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TEMA 8 RADIAÇÃO ELETROMAGNETICA E NUCLEAR 1. Modelos atómicos 2. Radiações: Radiação atómica e radiação nuclear 3. Radioatividade 1.1 Modelos atómicos Toda carga acelerada (freada ou com mudança na sua direção) emite radiação eletromagnética ou fótons Modelo atómico de Rutherford Os elétrons orbitam ao redor do núcleo (modelo planetário) Modelo de Bohr (Inicio da mecânica quântica) O elétron orbita em torno ao núcleo em certas orbitas estáveis (sem radiar energia). O elétron apenas emite radiação ao mudar de uma orbita com energia Ei para uma outra orbita com energia menor Ef. INCONVENIENTE: Os elétrons orbitando em torno ao núcleo estão acelerados Emitiriam radiação eletromagnética, perdendo energia até colapsar com o núcleo A matéria não existiria. Energia fóton i fhv E E 2.1 Radiação atómica Todo átomo ou molécula pode: • Absorber energia Espectro de absorção • Emitir energia Espectro de emissão Exemplo cotidiano (Lâmpada de gás na cozinha, lâmpadas de Na na rua, lâmpadas de Ne): Uma corrente elétrica excita os elétrons dos átomos/moléculas do gás. Posteriormente, os elétrons voltam a seu nível energético inicial emitindo radiação eletromagnética. Para estudar a presença de certos átomos ou moléculas na matéria Se estuda seu espectro: Energias emitidas ou absorbidas pelos átomos/moléculas que compõem a amostra Exemplo: Espectroscopia astronómica Analisar a composição química das estrelas/planetas no Universo. Outros exemplos: Espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho, de raios X, fotoacústica, de absorção molecular... Os átomos/moléculas absorbem/emitem fótons de energia E = hn, onde h é a constante de Planck (h = 6.6x10-34 Js) e n é a frequência do fóton. 2.2 Radiação átomo de hidrogênio A radiação emitida pelos átomos (elétrons) pode ser analisada Espectro de emissão Cada átomo/molécula tem seu espectro atómico característico. O espectro mais simples é o espectro do átomo de hidrogênio (emissão/absorção de um único elétron!), o qual tem parte da sua emissão no visível (visível para o olho humano). 2.3 Radiação atómica. Raios X Toda carga desacelerada LIVRE (freada ou com mudança na sua direção) emite radiação eletromagnética ou fótons. Tubo de raios X: 1. Corrente eletrônica que sai do filamento. Os elétrons atravessam o vácuo no tubo até atingir o ânodo mediante uma voltagem. 2. Os elétrons do feixe são repentinamente freados ou desviados (desacelerados) pelos átomos do ânodo e portanto emitem radiação eletromag. (perda de E. cinética) Radiação de freado (Bremsstrahlung) Raios X contínuos 3. Por acaso, Wilhelm Röntgen (1895) descobriu que essa radiação eletromagnética era capaz de imprimir películas fotográficas. Como ele não sabia de que estava composta aquela radiação, ele a chamou Raios X 4. Se a voltagem no tubo for alta, os elétrons que batem no alvo podem ejetar elétrons internos dos átomos do ânodo. Essa vacante é preenchida por elétrons de outras camadas emitindo Raios X característicos (desse átomo) 2.4 Radiações eletromagnéticas • Radiação não-ionizante Radiação de baixa energia emitida geralmente por cargas LIVRES oscilantes (aceleradas e desaceleradas antenas emissoras). • Radiação ionizante Radiação de alta energia emitida por transições entre níveis energéticos eletrônicos ou tipicamente nucleares. 2.5 Radiação nuclear • Energias atómicas Elétrons de valência envolvidos nas reações químicas Energias típicas de 1,6x10-19 J, que equivale a 1 eV (eletronVolt). Exceto raios X característicos Energias típicas de keV • Energias nucleares Energias típicas de Mev = 106 eV (Um milhão de vezes maior!! Usinas nucleares) • Radiação nuclear: • Radiação alfa: Núcleos de Hélio • Radiação beta: Elétrons ou pósitrons • Radiação gama: Fótons altamente energéticos (Mev) 3.1 Notação Núcleos atómicos Representados pelo número Z (número de prótons) e pelo número A (número de nucleões: prótons + nêutrons). Portanto, N = A - Z é o número de nêutrons. • Isótopos Mesmo elemento (Z) com diferente número A (ou N). • Isótonos Diferentes elementos com igual número de nêutrons (N). 1 1 2 1 3 1 Hidrogênio Deuterio Tritio (Radioativo) A Z H X H H 206 204 82 80 e Pb Hg 3.2 Estabilidade nuclear Para serem mais estáveis (maior energia de ligação): • Os núcleos leves se fusionam (Energia solar) • Os núcleos pesados de fissionam (Central nuclear) Reações exotérmicas Liberação de E • Bomba de fissão nuclear • Bomba de fusão nuclear 1 4 1 24 2 2 26.7MevH He e v 235 95 139 2 198MevU n Sr Xe n No Sol T=15x106 K U enriquecido 3.3 Por quê da radioatividade? Prótons Carregados positivamente Repulsão eletrostática Para que o núcleo seja estável, a força nuclear forte deve ser maior do que a repulsão eletrostática Acrescentar nêutrons no núcleo (por isso N > Z na figura) Muitos prótons no núcleo Instável (Repulsão eletrostática > Força nuclear forte) Decaimento beta+ para converter prótons em nêutrons e que força nuclear forte ganhe a repulsão eletrostática: Porém... Muitos nêutrons no núcleo Instável (A força nuclear forte satura porque não tem alcance suficiente para manter tantos nucleões) Decaimento beta- para converter nêutrons em prótons: p n e v n p e v Radioisótopos: Para um Z determinado, todos os elementos por acima e por baixo (linhas verticais) da linha de estabilidade Elementos radioativos! 3.4 Decaimentos radioativos • Decaimento alpha As partículas alpha são núcleos de átomos de Hélio • Decaimento beta- As partícula beta- são elétrons • Decaimento beta+ As partícula beta+ são pósitrons • Decaimento ou emissão gama Os raios gama são fótons de alta energia 226 222 4 88 86 2Ra Rn He 60 60 27 28Co Ni e v 22 22 21 20Na Ne e v 137 137 137 137 55 5 56 56* *Cs Ba e v Ba Ba Antineutrino Raio gama: Fóton altamente energético porque é gerado a partir de uma des-excitação NUCLEAR, não atómica! Neutrino Os decaimentos radioativos são de natureza probabilística!
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