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E R V I Ç O P Ú B L I C O F E D E R A L U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D O P A R Á C A M P U S U N I V E R S I T Á R I O D O G U A M Á INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS Campus Universitário do Guamá. Caixa Postal 1611 - CEP 66075-110 / Belém/PA – Brasil Tel: (91) 3201-7107 • Fax: (91)3201-7609 • E-mail: dirig@ufpa.br Revisão: intRodução ao estudo do núcleo atômico PRof. doRsan moRaes 1. INTRODUÇÃO AO ESTUDO DO NÚCLEO ATÔMICO A partir do século XX, a química nuclear vem demonstrando um papel muito importante na vida do homem, desde a geração de energia ( a ), passando pela medicina onde exibe comportamento promissor no tratamento do câncer e para produzir imagens de órgãos internos de corpos vivos ( b ), na química aplicada onde é usada na investigação de mecanismos de reações e identificação de elementos e compostos ( c ), na geologia e arqueologia para datação de indeterminados por isotopia ( d ), e nas estratégias militares para defesa de nações. Partindo do princípio que todo o estudo da química nuclear aborda seu lado crítico, como a produção e destinação dos resíduos tóxicos, outro exemplo interessante de ser conhecido trata-se da Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN), principal técnica utilizada na identificação de compostos orgânicos e líder na determinação de suas estruturas, além de atualmente, estar sendo usada para identificação de elementos inorgânicos (29Si, 27Al, 19F) em materiais de ocorrência natural. O estudo da RMN começou com o físico holandês Pieter Zeeman, foto ao lado, na virada do século XIX, ele descobriu que certos núcleos apresentavam perturbações quando submetidos a fortes campos magnéticos. Porém, a técnica só veio a se tornou útil a partir dos anos 50, nos anos seguintes revolucionou totalmente o estudo da química orgânica. Fonte das imagens: Google. Na estrutura do átomo, temos: • Número atômico (Z) – representa o número de prótons ou o número da carga do núcleo (identifica o átomo). Ex: 1H; 3Li; 8O • Número de neutrons (N) – representa o número de neutrons presentes em um núcleo. ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 2 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico • Número de massa ou massa atômica nominal (A) – representa a soma do número de neutrons e prótons no núcleo, A = Z + N (permite a identificação do isótopo). Ex: 1H; 2H (D); 12C; 13C # 1 uma (unidade de massa atômica) = 1/12 da massa do carbono 12 (1,661 x 10-27 Kg). De maneira semelhante à estrutura do átomo, o núcleo de certos nuclídeos (isótopos) possui também número de massa. Quando este número é ímpar significa que este elemento apresenta uma carga e também possui spin nuclear (I) que resulta desta forma num momento angular coforme é observado na tabela abaixo. Números quânticos de spin de alguns núcleos Elemento 11H 12H 612C 613C 714N 816O 817O 919F Número quântico de spin nuclear (I) 1/2 1 0 1/2 1 0 3/2 1/2 Número de estados de spin 2 3 0 2 3 0 6 2 Quando um núcleo que possuí carga (I ≠ 0) ele gira ao redor de si mesmo e gera um pequeno campo magnético cuja direção coincide com a direção do eixo de spin o que lhe confere propriedades de uma pequena barra magnética. Este núcleo sofrendo a influencia (orientação) de um forte campo magnético externo (β0), tem-se a origem do sinal de RMN. Pois, no momento em que uma amostra é colocada na presença de um campo, os núcleos tendem a alinhar seu momento magnético ao logo da direção do campo externo e as diversas orientações frente ao campo são dadas pela fórmula “2I + 1”. A Sem campo magnético B Com campo magnético externo β0 β α α α β β α 3 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Então para o próton (1H), por exemplo, temos, I = ½, 2(1/2) + 1 = 2 O resultado da expressão significa as orientações que o próton pode assumir, assim temos: a) Próton alinhado paralelamente ao campo externo (estado α de spin). b) Próton alinhado antiparalelamente ao campo externo (estado β de spin). Quando este alinhamento acontece dizemos que o núcleo está em ressonância com a radiação eletromagnética. Porém, esses alinhamentos frente ao campo não apresentam a mesma energia conforme pode ser visualizado na figura abaixo. Um esquema geral da obtenção do espectro de RMN pode ser visualizado na figura abaixo. E N E R G I A ∆E ∆E ∆E B0 = 1,41 Tesla (60 MHz) B0 = 7,04 Tesla (300 MHz) B0 = 0 Estado α do spin Estado β do spin 4 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Espectro de RMN de 1H do etanol 2. A NATUREZA DO NÚCLEO E O DECAIMENTO NUCLEAR ESPONTÂNEO Os núcleos dos átomos possuem partículas eletricamente carregadas, prótons, comprimidos em um pequeno volume. Mesmo assim, a maioria dos núcleos sobrevive indefinidamente apesar das imensas forças repulsivas que existem entre os prótons. Porém, em alguns casos, a repulsão que os prótons exercem um sobre o outro supera a força que mantém o núcleo unido, então fragmentos de núcleo são ejetados e ocorre o chamado “decaimento do núcleo”. A primeira evidência da instabilidade nuclear veio a partir da observação da radiação que certos núcleos emitem quando decaem. Em 1896, o cientista francês Antoine Henri Becquerel envolveu e guardou uma amostra de óxido de urânio em uma gaveta que continha algumas placas fotográficas. Ele ficou intrigado ao ver que o composto de urânio havia escurecido as placas fotográficas que haviam sido guardadas junto com a amostra de óxido, apesar da mesma estar envolvida por uma cobertura protetora. Becquerel percebeu que algum tipo de energia deveria ter sido emitida pelo composto de urânio, ele chamou essa energia de radioatividade. Marie Sklodowska (mais conhecida como Marie Curie, nome aceito após casamento), foto ao lado, foi uma jovem cientista polonesa que durante seus estudos de doutorado, mostrou que a radiação era independente do estado de combinação química do urânio. Ela concluiu que a fonte deveria ser oriunda dos próprios átomos de urânio. Junto com seu marido Pierre Curie, ela mostrou que o tório, o rádio e o polônio também eram radioativos. Fonte das imagens: Google. 5 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico A origem dos raios era inicialmente um mistério, a existência do núcleo atômico era desconhecida até aquele momento. Em 1898, o físico e químico neozelandês Ernest Rutherford deu os primeiros passos para a descoberta de sua origem, quando identificou três diferentes tipos de radioatividade através da observação do efeito do campo elétrico sobre emissões radioativas conforme esquema ilustrado no desenho abaixo. Rutherford observou que um dos tipos de radiações eram atraídas para um eletrodo carregado negativamente. Ele propôs que se tratava de partículas carregadas positivamente, as quais ele chamou de partículas α. A partir da carga e da massa das partículas, ele as identificou como átomos de hélio que tinham perdido dois elétrons. Podemos pensar nela como sendo dois prótons e dois nêutrons fortemente ligados. E.g.Rutherford também encontrou outro tipo de radiação que era atraído ao eletrodo carregado positivamente, e propôs que consistia de um feixe de partículas carregadas negativamente. Através da medida da carga e da massa dessas partículas, mostrou que eram elétrons. Os elétrons de alta velocidade emitidos pelo núcleo foram chamados de partículas beta, representadas como β-. Devido à partícula β não possuir prótons ou nêutrons, seu número de massa é 0. O terceiro tipo de radiação que Rutherford identificou (1900) denominada de radiação γ, que não era afetada pelo campo elétrico. Ela é uma radiação eletromagnética semelhante à luz, mas com uma frequência muito mais alta (maior que 1020 Hz). A radiação gama pode ser considerada como sendo um feixe de fótons de energia muito alta, cada fóton é emitido por um núcleo quando o descarrega energia. A frequência, ν, dos raios γ é dada pela relação ν = ∆E/h, onde ∆E é a energia emitida pelo núcleo. A frequência é muito alta devido à diferença de energia entre os estados nucleares excitado e fundamental ser muito grande. 6 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Um resumo das propriedades dessas radiações são observadas na tabela abaixo. Elementos mais pesados são mais propensos a fornecer radiação α, enquanto que a radiação β é típica de elementos mais leves. Ambas são frequentemente acompanhadas pela radiação γ, porque o novo núcleo pode ser formado com seus núcleons em um arranjo de alta energia. O fóton de raio γ é emitido quando os núcleos decaem para um estado de energia mais baixa. 2.1. O experimento de Rutherford (1911) O físico britânico Joseph John Thomson tinha sugerido um modelo de átomo como uma bolha positivamente carregada de material gelatinoso com os elétrons suspensos nela denominado de “modelo do Pudim de Passas”. Porém com seu experimento, Rutherford sugeriu uma nova teoria abandonando o modelo previamente proposto. Rutherford já sabia que alguns elementos emitiam feixes de partículas carregadas positivamente (Partículas α). Desta forma, Rutherford pediu a Hans Geiger e Ernest Mardsen que atirassem essas partículas contra uma finíssima lâmina de Au (104 átomos de espessura). • Conclusões sobre o experimento de Rutherford: A observação tirada do experimento foi que a maioria das partículas atravessava a lâmina do metal sem sofrer nenhum desvio, algumas outras eram refletidas mais de 90° (1 em 20 000), e outras percorriam trajetória exatamente oposta, em direção à fonte. Assim, Rutherford sugeriu um novo modelo baseado em uma região do espaço, onde há uma densa carga positiva central circulada por um grande volume de espaço vazio chamado por ele de núcleo atômico. O experimento de Rutherford possibilitou ainda a medida do tamanho do núcleo, que é de aproximadamente 10-12 cm de diâmetro. Esquema do experimento de Rutherford 7 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Aparato utilizado para a determinação do núcleo atômico Ernest Rutherford Fonte das imagens: Google. 2.1.1. Tamanho do Núcleo A primeira indicação do tamanho do núcleo também foi obtida com o experimento de Rutherford, pois ele tinha observado que: - Quando uma partícula α é desviada num ângulo de 180º, logicamente ela tinha uma trajetória de colisão com o núcleo. - Neste caso a partícula aproximou-se até o ponto que a força de repulsão Coulômbica se tornasse igual à energia cinética da partícula. 𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹𝑹ã𝒐𝒐 𝒄𝒄𝒐𝒐𝑹𝑹𝑹𝑹ô𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒄𝒄𝒎𝒎 = 𝒛𝒛 𝒁𝒁𝑹𝑹𝟐𝟐 𝟒𝟒𝟒𝟒 𝜺𝜺𝟎𝟎 𝒓𝒓𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 Onde: z = número atômico da partícula α Z = número atômico do elemento alvo e = carga do elétron 𝜺𝜺0 = permissividade no vácuo 𝑬𝑬𝒎𝒎𝑹𝑹𝒓𝒓𝑬𝑬𝒎𝒎𝒎𝒎 𝒄𝒄𝒎𝒎é𝒕𝒕𝒎𝒎𝒄𝒄𝒎𝒎 = 𝟏𝟏 𝟐𝟐 𝒎𝒎𝜶𝜶 𝒗𝒗𝟐𝟐 - Igualando as expressões foi possível calcular o raio mínimo do núcleo que é da ordem de 10-15m. 𝟏𝟏 𝟐𝟐 𝒎𝒎𝜶𝜶 𝒗𝒗𝟐𝟐 = 𝒛𝒛 𝒁𝒁𝑹𝑹𝟐𝟐𝟒𝟒𝟒𝟒 𝜺𝜺𝟎𝟎 𝒓𝒓𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 # 𝒓𝒓𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎 = 𝒛𝒛 𝒁𝒁𝑹𝑹𝟐𝟐𝟐𝟐𝟒𝟒 𝜺𝜺𝟎𝟎 𝒎𝒎𝜶𝜶 𝒗𝒗𝟐𝟐 # O estudo inicial de Rutherford atualmente pode ser entendido considerando o caso especial do “empacotamento” onde o volume nuclear é diretamente proporcional ao número total de prótons e nêutrons no núcleo que se unem como se fossem esferas rígidas, fazendo do volume nuclear total à soma dos volumes individuais dos prótons e nêutrons. 8 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico 2.1.2. Massas Nucleares Rutherford foi o primeiro a supor a existência de uma partícula nuclear neutra, mas foi o físico britânico James Chadwick (1932), foto ao lado, colaborador de Rutherford, quem identificou essa partícula como um produto do bombardeamento de átomos de berílio com partículas α, a qual passou a ser conhecida por “nêutron”, devido ao fato de não ter carga elétrica. Pela sua descoberta, divulgada à comunidade científica na obra "Possible Existence of Neutron", obteve em 1935 o Nobel de Física. Assim, a massa do neutron foi estimada ser um pouco menor que a soma da massa do próton e de um elétron. Esses estudos sobre o núcleo atômico permitiram concluir inicialmente que os núcleos eram formados apenas por prótons e nêutrons, partículas denominadas como “núcleons”. Com o desenvolvimento de aparelhos de espectroscopia de massa de alta resolução, fez com que os cientistas medissem a massa atômica com notável acuracidade, e isso torna possível explicar porque as massas atômicas não interagem exatamente. Cada massa é um pouco menor que a soma das massas dos núcleons presentes individualmente. De acordo com a teoria de Einstein sobre a relatividade, estas diferenças de massa tem energia equivalente à energia nuclear de ligação. Outro termo muito empregado no estudo do núcleo atômico é o que chamamos de “nuclídeo”, que é uma única espécie atômica com particular valor de A e Z. Porém, nuclídeos com a mesma identidade química (ou seja, mesmo valor de Z), assim, os nuclídeos passaram a ser mais conhecidos como “isótopos”. Ex: 11H, 12H, 13H, 816O, 817O, 818O Com a construção e posterior aperfeiçoamento de potentes aceleradores de partículas possibilitou que pequenos fragmentos de átomos fossem acelerados de modo a colidirem com o núcleo e esses viessem a se fracionar, permitiu dessa forma que os físicos modernos observassem que o núcleo dos átomos não era constituído somente de prótons e nêutrons. Os desenvolvimentos dessas máquinas ganharam atenção a partir de 1928, quando o físico russo naturalizado norte americano George Anthony Gamow, foto ao lado, utilizou a idéia do tunelamento quântico para solucionar a teoria do decaimento alfa dos núcleos, pois, na mecânica quântica estudada na época, já era explicada a possibilidade da partícula ser emitida do núcleo atômico e escapar, apesar da grande quantidade de energia necessária para vencer o elevado potencial do átomo. Desta forma, Gamow encontrou um modelo para o potencial nuclear. Com isso foi possível acreditar que a partícula alfa com baixa energia poderia tunelar a barreira coulombiana com uma pequena, mas razoável chance de penetrar no núcleo. Em 1932, o cientista britânico John Douglas Cockcroft, foto a esquerda, e o irlandês Ernest Thomas Sinton Walton conseguiram transmutar átomos de lítio e boro utilizando prótons de alta energia e em 1933 produziram radioatividade artificial por prótons e executaram muitas transmutações produzidas por prótons e dêuterons. Fonte das imagens: Google. 9 Prof. Dorsan Moraes Revisão:Introdução ao estudo do núcleo atômico Um microscópio (foto ao lado) focado numa pequena tela cintilante operado pelo próprio Ernest Walton revelou a primeira evidência de uma desintegração artificial. A pesquisa em Física Nuclear e a construção de aceleradores de partículas no Brasil acompanham a tendência mundial e o país do carnaval também entra nessa corrida com o acelerador de indução magnética betatrón, que pertence ao grupo de máquinas idealizadas para acelerar partículas carregadas até elevadas energias*, foto abaixo. Fonte das imagens: Google. Nota: * O Equipamento foi inventado em 1941 por Donald W. Kerst na Universidade de Illinois EUA. O betatrón construído em 1945 acelerava elétrons até uma energia de 108 eV. A fragmentação do núcleo a partir das colisões permitiu a identificação de várias outras partículas nucleares como pode ser observado na tabela a seguir. Algumas consistem de partículas que se movem rapidamente, tais como nêutrons ou prótons. Outras consistem de antipartículas (partículas com uma massa igual à de uma partícula subatômica, mas com uma carga oposta) que se movem rapidamente, como por exemplo, o pósitron, e+, que possui a massa de um elétron, mas com carga positiva. Quando uma antipartícula encontra com a partícula correspondente, ambas são aniquiladas convertendo-se completamente em energia. 10 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Partículas subatômicas de relevância para a química. Partículas constituintes do núcleo atômico Símbolo Massa (uma) n° massa Carga Protón p 1,007276 1 + 1 Neutron n 1,008665 1 0 Fóton γ 0 0 0 Neutrino ν 0 0 0 Pósitron e+ 5,486 x 10-4 0 +1 Partículas alfa α Núcleos 24He 4 +2 Partículas beta β e- ejetados do núcleo 0 -1 Fóton γ Radiação eletromagnética emitida do núcleo 0 0 Mésons π π+ = π- = 273e- π0 = 264e- 0 +1, -1, 0 2.1.3. Forma do Núcleo A maioria dos núcleos existentes na tabela periódica são esféricos o que faz com que estes exerçam sobre os elétrons uma força dada pela lei de Coulomb, contudo se os prótons e nêutrons não estiverem agrupados segundo uma distribuição esférica, estes podem se distorcer tomando a forma de uma esfera alongada (como uma bola de futebol americano) ou um achatamento nos pólos (como uma maçaneta de porta). Um dos modelos mais comuns que descrevem o formato do núcleo é o modelo da “gota de um líquido” (ou de uma pêra como atualmente está sendo apontado), figura abaixo, pois uma pequena gota de um líquido é quase esférica onde essa forma é mantida graças às forças de curto alcance que é a atração entre as moléculas vizinhas. As moléculas que se encontram na parte externa da gota só sentem essa força de atração de um lado: é o efeito da tensão superficial. Uma gota maior de um líquido se torna alongada e basta uma pequena perturbação para destruí-la. Fonte das imagens: Google. De maneira análoga, o núcleo é mantido por forças de curto alcance que quando comparada ao efeito da tensão superficial na gota de um líquido assegura a esfericidade dos núcleos pequenos. À medida que a massa do núcleo aumenta, a repulsão entre os prótons aumenta mais rapidamente que as forças de atração. Para minimizar as forças de repulsão, o núcleo se deforma de modo análogo ao alongamento observado numa grande gota de um líquido. 11 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Esse modelo foi proposto por Niels Bohr para explicar a ocorrência da fissão nuclear em núcleos pesados. Essas exceções são comuns para os elementos conhecidos como “terras raras” (Z = 57 até 71) em diante. Cientistas da Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear (CERN, na sigla em inglês) já confirmaram o modelo da gota de um líquido nos núcleos atômicos do rádio 224 e do radônio 220, além do rádio 226 – primeiro a ser descoberto com esse formato, nos anos 90. Como consequência dessas distorções, estes núcleos acabam apresentando um momento quadrupolar elétrico sobre os elétrons o que acaba se somando a atração coulômbica, tendo então nestes núcleos um efeito diferenciado dos núcleos esféricos. A maneira pela qual é determinada a forma do núcleo é feita por uma função de onda da mesma forma que o formato atômico se relaciona com as funções de ondas eletrônicas, exceto porém, que o núcleo tem uma função de onda muito mais complicada. 2.1.4. Forças Nucleares Os prótons tem carga positiva. Em qualquer núcleo contendo dois ou mais prótons, haverá repulsão eletrostática entre as partículas de mesma carga. Num núcleo estável, as forças de atração devem ser maiores que as forças de repulsão. Num núcleo instável, as forças repulsivas são maiores que as forças de atração, e o núcleo pode sofrer um processo de fissão espontânea. As forças de atração no interior do núcleo não podem ser de natureza eletrostática por dois motivos: a) Não existem partículas com cargas opostas no interior do núcleo. b) As forças são de curtíssimo alcance, agem em distancias de 2 a 3x10-15 m. Assim, se as partículas intranucleares forem afastadas por uma distância maior que a descrita no item b, a força de atração desaparece. Como as forças eletrostáticas diminuem lentamente em função da distância, as forças de atração independem da carga, pois são capazes de ligar prótons com prótons, prótons com nêutrons e nêutrons com nêutrons. Dois átomos podem se ligar compartilhando elétrons, pois a interação de forças leva a formação de uma ligação covalente. Por analogia, duas partículas intranucleares podem se ligar compartilhando uma partícula onde esta partícula compartilhada é o méson (π). Os mésons podem ter carga positiva, π+, carga negativa, π-, ou ser neutra, π0. Assim, um intercâmbio de mésons π+ e π- é responsável pela energia de ligação nuclear entre prótons e nêutrons, intercâmbio este conhecido como “ressonância por compartilhamento de mésons”, assim, prótons e nêutrons estão se interconvertendo um no outro continuamente conforme esquema abaixo. N P P N π- π+ P N N P P P N N π0 π0 P P N N As forças de atração entre P-N, N-N e P-P são provavelmente de mesma intensidade. Os diferentes tipos de mésons possuem massas similares. A massa de um méson π0 é 264 vezes maior que a massa de um elétron e todos os mésons são muito instáveis fora do núcleo. 12 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico As transformações de nêutrons em prótons são reações de primeira ordem onde num núcleo estável, essas reações estão em equilíbrio. Para se entender melhor esse fenômeno é necessário que se busque alguns conceitos mais aprofundados da Física Nuclear. Ao tentar isolar os menores componentes da matéria, os físicos descobriram várias séries de partículas elementares, dentre estas, seis tipos de quarks, chamados "up" (para cima, em inglês), "down" (para baixo), "charm" (encanto), "strange" (estranho), "top" (em cima) e "bottom" (embaixo), as quais fazem parte dos componentes básicos ou "tijolos elementais" da matéria, como o elétron e seus irmãos, o múon e o tau, e três tipos de neutrinos conforme esquema apresentado a seguir. Estas 12 partículas interagem entre si, por intermédio de mensageiros, chamados bósons. Um deles é o fóton, que porta a radiação eletromagnética, e outro é o glúon, que proporciona a coesão dos núcleos atômicos.Para melhor entendimento o esquema abaixo apresenta estas partícusa subdivididas em categorias de atuação. __________________________________________________________________________ Nota. Os quark, na física de partículas, é um dos dois elementos básicos que constituem a matéria (o outro é o lépton) e é a única, entre as partículas, que interage através de todas as quatro forças fundamentais. O quark é um férmion fundamental com carga hadrónica ou cor. O campo hadrônico é também chamado de força nuclear forte. 13 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico O fóton, que viaja a velocidade da luz, não tem massa. No entanto, nossa experiência nos faz sentir a presença da matéria, composta por átomos e, portanto, também quarks e elétrons. De onde vem essa massa? Os cientistas explicam que não provém propriamente das partículas. Em 1964, por dedução, o físico britânico Peter Higgs postulou que existia o bóson que hoje leva seu nome e que devia dar sua massa a outras partículas. "A ideia é que existem partículas que se chocam permanentemente com bósons de Higgs. Estes choques freiam seu movimento, que se torna mais lento, e dão a eles a aparência de uma massa", explica o físico e filósofo francês Etienne Klein, foto ao lado, professor de física quântica na École Centrale, em Paris. No "modelo padrão", a teoria da estrutura fundamental da matéria elaborada nos anos 60 para descrever todas as partículas e forças do universo, o bóson de Higgs é considerado a partícula que proporciona sua massa a todas as demais. As duas classes de hádrons são os bárions e os mésons (ilustração abaixo). Os bárions são partículas em cuja composição existem três quarks ( qqq ). A antipartícula dos bárions são os anti- bárions, em cuja composição existem três antiquarks ( qqq ). Os mésons são partículas subatômicas compostas por um par de quark-antiquark ( qq ) geradas por colisões entre partículas que possuem altas energias. Alguns dos principais bárions e mésons estão apresentados na tabela a seguir. FÉRMIONS - HADRONS - BÁRIONS E ANTIBÁRIONS Símbolo Nome Quarks Carga elétrica Massa (Gev/c2) Spin p próton uud 1 0,938 1/2 p anti-próton uud -1 0,938 1/2 n nêutron udd 0 0,940 1/2 ˄0 lâmbda uds 0 1,116 1/2 Ω-1 ômega sss -1 1,672 3/1 HÁDRONS - BÓSONS - MÉSONS Símbolo Nome Quarks Carga elétrica Massa (Gev/c2) Spin π+ píon ud +1 0,140 0 k- káon su -1 0,494 0 p+ rhô ud +1 0,770 1 φ phi ss 0 0,102 0 D D + Cd +1 1,869 0 ηc eta-c cc 0 2,979 0 Fonte das imagens: Google. 14 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Os bárions são férmions, desta forma possuem número quântico de spin semi-inteiro, por exemplo, 1/2 e 3/2, ou seja, obedecem ao princípio de exclusão de Pauli. Os mésons têm spin inteiro e, portanto, são bósons. Frequentemente, o méson (quark e antiquark) não ocorre isoladamente, mas, em vez disso, mistura-se com outros de modo a que os quarks fiquem com uma sobreposição (os mais semelhantes em massa misturam-se mais). Os Mésons mesoscalares (de spin 0) têm a energia mais baixa, e o quark e o antiquark têm spin oposto; nos Mésons vetoriais (de spin 1), o quark e o antiquark têm spin paralelo. Ambos surgem em versões de maior energia quando o spin é aumentado por momentum angular orbital. A maior parte da massa de um Méson provém da energia de ligação e não da soma das massas dos seus componentes. Um resumo deste comportamento pode ser entendido observando o esquema a seguir. Noneto mesônico de spin 0. Noneto mesônico de spin 1. Fonte das imagens: Google. 15 Prof. Dorsan Moraes Revisão: Introdução ao estudo do núcleo atômico Apesar desse conhecimento bem mais aprofundado, no Brasil a nível multidisciplinar, o entendimento matemático de como um núcleo se mantém coesos, pode ser relacionado com o balanço obtido a partir de uma partícula α. • Medidas de massas de nucleons isolados. 2 nêutrons = 2 x 1,008665 uma = 2,017330 uma 2 prótons = 2 x 1,007276 uma = 2,014552 uma massa total = 4,031882 uma Todavia, a massa real das partículas α é 4,00151 uma. O defeito da massa é a diferença entre a massa obtida da soma das massas individuais das partículas nucleares do resultado experimental, ∆m = 4,031882 uma – 4,00151 uma = 0,030372 uma Então, a força que mantém o núcleo coeso ou energia de ligação nuclear é equivalente à diferença de energia para formação do núcleo fato conhecida como defeito de massa. A relação de Einstein que expressa o equivalente em massa e energia é dado por EL = mc2, como a energia equivalente de 1 uma é 931,5 MeV. Então, EL = 931,5 MeV/uma x 0,030372 uma) = 28,29 MeV Se cada partícula é responsável pelo intercâmbio que a transforma em outra através do compartilhamento de mésons nada mais lógico do que conhecermos a energia de ligação dada por cada partícula que responde no total pela energia de ligação do núcleo. ELp = 28,29 MeV/4 nucleons = 7,072 MeV/nucleons O entendimento mínimo deste contexto permite o entendimento não só dos mecanismos de decomposições nucleares conhecidos na terra, bem como os de construções fora dela e o balanço energético entre eles. Fusão Fissão nuclear REFERÊNCIAS 1 – LEE, J. D. Química Inorgânica não tão Concisa. Tradução da 5a edição inglesa. São Paulo: Edgar Blücher Ltda., 2001. 2 – BARROS, H. L. C. Química Inorgânica – uma introdução. Minas Gerais: Editora da UFMG, 1992. 3 – ATKINS, P. e JONES, L. Princípios de Química – Questionando a vida moderna. Porto Alegre: Bookman, 2001. 4 – SHRIVER, D. F.; ATKINS, P. W. e LANGFORD, C. H. Inorganic Chemistry. Great Britain: Oxford University Press, segunda edição, 1994. 16 Prof. Dorsan Moraes
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