Prova1 Eng Nuclear Bardo

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 
 
 
 
 
 
 
 
ESCOLA DE ENGENHARIA 
ENGENHARIA DE ENERGIA 
ENG0362 – INTRODUÇÃO À ENGENHARIA NUCLEAR 
 
Professor: Bardo Bodmann 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2018/2 
PROVA 1 
 
 
 
 
 
 
Porto Alegre, setembro de 2018 
Resolução 
 
1. Descreve em detalhe o que é AMS (Espectroscopia de massa por aceleradores). 
Cite alguns laboratórios que utilizam essa técnica para determinar as massas de 
nuclídeos. 
A espectrometria de massa por aceleradores aumenta a energia cinética dos 
íons antes da análise de massa. Isso possibilita a detecção de ocorrência natural de 
radioisótopos de vida longa, como o 10Be, 36Cl, 26Al e 14C. Sua propriedade especial é 
o seu poder de separar os isótopos raros, como o 12C do 14C. Além disso, a técnica AMS 
reduz sensivelmente a quantidade de amostra e aumenta a escala temporal de datação, 
espectrômetros de massas com aceleradores requerem de 20 a 500 miligramas de 
certos tipos de amostras, ao invés dos métodos convencionais que precisam de pelo 
menos 10 gramas de amostra. Essa técnica é particularmente útil em detecções de 
drogas, onde apenas pequenas quantidades de droga são necessárias para a detecção. 
Alguns exemplos de laboratórios que utilizam essa técnica é o Laboratório 
de Espectrometria de Massa com Aceleradores (LAMS), do Instituto de Física da 
Universidade Federal Fluminense – UFF, Laboratório Keck Carbon Cycle AMS Facility na 
Universidade da Califórnia, U.S.A., AMS Facility da Universidade da Georgia, U.S.A. e o 
Oxford Radiocarbon Accelerator Unit da Universidade de Oxford, U.K. Todos os 
laboratórios mundiais estão listados nesta lista feita pelo Jornal Internacional 
Radiocarbon, publicado pela Universidade do Arizona: 
“http://radiocarbon.webhost.uits.arizona.edu/sites/default/files/Labs_0.pdf” 
2. Um sistema tipo AMS contém vários estágios para separar mesmos núclideos 
com massas próximas. Explique as etapas e o método para separar as massas. 
Para essa finalidade utilize gráficos e demonstre os efeitos físicos relevantes para 
a separação das massas. 
 
Esquema de um dos sistemas de AMS 
 
Inicialmente, íons negativos são criados numa fonte de íons. Em vários casos, 
esse processo já permite a supressão de núclideos com massas próximas, que não 
formam íons negativos. Esses íons pré-acelerados são usualmente separados por um 
primeiro espectrômetro de massa e entram em um acelerador de Tandem eletrostático. 
O acelerador de Tandem é um grande acelerador de partículas nucleares, que opera 
entre 0,2 até milhões de volts com dois estágios operando em tandem. No ponto de 
conexão entre os dois estágios, os íons mudam de carga negativa para positiva passando 
por uma camada fina de matéria (chamada stripping). As moléculas se rompem nessa 
fase. Esse impacto remove vários elétrons dos íons, que ficam positivos. Os íons 
positivos são acelerados para longe do centro positivo do acelerador eletrostático que 
anteriormente tinha atraído o íon negativo. Logo, os fragmentos de moléculas são 
separados dos íons de interesse. O espectrômetro consiste de setores magnéticos ou 
elétricos, e seletores de velocidade, que utilizam tanto campos elétricos, como 
magnéticos. Depois desta fase, restam apenas as formas de átomos estáveis isobáricos 
formando íons negativos (ex. 36S se medindo 36CI). Graças à grande energia dos íons, eles 
podem ser separados por métodos da física nuclear, como Degrader Foils e ímãs a gás. 
Finalmente, íons individuais são detectados por contadores de íons (com 
superfície de silício, câmaras de ionização e tempo de voo). Na análise de massa, um 
campo magnético é aplicado a essas partículas carregadas que se movimentam, o que 
faz com que as partículas se desviem do caminho que estão percorrendo. Se as 
partículas carregadas têm a mesma velocidade, mas massas diferentes, as partículas 
mais pesadas são menos desviadas, como no caso dos isótopos do carbono. Em seguida, 
detectores contam as partículas. 
No final da análise, é possível chegar ao índice de concentração dos isótopos, 
como por exemplo, o carbono 12, 13 e 14. 
 
 
3. Justifique a utilização da técnica AMS em função das limitações por um lado 
pelas observações diretas dos decaimentos radioativos e por outro lado pela 
espectroscopia de massa convencional. 
 
Os Espectrômetros de massas detectam átomos de elementos específicos, de 
acordo com seus pesos atômicos. No entanto, os espectrômetros de massa 
tradicionais não possuem a sensibilidade necessária para distinguir átomos de 
elementos distintos com o mesmo peso atômico, tais como o carbono 14 e o 
nitrogênio 14 – o isótopo mais comum do nitrogênio. A espectrometria de massas 
com aceleradores é um aperfeiçoamento do sistema comum para separar um 
isótopo raro de uma massa vizinha abundante. O método carbono 14 em uma 
determinada amostra e ignora os isótopos mais abundantes que inundam o sinal do 
carbono 14. Além disso, como a técnica AMS necessita quantidade pequena de 
amostra, é o método preferido dos arqueólogos que desejam analisar pequenos 
artefatos e ossos e não podem destruir materiais caros ou raros. 
Já as observações diretas dos decaimentos radioativos funcionam bem se a 
amostra é grande, porém em 9 meses, menos de 0,01% do carbono radioativo irá 
decair, então em um tempo razoável de medida (algumas semanas) apenas uma 
pequena proporção dos átomos radioativos será detectada. 
A maior vantagem do AMS sobre o método convencional de contagem de 
partículas Beta é a maior sensibilidade da medida. Em AMS os átomos de 
radiocarbono são detectados diretamente ao invés de termos que esperar eles 
decaírem. 
 
 
4. Qual é o papel da massa e da carga na separação dos nuclídeos? Este método 
tem limites na utilização de nuclídeos radioativos? 
 
Os íons são desviados em um campo magnético para a espectrometria de massa. 
O tamanho de desvio dos íons é inversamente proporcional a sua relação entre 
massa e carga, m/z, onde m é igual à massa do íon e z igual à carga. O detector 
registra esse valor para cada íon, assim como a concentração. A abundância relativa 
de um íon dentro de uma amostra pode ser calculada dividindo o número de íons 
desse tipo pelo número total de íons detectados. O instrumento gera então um 
espectro de massa da amostra, que representa a abundância relativa versus a razão 
m/z. 
 
5. Descreve a aplicação a isótopos estáveis aos radioativos. Nos últimos escolhe e 
descreve a análise de seis isótopos e justifique a sua relevância. 
 
 
 No sistema AMS, os isótopos abundantes são removidos do feixe de íons e 
contados no copo de Faraday. Íons adicionais são removidos pelo filtro magnético 
antes que os íons restantes parem no detector de ionização de gás. A carga dos íons 
individuais pode ser determinada a partir de como os íons diminuem a velocidade. 
Por exemplo, o 14C diminui mais lentamente do que o 14N, de modo que esses íons 
podem ser distinguidos. Uma vez que as cargas são determinadas, o detector pode 
dizer a que elemento cada íon pertence e conta o isótopo desejado como uma razão 
do isótopo mais abundante, ex. examinamos o 14C como uma razão do 13C, que age 
como um padrão para que os átomos possam ser diferenciados. A razão é mostrada 
como 14C/13C. 
 
Carbono 
 
 O carbono 14C é um isótopo radioativo do carbono. Ele está presente na 
maioria das moléculas de interesse biológico e é a base da datação de carbono, 
método criado por Willard Libby e colegas em 1949 para datar amostras 
arqueológicas e geológicas. Essa molécula é rara na atmosfera. 
 O isótopo estável do carbono é o 13C. Este isótopo é importante na medida 
em que nos permite corrigir o fraccionamentoisotópico de carbono na natureza e 
durante os procedimentos analíticos. 
 
O carbono 14C decai a partir de um decaimento beta emitindo um elétron e um 
antineutrino, um dos nêutrons do 14C decai para um próton e o átomo decai para o 
isótopo do nitrogênio 14. O tempo de meia vida do carbono 14 é de 5730 anos. 
 
Hidrogênio 
 
 O hidrogênio possui três isótopos de ocorrência natural, denominados 1H, 2H 
e 3H. Os dois primeiros são estáveis, enquanto o 3H tem uma meia-vida de 12,32 anos. 
1H é o isótopo de hidrogênio mais comum com uma abundância de mais de 99,98%. 
 
 Quando o trítio é decaído ao deutério, outro isótopo do hidrogênio, 
quantidades massivas de energia atômica são liberadas. Uma aplicação desse tipo de 
reação é em reatores de fusão controlados, que podem ser usados para produzir 
eletricidade, mas ainda falta muita pesquisa. Reações de fusão também podem ser 
usadas na criação de armas nucleares. 
 
Urânio 
 
 Praticamente todo o Urânio encontrado na natureza está na forma de 238U. 
Seus outros isótopos, 235U e 236U são encontrados em menor quantidade. O átomo 
radioativo de 238U possui um decaimento alfa de uma energia de 4,267 MeV. A 
substância então formada é o Tório 234. 
 
 A sequência de todos os decaimentos são: 
Urânio-238 → Tório-234 → Protactínio-234m → Urânio-234 → Tório-230 → Rádio-226 
→ Rodon-222 → Polônio-218 → Chumbo-214 → Bismuto-214 → Polônio-214 → 
Chumbo-210 → Bismuto 210 → Polônio-210 → Chumbo-205 (estável). 
 
A propriedade radioativa do urânio é aplicada para determinar a idade de 
objetos como rochas e fósseis. O urânio-238 é usado neste processo de datação. 
 O Urânio-238 também é usado em reatores nucleares por sua capacidade de 
captura de nêutrons. Produz produtos físseis como o plutônio-239, que é usado como 
combustível nuclear para produzir grandes quantidades de energia. Esta tecnologia é 
usada em muitos reatores nucleares. 
 
Iodo 
 
 Existem 37 isótopos conhecidos de iodo, que variam de 108I a 144I. Todos 
sofrem deterioração radioativa, exceto o 127I, que é estável. O isótopo 129I, tem uma 
meia-vida de 15,7 milhões de anos. 
 O iodo 123 e o iodo 131 são utilizados na medicina. O iodo 131, que possui 
decaimento beta e gama, é utilizado na radioterapia. Já o iodo 123, que não tem 
atividade beta, é utilizado para radiografias de rotina da tireoide e é menos perigoso 
para o paciente. 
 
Césio 
 
 O césio-137, é um isótopo radioativo do césio que é formado como um dos 
produtos de fissão mais comuns pela fissão nuclear do urânio-235. Sua meia-vida é de 
30,17 anos. O césio possui 40 isótopos. 
 Em baixas quantidades, ele é usado para calibrar aparelhos que medem a 
radioatividade e é usada na radioterapia. Porém, O césio-137 é bastante perigoso para 
o ser humano porque emite partículas ionizantes e radiações eletromagnéticas capazes 
de atravessar a pele e os tecidos do corpo humano, interagindo com as moléculas do 
organismo e gerando efeitos devastadores. Um exemplo disso é o acidente que ocorreu 
em 1987 em Goiânia. 
 
Rádio 
 
 O rádio tem 33 isótopos conhecidos, com números de massa de 202 a 234 e 
todos eles são radioativos. Na natureza, o rádio é encontrado no urânio e (em menor 
extensão) nos minérios de torio em quantidades mínimas tão pequenas quanto um 
sétimo de grama por tonelada de uraninito. 
 O rádio já foi usado na medicina, na pintura, na indústria estética e hoje é 
proibido na maioria das atividades por causa dos seus grandes riscos à saúde. Ainda há 
alguns usos em como fonte radioativa em trabalhos de pesquisa e em radioterapia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Referências 
 
Burtis Burtis, Ted Burns, Tietz Fundamentos de química clínica e diagnóstico molecular, 2016 
 
Implementação da Técnica de Espectrometria de Massa com Aceleradores - AMS - no Brasil 
 
Accelerator Mass Spectrometry - 
https://en.wikipedia.org/wiki/Accelerator_mass_spectrometry 
 
Acelerador de Massa Espectrometria, https://www.radiocarbon.com/portugues/acelerador-
massa-espectrometria.htm 
 
Isotopes and mass spectrometry, https://pt.khanacademy.org/science/chemistry/atomic-
structure-and-properties/mass-spectrometry/a/isotopes-and-mass-spectrometry 
 
https://c14.arch.ox.ac.uk/ams.html 
 
https://www.portalsaofrancisco.com.br/quimica/radio 
 
https://en.wikipedia.org/wiki/Caesium-137 
 
https://sciencing.com/uses-hydrogen3-7297714.html 
 
https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(A
nalytical_Chemistry)/Instrumental_Analysis/Mass_Spectrometry/Mass_Spectrometry%3A_Isot
ope_Effects