeiros mecanismos que sustentam a emissão de fótons raios gama e de partículas alfa e
beta negativa. Inseridos nesses mecanismos estão presentes os princípios das duas Leis da
Termodinâmica.
 
1.3 - Elétron da fornalha como possível raio catódico
 Elétrons que compõem a fornalha eletrônica do deuterótomo do urânio-235 são lançados contra
a junção de um próton com um nêutronn situada no polo químico, onde atuam com características de
raios catódicos intradeuterotômicos. Um elétron vindo da fornalha necessita de energia cinética
igual ou superior a energia de ligação por núcleon para produzir a ruptura da junção. Assim, a
junção no urânio-235 tem energia de ligação por núcleon igual a 7,591 MeV. Consequentemente, a
energia cinética do raio catódico intradeuterotômico deve ter energia igual ou maior, uma vez que
consegue causar a ruptura dessa junção. A energia necessária para a fornalha emitir raio castódico
intradeuterotômico pode ser obtida por transferência ou por captação de energia do capacitor
atômico constituído pelo xenônio do polo genético, para seus elétrons, dando-lhes alta energia. A
capacitância do polo genético constituído pelo xenônio é igual a 84,8232 eF.
 
1.4 - Trabalho e calor na dinâmica da radioatividade
 O elétron, cuja massa m é igual a 0,511323 MeV/c², desloca-se em movimento acelerado, em
direção à junção entre próton e nêutron no polo químico. A energia cinética do elétron desloca-o do
ponto C da fornalha para o ponto B da junção, atravessando o espaço CB e produzindo trabalho. A
força que desloca a massa m, ao longo do espaço e, produz trabalho T. A colisão do raio catódico
intradeuterotômico contra a junção causa a sua ruptura e libera calor (Q). Assim, o mecanismo
interno do deuterótomo pesado radioativo transforma trabalho em calor. O trabalho T de 1J (Joule)
produz ou libera uma quantidade de calor Q igual a 0,239 cal.
 Fótons térmicos liberados pela ruptura da junção são lançados tanto para o espaço
extradeuterotômico quanto para o intradeuterotômico. Os elétrons que estão na fornalha eletrônica
também absorvem fótons (efeito fotoelétrico) que foram lançados para o interior do deuterótomo.
Devido à absorção dos fótons haverá aumento de energia cinética dos elétrons e consequente
deslocamento e produção de trabalho. Assim, a transformação de calor em trabalho caracteriza a 2ª
Lei da Termodinâmica. Uma pequena caloria (1 cal) produz, na experiência de Joule, um trabalho de
4,185 J. Na máquina a vapor, onde há uma caldeira e um condensador de vapor de água, o
rendimento teórico máximo é de 0,1 (10%). No motor à explosão, onde há gás inflamável, o
rendimento teórico máximo é de 0,25 (25 %). No possível mecanismo intradeuterotômico do
elemento radioativo pesado, a ruptura da junção, a qual é constituída pela Câmara de Reserva
Térmica, produz verdadeira microexplosão, sendo, portanto, a fonte de calor que irá produzir
trabalho.
 
1.5 - Efeitos das emissões radioativas
 Nas degradações radioativas há emissões de ondas fótons raios gama e de partículas alfa e beta
negativa.
 
 1 – Emissão de partícula alfa.
 Na extremidade livre do polo químico do deuterótomo radioativo, onde há uma sequência de
próton, nêutron, próton e nêutron, a energia de ligação por núcleon, no urânio-235, é de 7,591 MeV.
O choque do raio catódico intradeuterotômico contra a parede do deuterótomo provoca a ruptura da
junção entre o próton-91 e o nêutron-144 (Ver figuras), com microexplosão e liberação da energia de
ligação, e emite a partícula alfa ( a 2/4), que se move com uma energia cinética de 5,696 MeV. Essa
emissão produz um recuo do deuterótomo emissor bem maior do que o deuterótomo produtor do fóton
raio gama porque a partícula alfa tem massa ( a 2/4 = 4,00150618 m ).
 
 2 – Emissão de partícula beta negativa
 O betadecaimento ocorre após uma das seguintes condições: 1) - captação de nêutron rápido
pelo urânio-238 e, 2) - após emissão de partícula alfa (alfadecaimento). Os quadros dos códigos
filogenéticos das famílias radioativas do rádio, do actínio, do urânio-235 e do tório mostram as
sucessivas emissões para equilibrar a energia total do sistema preparando deuterótomos para a
alfaemissão, no processo de degradação radioativa. Ocorre o mesmo fenômeno físico de recuo com o
deuterótomo emissor da partícula beta negativa, porém menor, porque o elétron tem menor massa.
 
 3 – Emissão de fóton raio gama
 Quando um deuterótomo emite uma partícula beta negativa a estrutura entra em estado de
excitação nuclear e emite fóton raio gama, cuja energia é de 1,022 MeV/c². O elemento radioativo
emissor sofre um recuo e entra em ressonância; o fóton emitido é captado pelo deuterótomo captor
que também sofre um recuo pelo impacto e desloca-se da sua posição inicial, o qual também entra em
ressonância. Esse efeito é conhecido como Efeito Mossbauer.
 
 
 
 
1.6 – Possível via de nucleossíntese do urânio-235
 As possiveis vias de nucleossínteses do urânio e do tório podem ser analisadas a partir do tálio
(Tl81).
 
 
 
 
 
 
 Fig. 1.6 - Possível via da nucleossíntese do urânio-235 a partir do tálio-204.
 
 As famílias radioativas do rádio e do actínio procedem do tálio-203; a do urânio-235, do tálio-
204 e, a do tório, do tálio-205. A representação mostra a possível via de síntese pelo processo de
hipercaptação de nêutrons e emissão de partícula beta negativa, passando por isótopos conhecidos e
identificados e por outros que não se têm referências, mas que possivelmente possam ter existido.
 Muitos isótopos intermediários têm vida média muito curta e, por esse motivo, não são mais
encontrados em a natureza ou, então, estão em quantidades escassas.
 
1.7 – Degradação radioativa da família do urânio-235
 O diagrama mostra o processo de decaimentos alfa e beta negativo, na degradação radioativa do
urânio-235.
 
 
 Fig. 1.7 - Esquema demonstrativo dos decaimentos alfa e beta negativo. Sequência da degradação radioativa
dos elementos da família do urânio-235.
 
 
 Observar as frações alfa e beta do bismuto (Bi83) e do actínio (Ac89) que priorizam a emissão
de uma ou de outra radiação. O chumbo-207 é o elemento final e estável.
 A sequência das emissões radioativas está na dependência do código filogenético determinado
pela disposição dos prótons e dos nêutrons nos designados apêndices alfa, localizados após o
mercúrio. Os quadrados escurecidos, na Fig. 1.7, representam os prótons e, os números ligados a
eles, os “loci” iniciais dos prótons; os quadrados em branco representam os nêutrons, que entram na
constituição das unidades alfa, cujo número é variável, dependendo da família radioativa. Os
quadrados em branco com um círculo no centro representam os nêutrons que cederão elétrons para o
betadecaimento. Os nêutrons estão numerados em ordem crescente, do mercúrio para a extremidade,
começando pelo n-122. Os elementos bismuto e actínio estão representados duas vezes nos
diagramas, devidoàs frações alfa e beta existentes em uma quantidade deles.
 
1.8 - Análise da ruptura da junção próton/nêutron na
 alfaemissão (α2/4)
 Quando o urânio-238 emite uma partícula alfa há rupturas simultâneas nas junções próton/nêutron
unidas pela energia de ligação. A Energia de ligação por núcleon para esse elemento é de 7,571
MeV, mas a energia cinética da partícula alfa é igual a 7,050 MeV. Determina-se o métrico da energia
cinética da partícula alfa emitida pelo urânio-238, na seguinte reação,
 
U92/238 --------- à Th90/234 + α2/4
 
a partir dos seguintes dados da equação do excesso de energia de massa, Q:
 
onde,
m de Xn, que é a do urânio-238 = 238,050786u
m de Xn-2, que é a do tório-234 = 234,045081u
mα, que é a massa da partícula alfa = 4,00150618u
c2, que é a velocidade da luz ao quadrado = 931,5 MeV/u
 Aplicando-se os dados à equação, tem-se:
 
 
 
 Para o cálculo da energia cinética da partícula alfa (α2/4) a equação é a seguinte:
onde,
Kα é a energia cinética da partícula alfa (α2/4)
A é massa atômica (ou deuterotômica) do elemento alfaemissor
Q é o excesso de energia de massa
 
 Aplicando-se os dados à equação:
 
 
 Assim, o valor da energia cinética da partícula alfa emitida pelo deuterótomo de urânio-238
está bem próximo do valor da energia de ligação por núcleon para esse urânio, que é de 7,571 MeV,
permitindo que a energia cinética do elétron emitido pelo fornalha eletrônica, contra a junção
próton/nêutron do polo químico, seja capaz de causar a sua ruptura.
 Em esquema, podem-se representar os elementos constituintes da Câmara de Reserva Térmica
entre o próton-91 e o nêutron-144, onde ocorre a ruptura e a consecutiva alfaemissão:
 
 
 
 
 Fig. 1.8 – Elementos da junção entre próton e nêutron, onde ocorrem a ruptura e a consecutiva
alfaemissão pelo urânio-238. O esquema mostra as placas protônicas constituidas por redes
cristalinas de quarks up (u) e quarks down (d), afastadas pela ruptura. As outras duas placas, ao
fundo, ainda estão unidas pela energia de ligação entre os núcleons.
 
 O urânio-235, isótopo do urânio-238, emite uma partícula alfa com alto valor de energia
cinética. Os cálculos mostram o valor de Kα = 10,804 MeV. A equação da alfaemissão pode ser
representada, simbolicamente, como segue:
 
U92/235 ------ à Th90/231 + α2/4
 
 Determina-se o valor da energia cinética da partícula alfa emitida pelo urânio-235, a partir dos
seguintes dados da equação do excesso de energia de massa (Q):
 
onde,
m de Xn, que é a do urânio-235 = 235,04925u
m de Xn-2, que é a do tório-231 = 231,036299u
mα, que é a massa da partícula alfa = 4,0015061u
c2, que é a velocidade da luz ao quadrado = 931,5 MeV/u
 Aplicando-se os dados à equação, tem-se:
 Para o cálculo da energia cinética da partícula alfa (α2/4) a equação é a seguinte:
onde,
Kα é a energia cinética da partícula alfa
A é massa atômica, ou deuterotômica, do elemento alfaemissor
Q é o excesso de energia de massa
 
 Aplicando-se os dados à equação:
 
 
 Assim, o métrico da energia cinética da partícula alfa emitida pelo deuterótomo de urânio-235,
com 10,804967 MeV, está acima do valor da energia de ligação por núcleon para o urâsnio-235,
que é de 7,571 MeV, permitindo que a energia cinética do elétron emitido pelo fornalha eletrônica
contra a junção do polo químico seja capaz de causar a sua ruptura.
 Em esquema, podem-se representar os elementos constituintes da Câmara de Reserva Térmica
entre o próton-91 e o nêutron-144, onde ocorre a ruptura e a consecutiva alfaemissão:
 
 Fig. 1.9 – Esquema da junção próton-91 e nêutron-144 do urânio-238, onde ocorre a ruptura da
câmara de reserva térmica, com emissão de fótons para o meio externo e, de retorno, para o interno.
 
 A ruptura dessa junção, a qual é uma verdadeira microexplosão, libera calor com emissão de
fótons térmicos, tanto para o meio externo quanto para o interno do deuterótomo. Essa Câmara de
Reserva Térmica formada é resultante de anterior fusão termonuclear, porque resulta do processo
de síntese da matéria. A alta energia empregada durante o processo de fusão termonuclear ficou
armazenada na junção do próton com o nêutron; a ruptura dessa junção libera a energia armazenada.
Os fótons que retornam para o meio interno chocam-se com os elétrons da fornalha aumentando as
suas energias cinéticas. As cargas elétricas das redes cristalinas de quarks não se alteram com a
ruptura. Os quarks down permanecem com energia de +2/3 eV e os quarks up, com -1/3 eV.
 
1.9 – Análise das alterações elétricas com a betaemissão
 As betaemissões ocorrem com pósitron e com elétrons. Nos mecanismos de betaemissões e nos
de captação de elétrons, estão presentes as betaemissões positivas, como no exemplo abaixo:
 
H1/1 + H1/1 -------- à H2/2 ---------- à D1/2 + β+ + ν
 
 Da fusão de dois átomos de hidrogênio leves resulta uma molécula de dihidrogênio; ela é instável
e decai para um átomo de deutério com as consecutivas emissões de partícula beta positiva e de
neutrino. Cada átomo de hidrogênio leve, para ter carga elétrica positiva, precisou captar pósitron
quando o próton ainda se encontrava no estado de próton zero. Segue, em esquema, o próton zero,
sem carga elétrica; com a captação do pósitron esse próton passa a ter carga elétrica positiva. Ao
mesmo tempo, ocorre a ativação das cargas elétricas das redes cristalinas de quarks, com quark
down apresentando carga elétrica de -1/3 eV e dois quarks up com cargas elétricas de +2/3eV cada
um.
 
 Fig. 1.10 - A estrutura do próton zero é básica para formar o próton. A captação do pósitron
dá, a essa estrutura, a carga elétrica protônica positiva de +1eV ao mesmo tempo em que ativa as
cargas quarkianas down e up.
 
 Nenhuma betaemissão positiva poderá ocorrer se não houver a presença prévia de pósitron
captado na rede cristalina de quarks da placa central (uc), visto no esquema a seguir:
 
 
 
 
 Fig. 1.11 – Mecanismos da betaemissão e da eletroconversão. A betaemissão positiva e a
emissão do neutrino são acompanhadas da eletroconversão, isto é, um dos elétrons da coroa
eletrônica é captado pela placa protônica uc.
 
 Em um segundo tempo, para efeito de análise, a estrutura de transição para deutério passa por
modificações nas cargas elétricas quarkianas. Em esquema:
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 1.12 – Observar a mudança da carga elétrica da placa protônica uc para dc, passando de
ducu para ddcu. Após a betaemissão positiva não há emissão de fóton raio gama. A emissão do
pósitron não desestrutura eletricamente a rede cristalina de quarks que compõem a placa protônica
central.
 
 
1.10 – Recomposição dos elétrons na gamaemissão
 
 Após uma betaemissão negativa a estrutura do nêutron emissor entra em estado de excitação
nuclear ou estado de reequilíbrio das cargas eletrônicas das três placas protônicas e da carga elétrica
protônica e emite fóton raio gama. O objetivo físico da gamaemissão é repor o pósitron na placa
protônica central e o elétron na coroa eletrônica do próton.
 
 Fig. 1.13 – Com a betaemissão negativa, a partir da placa dc, a carga elétrica quarkiana passa
de dc para uc, transformando a estrutura em um próton quarkiano, com ducu. A rede cristalina de
quarks da placa central, branca, emite um fóton raio gama.
 
 O fóton raio gama emitido em função do estado de excitação nuclear e do desequilíbrio das
cargas elétricas quarkianas, choca-se com uma estrutura que serve de alvo e se desdobra em pósitron
e elétron. O pósitron irá recompor a carga elétrica protônica da estrutura, dando-lhe carga elétrica
positiva, própria do próton; o elétron irá ocupar a primeira camada eletrônica, K, recompondo a
estrutura do polo químicodo elemento a que estiver ligado.
 
1.11 – Betaemissão dos nêutrons nos elementos leves
 
 No processo de síntese dos deuterótomos, desde o hélio-4 até o urânio-238, o mecanismo tipo
captação de nêutron e emissão de partícula beta negativa passa por um deuterótomo que pode ter
duas características: 1) - ser radioativo e ter meia-vida curta; 2) - ser estável e existir em baixa
porcentagem.
 
 
 Os isótopos resultantes da captação de um nêutron tornam-se radioativos, emitindo uma
partícula beta negativa. Após essa emissão o deuterótomo resultante pode ser estável.
 No Quadro das possíveis vias de síntese dos deuterótomos esse tipo de mecanismo de síntese
aparece com frequência. Seguem alguns exemplos:
 
 Captadores Isótopos intermediários Isótopos finais
de nêutrons (n) (% e meia-vida) (% e meia-vida)
 He2/5 ------------> He2/6 (extinto) ---------> Li3/6 (7,5%)
 Be4/9 Be4/10 1.6 Ma B5/10 (19,8%) 
 C6/13 C6/14 5.730 a N7/14 (99,63%)
 O8/18 O8/19 26,9 s F9/19 (100%)
Ne10/22 Ne10/23 37,6 s Na11/23 (100%)
Ca20/44 Ca20/45 165 d Se21/45 (100%)
Fe26/58 Fe26/59 44,6 d Co27/59 (100%)
Ge32/72 Ge32/73 7,8% As33/73 (80,3 d)
Kr36/86 Kr36/87 76 m Rb37/8 (27,83%)
Ru44/102 Ru44/103 39,4 d Ro45/103 (100%)
Hg80/202 Hg80/203 46,8 d Tl81/203 (29,5%)
Pb82/208 Pb82/209 3,25 h Bi83/209 (100%)
 
 Em sua maioria, os isótopos resultantes da captação de nêutrons são radioativos, com meia-vida
variável entre alguns segundos e alguns milhares de anos. Os que resultam da emissão de partícula
beta negativa são, também em sua maioria, estáveis, sendo apenas alguns radioativos.
 Para que um deuterótomo dê origem a um isótopo de número de massa imediatamente superior
necessita estar em ambientes onde nêutrons são emitidos, isto é, depende da existência de uma fonte
de nêutrons. Assim, a quantidade de isótopos formados por esse mecanismo depende da quantidade
de nêutrons fornecida. Já a etapa de emissão de partícula beta negativa não depende do meio externo,
pois o processo de betadecaimento se efetua dentro do deuterótomo.
 Como por esse mecanismo há produção de um deuterótomo estável, pode-se admitir que a
captação do nêutron - com a consequente diminuição da capacitância - torna instável o deuterótomo
formado; a recuperação da estabilidade elétrica, em termos de capacitância, é adquirida com a
emissão da partícula beta negativa e o consequente aumento da capacitância.
 Considerando-se a equação da capacitância: C = k x A x np/d x nn, onde C é a capacitância do
deuterótomo, k a constante dielétrica do nêutron, A a área da placa do próton; np o número de
prótons do deuterótomo; d a distância entre as placas protônicas; e nn o número de nêutrons que
entram na composição do deuterótomo, o métrico de C pode ser calculado. O valor de k é expresso
em 1 eF.p-1 e A tem um valor constante, igual a 1,5708 p2; d é igual a 1p, que corresponde ao
diâmetro de um nêutron. Pode-se calcular a capacitância dos elementos formados nas etapas do
processo de síntese, como, por exemplo, no esquema que se segue:
 
 Mg12/26 + n -----> Mg12/27 – β- --->Al13/27.
 
 Utilizando-se a equação referida, os valores das capacitâncias serão os seguintes:
 
 Mg12/26 – C = 1,3464 eF (12 prótons + 14 nêutrons)
 Mg12/27 – C = 1,2566 eF (12 prótons + 15 nêutrons)
 Al13/27 – C = 1,4586 eF (13 prótons + 14 nêutrons)
 
 Pode-se traçar um gráfico relacionando-se o valor da capacitância de cada um desses
deuterótomos com os seus respectivos números de nêutrons.
 
 
 Fig. 1.14 - Variação da capacitância pela captação de nêutron e pela betaemissão negativa.
 
 A captação de nêutron é o único processo de síntese que faz reduzir o valor da capacitância. A
betaemissão e a alfacaptação fazem aumentar o seu valor. Tanto são radioativos os emissores de beta
e os deuterótomos leves como, por exemplo, o magnésio-27, quanto os intermediários como, por
exemplo, o zircônio-95 e os pesados, como o polônio-211.
 Assim, a radioatividade é uma propriedade que não deve estar assentada somente no chamado
número excessivo de nêutrons em relação ao número de prótons, nos elementos pesados, onde os
valores da relação nêutron e próton estão acima de 1,5 como, por exemplo, no urânio-238, onde o
número de nêutrons é de 146 e, o de prótons, de 92 e a relação nêutron e próton igual a 1,58.
 
1.12 – Betaemissão dos nêutrons nos elementos pesados
 
 A degradação radioativa é um processo de redução do número e da massa deuterotômicos. A
síntese é um processo inverso. Contudo, as vias das sínteses deuterotômicas não são as mesmas das
degradações radioativas. Para que a degradação radioativa pudesse ocorrer, primeiro se fez
necessária a síntese deuterotômica dentro de um código filogenético. Vários mecanismos
participaram dos processos de síntese que formaram os elementos desde o hélio-4 até o urânio-238.
A síntese pode decorrer de um processo simples de captação ou de um processo misto de captação e
radiação: o primeiro tem como exemplo típico a captação de partícula alfa e, o segundo, a captação
de nêutron e emissões de partícula beta negativa e de fóton raio gama.
 A degradação radioativa dos deuterótomos é um processo físico, isto é, não depende de
reações por valências, caracterizando-se por emissões de partículas alfa e beta e de fótons raios
gama. A alfaemissão diminui o número e a massa deuterotômicos, enquanto que a betaemissão
aumenta somente o número. O aumento do número deuterotômico pode ser visto como um processo
de síntese, pois transforma um deuterótomo de número menor para um de número maior, em uma
unidade.
 A propriedade radioativa do deuterótomo de urânio e dos elementos que compõem as famílias
radioativas do rádio, do actínio, do urânio-235 e do tório não se altera quando eles são submetidos a
temperaturas altas, variações de pressão, cargas elétricas, campos magnéticos ou outros meios. Tal
fato se deve à firme organização do deuterótomo, constituído:
 1 - Por uma parede de deutérios;
 2 - Por um polo genético constituído pelo gás nobre xenônio
 3 - Por um polo químico constituído pelos seus seis elétrons orbitais correspondentes aos
deutérios de D87 a D92, no caso do urânio;
 4 - Por uma fornalha eletrônica situada no interior do deuterótomo e, possivelmente,
sendo um dos fatores determinantes da propriedade radioativa alfaemissora.
 Somente a degradação radioativa pode destruir a estrutura dos deuterótomos de urânio-235 e
dos demais elementos radioativos que se formam, os quais vão até o chummbo-207 (estável) e,
consequentemente, destruindo também a fornalha eletrônica. A propriedade radioativa dos
deuterótomos resultantes está na dependência da instabilidade pelo excesso de nêutrons e pela
inadequada capacitância.
 As frações leves resultantes da fissão nuclear do urânio-235 como, por exemplo, o rubídio-93,
após uma betaemissão negativa, forma o deuterótomo de estrôncio-93 o qual emite um nêutron,
passando a estrôncio-92; cada um desses isótopos prossegue na série, com betaemissões ( b -), até
alcançar a posição de um deuterótomo estável.
 
 
1.13 – Possíveis fatores determinantes da radioatividade
 A variação da capacitância total dosdeuterótomos, conforme a Fig. 1.14, nos elementos
captadores de nêutrons, pode ser um dos fatores determinantes da radioatividade nos elementos
leves, como o magnésio, por exemplo. Porém, nos deuterótomos pesados, o fenômeno radioativo
pode estar na dependência de vários fatores, entre os quais podem ser citados:
 
1 - instabilidade dos valores da capacitância dos deuterótomos;
2 - capacitância das unidades alfa que compõem o apêndice;
3 - a carga elétrica da fornalha eletrônica;
4 - menor energia de ligação por núcleon dos deuterótomos pesados
 
 Esses fatores podem desempenhar um papel importante, tanto isoladamente quanto pela soma das
suas forças. Além dos fatores referidos, outras condições podem ser citadas que participam do
processo de degradação radioativa:
 1) A degradação radioativa do urânio até o tálio, passando pelo radônio, é uma evidência de que
este gás nobre não sofreu o fenômeno físico de redução de volume e, portanto, sua estrutura não está
blindada, como acontece com os demais gases nobres;
 2) O valor do número de massa de cada unidade alfa é um múltiplo de quatro da série natural dos
números inteiros, como se segue: a 2/4, a 2/8, a 2/12; nas famílias radioativas do rádio e do actínio
esses três múltiplos estão presentes; na família do tório só estão presentes as unidades alfa a 2/4
e a 2/8; na família radioativa do urânio-235, existem duas unidades alfa composta por a 2/6;
 3) O processo de degradação radioativa dos deuterótomos pesados transurânio ocorre em uma
fração desses deuterótomos, a qual é designada de apêndice alfa; o apêndice alfa do tório tem cinco
unidades alfa e o dos outros três - radio, actinio e urânio-235 - têm seis;
 4) As ligações capacitivas das unidades alfa para os seis últimos prótons do urânio, quando
estão presentes, são do tipo série-equivalente e seus elétrons não participam do feixe de 32 elétrons
que compõem a fornalha eletrônica;
 5) No tálio, o número de elétrons da fornalha se reduz de 32 para 27 e, consequentemente, reduz
também a sua carga eletrônica e a sua força atuante sobre as ligações ou junções entre próton e
nêutron, e se tornando insuficiente para quebrar essas junções; em decorrência da redução da carga
elétrica da fornalha, os deuterótomos deixam de emitir partículas alfa, fazendo cessar o mecanismo
de degradação radioativa do tipo “emissão de partícula alfa e emissão de partícula beta negativa”.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPÍTULO II
 
Princípios da Termodinâmica
 
 A relação entre trabalho e calor já era conhecida desde os primórdios da civilização, porém,
não dentro desses termos. Admite-se que o homem primitivo tenha conseguido obter fogo atritando
madeiras secas entre si. É um exemplo típico da transformação de trabalho em calor. A utilização do
vento como propulsor do barco a vela é um exemplo de transformação do calor em trabalho: duas
massas de ar com temperaturas diferentes criam o deslocamento dessas massas que, em
consequência, cria ventos atmosféricos. A força F dos ventos sobre as velas do barco faz com ele se
desloque por um espaço e, caracterizando a produção de trabalho T. Ambos representam Princípios
da Termodinâmica, que estudam a relação deslocamento e variação de temperatura. A
termodinâmica repousa sobre dois grandes princípios: 1) - Princípio de Mayer, que trata da
equivalência do trabalho e do calor, é de natureza quantitativa; 2) - Princípio de Carnot, que trata da
impossibilidade de se transformar calor em trabalho sem que haja uma diferença de temperatura, é de
natureza qualitativa.
 O trabalho tau, Τ, é definido como sendo o deslocamento de um corpo de massa m, por
um espaço e, impulsionado por uma força F. Assim, o trabalho é expresso pela seguinte equação:
 
2.1 - Transformação de trabalho mecânico em calor
 Nas experiências que demonstram essa transformação, o atrito é a ação mecânica mais
utilizada. Todavia, a percussão (martelamento), a flexão e a compressão dos gases também são ações
mecânicas que produzem calor em quantidade significativa.
 O atrito duro entre a superfície de um cilindro maciço de ferro, contra a superfície interna de um
cilindro oco, também de ferro, desenvolvendo calor, foi a ação mecânica utilizada na experiência
feita pelo conde Rumford (Benjamin Thompson, físico e químico americano, 1753-1814); ele havia
observado a enorme quantidade de calor desenvolvida pelo atrito da bala de canhão nas perfurações
das paredes que serviam de alvo. Na experiência, depois de duas horas e meia de rotação do cilindro
interno contra o externo, um volume de 10 litros de água que envolvia os cilindros havia alcançado a
temperatura do ponto de ebulição. A experiência, em esquema, é a seguinte:
 
 Fig. 2.1 - Experiência do conde Rumford. Girando o cilindro interno por meio da manivela M,
o atrito rude entre a superfície desse cilindro e a superfície interna do cilindro externo, aqueceu 10
litros de água até o ponto de ebulição.
 
 A experiência de Beaumont e Mayer, em 1855, também se assentou sobre a ação mecânica do
atrito. Eles fizeram a superfície de um cone de madeira, maciço, girar dentro de um cone de cobre,
atritando-o; conseguiram elevar a temperatura de 400 litros de água, de 10ºC até 100ºC.
 Uma experiência de Tyndall mostrou o trabalho produzindo calor e, esse mesmo calor,
produzindo trabalho. Um tubo metálico contendo éter é fechado com uma rolha e movimentado por
meio de uma roda que gira o tubo. Uma pinça de metal é pressionada, manualmente, sobre a face
externa do tubo, fazendo um atrito duro com ele. A força que gira a roda produz trabalho; o atrito
produz calor e aquece o éter, transformando-o em vapor. A pressão do vapor dentro do tubo, em
decorrência do calor, cresce e vence a resistência do ajuste da rolha e a projeta para o meio externo,
produzindo trabalho.
 Um pouco antes de Beaumont e Mayer, em 1847, Joule (James Prescott Joule, engenheiro e
físico inglês, 1818-1889) fez uma experiência transformando trabalho em calor, utilizando o atrito de
palhetas contra as moléculas de água, dentro de um calorímetro. É um meio de se conseguir calor por
um processo difícil de ser concebido, tendo em vista que tantos outros tipos de atrito geram calor
mais facilmente.
 O esquema do aparelho de Joule, que mediu o trabalho mecânico necessário para elevar de
1ºC a temperatura de 1 g de água, é o que segue. Palhetas P giram dentro do calorímetro, aquecendo
a água, quando os pesos cadentes Pc se deslocam a partir dos pontos iniciais Pi. O atrito das
palhetas com as moléculas de água produz calor.
 
 
 Fig. 2.2 - Esquema do aparelho de Joule para determinação do trabalho mecânico que produz
calor equivalente a 1 cal.
 
 O calorímetro, por meio do seu termômetro T, registra o aumento de temperatura da água, cujas
moléculas sofreram atrito com o movimento das palhetas P. As duas massas Pc, de chumbo, de pesos
iguais, deslocam-se ao longo de uma régua r. Com o sarilho S, as duas cordas enroladas, em
sentidos contrários, retornam as massas Pc ao ponto inicial Pi. As duas roldanas R, movimentadas
pelas cordas, movimentam os pesos cadentes Pc. A cada nova elevação dos pesos a trava t é
desconectada; é reconectada antes de cada nova descida desses dois pesos. Durante o deslocamento
dos pesos cadentes o movimento de rotação das palhetas tende a se acelerar, mas a resistência oposta
pelo atrito das palhetas com as moléculas de água cresce com a velocidade e logo chega a absorver
todo o trabalho desses dois pesos. A partir desse ponto, o movimento de queda dos pesos é uniforme
e a energia cinética do sistema não varia mais. Assim, o trabalho motor é igual ao trabalho
resistente, sendo este o atrito das palhetas P contra o líquido. Esse é o atrito que é convertido em
calor. Para produzir calormensurável são necessárias mais de 20 manobras de queda dos pesos Pc.
 Assim, o trabalho mecânico desenvolvido pela queda dos pesos Pc corresponde a 4,184 J para
cada caloria gerada, a qual eleva a temperatura de 1 g de água em 1ºC. Os cálculos de Joule
mostraram um valor de 4,170 J, na época, denominado de unidades de trabalho mecânico. As
determinações feitas posteriormente, com outros métodos, e com mais precisão, mostraram o valor,
já referido, de 4,184 J para 1 caloria gerada.
 Um exemplo clássico sobre o primeiro princípio da
termodinâmica é a do cálculo da altura h necessária para que um recipiente, termicamente isolado,
contendo água, ao chocar-se inelasticamente com o solo, produza a elevação da temperatura da água
em 1ºC. Assim, para que a temperatura da água se eleve de 1ºC, não importando o volume do
recipiente e da água, pois a diminuição da energia potencial e a energia mecânica necessária para
elevar a temperatura da água são, ambos, proporcionais à massa da água, é necessário que o
recipiente caia de uma altura h e a equação que determina esse valor é deduzida a partir da equação
do trabalho. Assim, tem-se:
 
 
 
 Um exemplo prático de cálculo da proporcionalidade de trabalho mecânico executado e calor
produzido é dado, pela experiência de Hirn, no esmagamento do chumbo. As características da
experiência podem ser descritas dentro do esquema que se segue:
 
 
 
 
 Fig. 2.3 - Esquema da experiência de Hirn na transformação de trabalho mecânico em calor,
pelo esmagamento do chumbo entre duas massas de ferro, a bigorna e o martelo.
 
 Um bloco de chumbo, em forma de cubo, pesando 3 kg, é fixado em uma posição central. Um
bloco de ferro (bigorna), de forma cúbica, pesando 950 kg é pendurado e fixado no ponto A, de tal
modo que uma de suas superfícies fique encostada no bloco de chumbo. Um outro bloco de ferro
(martelo), de forma também cúbica, pesando 350 kg, é pendurada e fixada no ponto B, de tal modo
que uma das suas faces fique, também, encostada em uma das superfícies do cubo de chumbo.
Ambos, martelo e bigorna estão afastados dos seus pontos de fixação por uma distância h.
 O martelo M é afastado do seu ponto de repouso, elevando-se a uma altura H, de 1,25 m.
Quando o martelo é solto, ele se desloca em direção ao cubo de chumbo e colide com ele,
esmagando-o Nessa colisão a bigorna sofre um deslocamento que eleva o seu nível em 11 cm; ao
mesmo tempo, o martelo sofre um rechaço, porém elevando-se de apenas 8 cm. Com o esmagamento
do chumbo a temperatura inicial de to passará para t1, com acréscimo de � ( φ = 7,6ºC).
 Fazendo-se o balanço das trocas de trabalhos mecânicos e de calor entre o sistema bigorna-
chumbo-martelo e o meio externo, tem-se:
 1 - No estado normal, a bigorna, o chumbo e o martelo estão em
contato entre si, no repouso e à temperatura tº. Quando o martelo M se eleva à altura de 1,25 m o
meio externo fornece trabalho mecânico ao sistema, cujos valores métricos são expressos no sistema
MKS (m, kg, s), onde J (Joule) é o trabalho produzido pela força de 1 N (Newton), deslocando a
massa de 1 kg por um espaço de 1 m, com a aceleração de 9,81 m/s². Segue-se o cálculo do trabalho
mecânico produzido pelo martelo M, ao colidir com o bloco de chumbo, caindo de uma altura de
1,25 m.
 
 
 2 - Quando o martelo M colide com o bloco de chumbo, esmagando-o, desloca o bloco da
bigorna B elevando-o de 11 cm (h1), enquanto o próprio martelo M se eleva de 8 cm (h2), ambos no
mesmo sentido, porem em direções opostas. Para que cada um deles (bigorna e martelo) volte ao
estado de repouso necessitam restituir trabalho. Seguem os cálculos da restituição de trabalho T
pelos blocos B e M:
 a) - Trabalho restituído pelo martelo M
 b) - Trabalho restituído pela bigorna B
 3 - O trabalho restituído (TR) pela massas da bigorna e do martelo é a soma de τm + τb. O
cálculo mostra o valor de TR:
 4 - O trabalho produzido pelo martelo (TM), ao colidir com o cubo de chumbo, caindo da altura
de 1,25m, é igual a 4.291,875J. Assim, a diferença entre o trabalho produzido TM e o trabalho
restituído TR é dado por delta T:
 
 
 
 
 5 - O calor liberado pela massa de 3.000g de chumbo, ao ser
esmagado, corresponde à diferença de temperatura entre t1 e t0, que foi medida e mostrou-se igual a
7,6ºC ( φ ). O cálculo das calorias (cal) produzidas pelo esmagamento é dado pela equação Q =
m.c. φ , onde m é a massa do chumbo, c o calor específico do chumbo, fi ( φ ) a diferença entre t1 e t0
e Q a quantidade de calor.
 
 6 - Cálculo do trabalho executado pelo sistema para a produção de 1 cal:
 a) - O sistema ganhou o trabalho mecânico de 2.992,825 J
 b) - O sistema perdeu para o meio externo ou produziu a quantidade de calor Q igual a 716 cal.
 Assim, o equivalente mecânico, J, é dado pela equação J = Δ T/Q e o seu métrico é dado por:
 O trabalho necessário para produzir uma determinada variação na temperatura de um sistema
não é sempre o mesmo; ele depende da quantidade de calor Q que for adicionado ao sistema, ou dele
subtraído, pela condução através das paredes. Se forem medidos o calor adicionado (ou subtraído)
ao sistema e o trabalho feito sobre o sistema, o resultado mostrará que a soma do trabalho feito sobre
o sistema (W), mais o calor adicionado ao sistema (Q), é sempre o mesmo, para uma determinada
variação de temperatura. Em outras palavras, pode-se dizer que o calor adicionado ao sistema (Q),
mais o trabalho produzido pelo sistema (W), é igual à variação da energia do sistema ( D U). A
equação é dada por:
 
 Onde +W (positivo) é o trabalho feito pelo sistema sobre as suas vizinhanças e -W (negativo) é o
trabalho feito sobre o sistema. Exemplos: 1 - a expansão de um gás fazendo pressão sobre a base de
um pistão, produzindo o seu deslocamento (trabalho), dá a W um valor positivo (+W); 2 - a
compressão de um gás dentro de uma câmara, efetuada por um pistão, o qual é um trabalho externo,
dá a W um valor negativo (-W).
 No sistema, +Q (positivo) é a quantidade de calor que é injetada e -Q (negativo) é a quantidade
de calor que é retirada dele. Na equação, U simboliza energia interna do sistema.
 Assim, a Primeira Lei da Termodinâmica é definida com os seguintes termos: o calor líquido
(Q) adicionado a um sistema é igual à variação da energia interna do sistema ( D U) somado ao
trabalho efetuado pelo sistema (W).
 É usual, também, escrever-se a equação como:
 
 Quando a quantidade de calor for muito pequena e o trabalho realizado, também, muito pequeno,
a variação da energia interna será pequena. O termo dU é a diferencial da função energia interna,
porém, nem a derivada de Q (dQ) e nem a derivada de W (dW) é diferencial de função.
 
2.2 - Transformação de calor em trabalho mecânico
 Carnot (Sadi Carnot, 1796-1832), em 1824 publicou um trabalho estabelecendo a Lei da
Termodinâmica, hoje conhecida como Segunda Lei, sem que tivesse oportunidade de saber sobre os
trabalhos que definiram os termos da chamada Primeira Lei da Termodinâmica. A Segunda Lei trata
da transformação do calor em trabalho.
 Principio de Carnot. - O primeiro princípio da termodinâmica mostra a equivalência mecânica
quantitativa entre o trabalho mecânico de 4,18J e 1 caloria. Assim, se o trabalho mecânico de 4,18J
se transforma integralmente em calor, também 1 caloria se transforma integralmente em um trabalho
mecânico de 4,18J. Na prática, somente a primeira condição é possível. Se um sistema dispõe de
apenas 1 cal esta não conseguirá produzir um trabalho de 4,18J. São necessárias pelo menos 10
calorias para que uma só se transforme em 4,18J; as outras nove se perdem sem aproveitamento O
principio de Carnot trata exatamente do rendimento dessa transformação, isto é, quais são as
condições que levam um sistemaa dar maior rendimento.
 
 a) - Rendimento Industrial. É a fração da energia do combustível que se transforma em
trabalho efetivo, medido sobre a árvore, por meio do freio de Prony. Se a máquina recebe uma
quantidade de calor Q do combustível e fornece, na árvore, um trabalho mecânico T, o rendimento,
então, é dado pela equação:
onde r é o rendimento da máquina, T o trabalho mecânico produzido, J o equivalente mecânico da
caloria e Q a quantidade de calor fornecida à máquina. O rendimento (r) nunca será igual a 1; não
excede de 0,1 (10%) nas melhores máquinas a vapor e de 0,25 (25%) nas melhores máquinas a
explosão
 Sobre o rendimento (r) de uma máquina a vapor atuam três fatores, os quais, multiplicados, dão
o rendimento da máquina:
 Da quantidade de calor, expressa em caloria, que é dada à
máquina (carvão mineral, por exemplo), Q1 é a quantidade de calor que chega ao cilindro e Q2 a que
chega ao condensador, enquanto o pistão efetuou o trabalho T, movimentando a haste que gira a
árvore, conforme o esquema da Fig. 2.4.
 1) - O fator JQ1/JQ2 é menor do que 1 porque entre a fornalha e a caldeira há muitas perdas de
calor as quais alcançam até 40% da energia do combustível. Essas perdas decorrem da combustão
incompleta, das incrustações nas paredes da caldeira, da irradiação, da condutibilidade, dos
depósitos de cinzas, do escapamento de gases aquecidos pela chaminé, além de outros meios de
perda. Essas perdas diminuem o valor de Q1, que é o calor que chega ao cilindro.
 2) - O fator J(Q1-Q2)/JQ1 tem, por numerador, a energia comunicada ao pistão e, por
denominador, a trazida até o cilindro pelo vapor da caldeira; essa é a fração da energia Q1 que se
transforma em trabalho e chama-se rendimento teórico da máquina. Na equação do rendimento, esse
fator pode ser expresso em função de Q1 e de Q2.
 
 
 Fig. 2.4 - Esquema de um sistema fechado de uma máquina a vapor
 
 A equação do rendimento de uma máquina perfeita, após dedução, é dada
por:
 Ela exprime a fração da energia fornecida à máquina e que se transforma, unicamente, em
trabalho mecânico. A fração Q2/Q1 representa uma energia térmica que não pode ser utilizada para
ser transformada em trabalho.
 3) - O fator T/J(Q1-Q2) expressa a fração do trabalho teórico do pistão que se transmite aos
mecanismos sobre a árvore. O seu valor é inferior a 1 em decorrência dos choques, atritos e
resistências passivas que absorvem parte do trabalho do pistão (de 30 a 40%) e a transformam em
calor que não pode ser transformado em trabalho.
 
 b) - Rendimento Teórico Máximo (R) – Pelos princípios da termodinâmica
pode-se demonstrar que:
 onde T1 e T2 representam as temperaturas absolutas da Fonte Quente e
da Fonte Fria, respectivamente. Se R é o rendimento teórico máximo, a equação pode ser expressa
por:
 Representando-se as temperaturas absolutas em graus centígrados, têm-se t1 e t2 incluídas na
equação, onde T1 = 273 + t1 e T2 = 273 + t2 e, assim deduzida, é conhecida como Equação de
Clausius.
 A equação de Clausius (físico alemão, 1822-1888) mostra que o rendimento da máquina não
depende da natureza química do vapor, podendo ser este de água, éter, álcool, etc. Se as temperaturas
da caldeira e do condensador permanecerem as mesmas, o rendimento teórico máximo R será o
mesmo em qualquer caso. A equação mostra que o rendimento R aumenta quando t1 aumenta ou
quando t2 baixa.
 O rendimento teórico da máquina a explosão, na qual se usa gasolina, por exemplo, é de 75% e
o rendimento prático, de 30%. Esses valores são, aproximadamente, o triplo do fornecido pela
máquina a vapor, a qual dá 33% de rendimento teórico máximo e de 10% d rendimento prático.
 Assim, o enunciado da Segunda Lei da Termodinâmica tem sido dado por duas formas: 1) -
Enunciado de Kelvin-Planck: é impossível para uma máquina térmica, que opere em ciclo, produzir
outro efeito que não o de extrair calor de um reservatório e efetuar uma quantidade equivalente de
trabalho. 2) - Enunciado de Clausius: é impossível para um refrigerador, que opera em ciclo,
provocar outro efeito além da transferência de calor de um corpo quente para um corpo frio.
 Dessa forma, o Teorema de Carnot mostra que é impossível, para uma máquina que opera entre
dois reservatórios térmicos, ter rendimento de 100%. Carnot mostrou que todas as máquinas
reversíveis, que operassem nessas condições, teriam rendimentos iguais e que nenhuma poderia ter
rendimento maior do que a de uma máquina reversível. Para que um processo seja reversível são
necessárias três condições básicas: 1) - Não pode perder energia mecânica (por atrito, resistência
passiva etc.); 2) - Não pode haver transferência de calor provocada por diferença de temperatura
finita; 3) - O sistema precisa estar extremamente próximo de um estado de equilíbrio.
 Qualquer processo que viole alguma dessas três condições é irreversível. A maioria dos
processos naturais é irreversível e todos eles têm um fator em comum: o sistema, com as suas
vizinhanças, se desloca para o estado menos ordenado. A medida da desordem de um sistema é uma
função termodinâmica, designada entropia S. Há muitos processos irreversíveis que não se
descrevem com facilidade, mediante os enunciados de Kelvin-Planck ou os de Clausius, para a
Segunda Lei da Termodinâmica.
 
2.3 - Transferência de calor nas Camaras de Reserva
 Térmmica
 Os princípios da transferência de calor nos sólidos e nos fluídos (líquido e gás) são aplicáveis
às Câmaras de Reserva Térmica, quer sejam de síntese, quer sejam de formação molecular ou de
cristalização. Os deuterótomos têm as suas próprias câmaras de reserva térmica de síntese, formadas
durante o processo de síntese da matéria; são as que estão presentes em qualquer estado físico (fase)
que se encontre a matéria, na sua forma elementar. As camaras de reserva de formação molecular
podem se desfazer ou, então, formar-se, por ação do calor. As camaras de reserva de cristalização
de metais podem ser bastante estáveis, como as que entram na constituição do metal sólido, puro,
formando uma rede cristalina; as outras camaras de reserva - as de cristalização com inclusões de
moléculas de água - são pouco estáveis diante da ação do calor.
 As camaras de reserva dos metais sólidos servem de modelo para a análise da transferência de
calor. A estrutura do próton, admitida como constituída por um cilindro maciço e central formado por
tripletos de quarks e, aderido a ele, placas protônicas funcionando como aletas, que podem
permanecer abertas ou livres, ou então, estarem fechadas, formando Câmaras de Reserva Térmica,
podendo ser representadas como na Fig. 2.5.
 
 Fig. 2.5 - Câmara de Reserva Térmica e placas protônicas mostrando elementos de
nomenclatura na transferência de calor.
 
 O fluído que chega à câmara e que dá a condição de contorno das placas protônicas e dos
cilindros centrais maciços, é constituído, inicialmente, pelos fótons térmicos estacionários.
 Assim, as três formas de transferência de calor estão, também, presentes nas câmaras de
reserva térmica: 1) - por condução, nas placas protônicas e nos cilindros; 2) - por convecção, no
interior da câmara de reserva, pelo fluxo de fótons térmicos, entrando na câmara ou saindo dela; 3) -
por radiação, para o meio externo, saindo do interior da câmara ou da superfície da placa protônica
livre (funcionando como aleta).
 A Fig. 2.6 que se segue mostra uma comparação entre um cilindro oco com aletas externas que
transferem calor por condução e por convecção e uma Câmara de Reserva Térmica que, também,
transfere calor por esses dois meios.
 
 
 Fig. 2.6 - Esquema comparativo entre as formas de um cilindro oco com aletas externas e uma
Camara de Reserva Térmica com as suas aletas (placas protônicas) como elementos na
transferência de calor.a) - Por condução, nas placas protônicas.
 As aletas externas de um cilindro oco funcionam como dissipadoras de calor, pois têm
superfície ampla que entram em contato com o meio externo e estão livres para permitir a
transferência de calor por condução, dentro da sua própria estrutura e, por radiação, para o meio
externo. As placas protônicas têm similaridade, de forma e de função, com as aletas e o cilindro oco
com o cilindro central do próton, formado pela junção dos tripletos de quarks.
 
 b) - Por convecção, no interior das Câmaras de Reserva
 Térmica.
 Quando o nível de energia fotônica no interior da Câmara é elevado, os fótons se
comportam como um fluído em turbilhonamento dentro dela. Os fótons que se deslocam dentro de
uma Câmara, com alta densidade fotônica (N), transferem calor por convecção, à semelhança do
que ocorre com a transferência de calor no cilindro oco quando o seu interior tem conteúdo gasoso.
 c) - Por radiação, pelas placas protônicas.
 Esse processo de transferência de calor é comum nos dois dispositivos, visto que os fótons
térmicos podem ser emitidos pela superfície condutora por condução que, no caso, são as aletas do
cilindro oco e, nas Câmaras, as placas protônicas de bordas livres e as placas que as estão
constituindo.
 
2.4 – Rede cristalina de quarks como captadora e emissora
 de fótons térmicos 
 Os quarks são partículas pontuais, com cargas elétricas fracionadas, confinadas nas placas dos
bárions. Basicamente os bárions estão constituídos por três placas protônicas ou por seis hemiplacas
protônicas. Os bárions usuais, isto é, os prótons e os nêutrons,têm estrutura e massa estáveis,
enquanto que os demais (lâmbda e ômega, por exemplo) têm massas bem maiores em relação aos
prótons. Os bárions instáveis, como o csi ( X ), o lâmbda ( L ) e o ômega ( W ), por exemplo, têm
vida média curtíssima, em torno de 10-8 s. Os prótons e nêutrons sofrem a influência das cargas
elétricas dos pósitrons e dos elétrons. Nos prótons há a presença dessas cargas.
 
 Placas protônicas dos bárions
 Dentro da teoria deuterotômica os bárions usuais seriam constituídos por três placas,
entrecruzadas, conforme o esquema:
 
 
 Fig. 2.7. – Esquema básico do bárion próton duu, constitído por três placas ou seis hemiplacas.
 
 Cada uma das placas do bárion próton precisa conter um número definido de quarks up, uma vez
que a soma total das suas massas deve corresponder à massa do próton, que é de 938,28 MeV/c².
 Assim, se um quark up tem massa igual a 3,2578 MeV/c², serão necessários 288 quarks up para
compor as três placas ou 96 quarks up para compor uma placa. Cada hemiplaca precisa ter números
pares de quarks up, com um total de 48 quarks up nesse estado. Números pares é uma condição
imperativa, pois ao passar do estado de quark individualizado (u) para o estado de par (u=u), eles
passam a se constituir em quarks down, com 6,5156 MeV/c².
 Em esquema, a mudança de estado dos quarks up:
 Fig. 2.8 – Mudança de estado dos quarks up (u), individuais, para estado de par (u=u), constituindo os quarks down (d).
 
 Na constituição de um próton (duu) entram quarks up (u) e down (d) na proporção de 2u para
1d. A massa de um único quark up é de 3,2578 e de um quark down, de 6,5156 MeV/c² sendo o soma
dessas massas igual a 13,03 MeV/c², insuficiente para compor a massa total de um próton. Assim,
torna-se evidente que três placas protônicas devem conter um número de quarks cuja soma das
massas seja igual a 938,28 MeV/c². O número de quarks up deve corresponder a 192 e, o de down, a
48. A massa do próton não se altera com a mudança da carga elétrica das placas, quando passa de
duu para ddu, isto é, de + 1 eV do próton para 0 eV do nêutron.
 O fenômeno físico da eletroconversão é acompanhado da quarkconversão. Esta última equilibra
a carga elétrica do nêutron em 0 eV. Sendo o elétron portador de carga unitária de -1 eV, pode-se
admitir, para fins de entendimento do mecanismo quarkiano que deve ocorrer na placa uc (branca,
central, no esquema), que sua carga seja de -3/3 eV.
 O fenômeno inverso, isto é, a quarkreversão deve ocorrer na betaemissão negativa que
transforma o nêutron em próton. A betaemissão é um fenômeno radioativo comum nos elementos
instáveis que têm ligações em série, presentes nos elementos préxenônio, como o cálcio-45 e nos que
têm ligações em paralelo, presentes nos elementos posxenônio, constituídos pelos deuterótomos
radioativos como o urânio-238 e o rádio-228, por exemplos. Representando, simbolicamente, a
betaemissão do cálcio-45:
 
 
 
 
 No deuterótomo de cálcio-45, que é radioativo, o nêutron emite uma partícula beta negativa, um
antineutrino e fóton raio gama, provocando a quarkreversão, isto é, passando a carga quarkiana de
nêutron ddu para próton duu, desfazendo o estado de par dos quarks up (u=u). Assim, o
betadecaimento é acompanhado da quarkreversão como mecanismo inverso ao da captura do elétron
por um próton nuclear ou por um dos prótons do dihidrogênio (que o transforma em deutério).
 Se for considerado o deuterótomo de urânio-238 conforme modelo que se segue, após a ruptura
da junção próton e nêutron, a extremidade do polo químico fica constituída por uma sequência de três
nêutrons; face ao desequilíbrio capacitivo, o nêutron-143, em posição intermediária, emitirá radiação
beta negativa e a estrutura do nêutron se modificará, criando o próton e preparando a extremidade do
polo químico para nova alfaemissão.
 
 
 
 Fig. 2.9 – Degradações radioativas do urânio-238, com duas sucessivas betaemissões
negativas, primeiro pela estrutura do nêutron n-141 e, depois, pela estrutura do nêutron n-143.
 
 
 A placa dc, no esquema que se segue, mostra onde os quarks down (dc) formam rede cristalina. A
rede passa por um estado de excitação nuclear após a betaemissão negativa e a emissão do
antineutrino do elétron, e emite fóton raio gama.
 
 
 Fig. 2.10 – O decaimento do nêutron n-141 no polo químico do urânio-238 está representado,
esquematicamente, pela betaemissão negativa, pela emissão do antineutrino e pela gamaemissão.
 
 Na placa dc, da Fig. 2.10, os quarks que se encontram em estado de par (u=u) passam para o
individualizado, constituindo a placa uc, isto é, passa da composição quarkiana de ddu (nêutron) para
duu (próton), porém, sendo este apenas um próton quarkiano. O próton quarkiano tem carga elétrica
protônica quarkiana, mas não tem carga elétrica protônica orbital. As características próprias do
próton serão estabelecidas quando o fóton raio gama colidir com uma parede que lhe serve de alvo
e se desdobrar em pósitron e elétron indo, o primeiro para a rede cristalina de quarks da placa
protônica constituída por quarks down (dc) e, o segundo, para a coroa eletrônica. Esta é a condição
que permite a eletrorreversão, isto é, a de o nêutron voltar a ser próton.
 A placa protônica constituída pela rede cristalina de quarks down (dc) está sob pressão do
campo elétrico do elétron (e-) e com a carga elétrica de -1/3 eV; essa pressão elétrica deforma a rede
e, consequentemente, altera os vetores dos seus dipolos elétricos. A sequência de cinco nêutrons no
polo químico, após a alfaemissão do urânio-238, altera a sua capacitância e causa a emissão da
carga elétrica do elétron. Pela descompressão do campo elétrico do elétron, após escapar da
estrutura deuterotômica, esse elétron libera o antineutrino que ocupava o seu campo elétrico,
causando a sua emissão. A descompressão da rede cristalina de quarks muda o estado de par dos
quarks up (u=u) para quarks individualizados (u) e, consecutivamente, a carga elétrica de -1/3 passa
para +2/3 eV. Nessa fase a estrutura protônica só tem a carga elétrica protônica quarkiana. Com o
estado de excitaçãonuclear nessa placa, ocorre a emissão de fóton raio gama. O choque desse fóton
contra uma parede que lhe serve de alvo causa o seu desdobramento em pósitron e elétron.
 Assim, essa estrutura só adquire o status de próton quando o decaimento do fóton raio gama lhe
fornecer o pósitron e o elétron. O pósitron formará a carga elétrica protônica orbital ao ser captado
pela rede de quarks da placa dc; o elétron irá para a coroa eletrônica, compondo a estrutura e a carga
quarkiana de duu do próton.
 
2.5 – Variações dos Níveis Quânticos dos Elétrons com a
 temperatura
 2.5.1 - Níveis Quânticos Principais.
 O número quântico, n, expressa a distância existente entre o elétron e o próton, isto é,
entre uma carga elétrica negativa e uma positiva, respectivamente. Dependendo do deuterótomo onde
se encontre o elétron, este poderá ocupar uma determinada posição em torno do próton. Há sete
posições eletrônicas básicas, designadas camadas eletrônicas ou orbitais e representadas pelas letras
do alfabeto: K, L, M, N, O, P e Q. A distância entre o elétron e o próton está representada pelo
número quântico principal, inteiro, cujo valor é o quadrado da série natural dos números de 1 a 7.
Assim, K = 1² = 1; L = 2² = 4; M = 3² = 9; N = 4² = 16; O = 5² = 25; P = 6² = 36 e Q = 7² = 49.
 O número quantico ou nível quântico principal é designado pela letra n e é uma grandeza
escalar, isto é, não tem sentido e nem direção, como a grandeza vetorial.
 Quando se expressa a idéia de um elétron estar girando em uma orbital, está-se expressando a
probabilidade desse elétron se encontrar, em um determinado instante, em um, também, determinado
ponto, na orbital a qual ele pertence. Os elétrons que podem ser considerados móveis são os de
valências ativas, isto é, de valências livres. Eles são considerados fixos quando estão compondo uma
unidade neutralizada de par de deutérios que forma a estrutura de um deuterótomo. Porém, mesmo
fixos, eles podem sofrer ação da temperatura e alterar a sua distância em relação ao próton com o
qual forma par. O número quântico é um nível de referência em termos de localização do elétron na
orbital e pode ser designado por nível quântico, sem alterar o conceito de número quântico. Os
níveis quânticos principais dos primeiros 94 elementos químicos estão representados no gráfico que
se segue, nos respectivos pontos de fusão e de ebulição.
 
 
 Fig. 2.11 - Níveis Quânticos Principais (linhas retas), à direita, e os Níveis Quânticos
Secundários das camadas de elétrons dos elementos químicos, de 1 a 94, nos seus respectivos pontos
de fusão (círculo) e de ebulição (quadrado), à esquerda.
 
 
 O nível onde o elétron se encontra também se relaciona com o nível de energia de que é dotado,
nesse ponto. Assim, o nível quântico do átomo de hidrogênio não pode ser o mesmo quando esse
mesmo átomo se encontra no seu ponto de fusão ou no seu ponto de ebulição. Em princípio, quanto
mais próximo do próton o elétron se encontrar maior tendência terá de entrar em repouso ou de ter
menos energia. Assim, é de se admitir que o elétron do átomo de hidrogênio se encontre mais
próximo do próton quando está a uma temperatura igual à do seu ponto de fusão do que quanto se
encontra naquela igual ao do seu ponto de ebulição. O mesmo deve acontecer com os elétrons das
valências livres dos deuterótomos.
 
2.52. – Níveis Quânticos Secundários
 Dependendo da temperatura a que estão exposto os átomos de hidrogênios leve, pesado e
superpesado e os deuterótomos que vão desde o hélio-4 até o plutônio-239, os níveis quânticos
podem estar abaixo ou acima do estabelecido pelos quadrados dos números inteiros de n. Um
pequeno quadro demonstrativo dos níveis quânticos principais e secundários do hidrogênio leve e do
hélio-4 mostra que os elétrons ocupam distâncias diferentes entre eles e os prótons, quando em
temperaturas diferentes, como nos seus respectivos pontos de fusão e de ebulição.
 
 
 Níveis Quânticos da camada K
 Hidrogênio Hélio
Principal 1 1
Secundário, no P. Fusão 0,81 0,03745
Secundário, no P. Ebulição 0,83626 0,165
 
 
 Nos dois elementos químicos, os elétrons nos Pontos de Fusão estão mais próximos dos seus
respectivos prótons e, portanto, menos excitado do que quando se encontram à temperatura dos seus
respectivos Pontos de Ebulição.
 
 
 Fig. 2.12 - Gráfico monstra as significativas diferenças entre os níveis quânticos secundários
nas temperaturas dos pontos de fusão e de ebulição do hidrogênio leve e do hélio-4.
 
 Pode-se observar que os elétrons do gás nobre hélio-4 não adquirem altos níveis energéticos,
tanto no ponto de fusão quanto no de ebulição. Esse fato é comum, também, para os demais gases
nobre. O elétron do hidrogênio, à temperatura do ponto de fusão quase alcança o valor do nível
quântico principal. Um outro gráfico, a título de ilustração, mostra essa significativa diferença de
níveis quânticos secundários de um gás comum, como o hidrogênio leve e o gás nobre hélio-4.
 
 Seguem gráficos demonstrativos dos Níveis Quânticos Principais, onde n é inteiro, e dos Níveis
Quânticos Secundários, nos pontos de fusão e de ebulição dos gases hidrogênio e hélio, no primeiro
gráfico; nos demais, estão os pertencentes às demais camadas eletrônicas ou orbitais. Os Níveis
Quânticos não alcançam o valor escalar do Principal a essas duas temperaturas, nas séries K, L, M,
N, O e Q, porém ultrapassam esse Nível, na série da camada P.
 Fig. 2.13 - Níveis Quânticos Secundários dos elementos da camada K (H1 e He2) nos Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 
 
 Fig. 2.14 – Níveis Quanticos Secundários dos elementos da camada L (Li3, Be4, B5, C6, N7,
O8, F9 e Ne10) nos Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 2.15 – Níveis Quânticos Secundários dos elementos da camada M (Na11, Mg12, Al13, Si14, P15, S16, Cl17 e Ar18) nos
Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 
 
 
 Fig. 2.16 – Níveis Quânticos Secundários dos elementos da camada N (K19, Ca20, Sc21, Ti22, V23, Cr24, Mn25,Fe26, Co27,
Ni28, Cu29, Zn30, Ga31, Ge32, As33, Se34, Br35 e Kr36), nos Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 
 
 
 
 Fig. 2.17 – Níveis Quânticos Secundários dos elementos da camada O (Rb37, Sr38, Y39, Zr40. Nb41, Mo42, Tc43, Ru44,
Rh45, Pa46, Ag47, Cd48, In49, Sn50, Sb51, Te52, I53 e Xe54), nos Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 Fig. 2.18 – Níveis Quânticos Secundários dos elementos na camada P (Cs55, Ba56, La57, Ce58, Pd59, Nd60, Pm61, Sm62,
Eu63, Gd64, Tb65, Dy66, Ho67, Er68, Tm69, Yb70, Lu71, Ha72, Ta73, W74, Re75, Os76, Ir77, Pt78, Au79, Hg80, Tl81, Pb82, Bi83,
Po84, At85 e Rn86) nos Pontos de Fusão e de Ebulição.
 
 
 
 
 Fig. 2.19 – Níveis Quânticos Secundários dos elementos da camada Q (Fr87, Ra88, Ac89, Th90, Pa91 e U92) nos Pontos de
Fusão e de Ebulição.
 
 Foram incluídos os elementos de 110 a 118, no momento, hipotéticos, para atender a
proporcionalidade do gráfico, visto que a camada Q, teoricamente, pode comportar 32 elementos, a
partir do frâncio. Os gases nobres mostram os seus pequenos Níveis Quânticos Secundários nos
Pontos de Fusão e de Ebulição, bem menores do que os encontrados nos metais alcalinos (Li3, Na11,
K19, Rb36, Cs55 e Fr87). O mercúrio é, também, um elemento de baixos Níveis Quânticos
Secundários, tanto no Ponto de Fusão quanto no de Ebulição.
 Os Níveis Quanticos Secundários, nos Pontos de Fusão e de Ebulição, da série da camada
eletrônica P, ultrapassam o Nível Quântico Principal da sua série, porém não ultrapassam uma linha
que liga todos os valores máximos dos Níveis Quânticos Principais, dos elementos, do 1 ao 49.
 À medida que se aumenta a temperatura de um elemento químico, desde o Ponto de fusão até o