Física - Slides de Aula - Unidade I

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Prof. Lucio Leonardo
UNIDADE I
Noções de Física Nuclear
Noções de Física Nuclear
Introdução
Fonte: 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
PET_scan-normal_brain-
alzheimers_disease_brain.PNG
Fonte: 
https://www.flickr.com/phot
os/calliope/15665197689
Fonte: 
https://cdn.pixabay.com/photo/2015/02/23/
16/50/radiation-646212_960_720.png
Fonte: 
https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/ima
ges?q=tbn:ANd9GcT
hI_RiKNge3xfgfK6Gf
strR0HUOBygL15Qx
ASC_JKZpB3dIFN5
Fonte: https://encrypted-
tbn0.gstatic.com/images?q=t
bn:ANd9GcS4aQ3UMFa0DS
qfIpMsZ5vOOiT-
T5z6FOZUw8oam5NCzB8n
EREY
Fonte: 
https://cdn.pixabay.com/phot
o/2015/10/29/05/39/atomic-
bomb-1011738_960_720.jpg
Radioatividade – (1896):
 Sais de Urânio envoltos 
em papel fotográfico –
Becquerel.
Rádio e Polônio – (1898):
 Casal Curie descobre 
materiais mais radioativos 
que o Urânio.
1. Primórdios da Física Nuclear
1.1 A descoberta do núcleo atômico
FIGURA 1 – Henry Becquerel em seu laboratório.
Fonte: 
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b6/Becquere
l_in_the_lab.jpg/640px-Becquerel_in_the_lab.jpg?1545519344975 
FIGURA 2 – Pierre e Marie Curie em seu laboratório. 
Fonte: Marie Curie org.uk – disponível em:
https://www.mariecurie.org.uk/who/our-history/marie-
curie-the-scientist -
 Experiência de Rutherford (1911)
1. Primórdios da Física Nuclear
1.1 A descoberta do núcleo atômico
FIGURA 3 – Experimento de Rutheerford
Fonte: autoria própria FIGURA 4 – Geiger e Rutherford 
Fonte: AIP Emilio Segre Visual Archives, 
Physics Today Collection. 
Disponível em: 
https://history.aip.org/exhibits/rutherford/sections/alpha-
particles-atom.html
Fonte alfa
Folha de ouro
Colimador
(chumbo) cintilação Detector (sulfeto de zinco)
 Reação nuclear induzida por partículas alfa – Rutherford (1919)
1. Primórdios da Física Nuclear
1.2 Prótons e nêutrons no núcleo
Vácuo
Fonte de Po
Placa de Be
Para o amplificador
Lâmina de parafina
Para o oscilógrafo
 Descoberta do nêutron - Chadwick (1932)
Figura 5 –exp. de Chadwick autoria própria
1. Primórdios da Física Nuclear
1.3 A fissão e fusão descobertas
Fissão
Fig.6- Fissão - extraída de 
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
Nuclear_fission_reaction.svg - acesso em 29 de 
setembro de 2018. 
E = mc2
Fig.7 Fusão - Fonte: autoria própria 
 Linha do tempo – Descobertas em física nuclear – primórdios
1. Primórdios da Física Nuclear
FIGURA 5 – Linha do tempo – algumas descobertas em Física Nuclear
Fonte: autoria própria 
1895
Roentgen
RX
1896
Becquerel
Radioatividade
1898
Casal Curie
Ra e Po
1899
Rutherford
α e β
1897
e
1903
e
(q e m)
a
(núcleo de He)
1932
Chadwick
n
1919
Goldstein 
p
2. Propriedades dos Núcleos
2.1 Isótopos
Classificação A Z A – Z = N
ISÓTOPOS diferente igual diferente
ISÓBAROS igual diferente diferente
ISÓTONOS diferente diferente igual
ISÔMEROS igual igual igual
Considere o elemento a seguir, representado segundo as normas aceitas 
pela IUPAP (International Union of Pure and Applied Physics), adotado 
em física nuclear:
Em relação a esse elemento, os elementos , e 
são, respectivamente:
a) isóbaro, isótono e isótopo
b) isótopo, isóbaro e isótono
c) isótopo, isótono e isóbaro
d) isômero, isótopo e isótopo
e) isótono, isótopo e isóbaro
Interatividade
 Geometria esférica – número de massa A escrito como a razão entre o volume 
total de raio R em relação ao volume de cada núcleo.
2. Propriedades dos Núcleos
2.2 O raio nuclear
Valores empíricos de ro
Considerando:
 1,0 u.m.a. (unidade de massa atômica) = 1,66.10-27 kg ro = 1,2.10
-15 m 
2. Propriedades dos Núcleos
2.2 O raio nuclear
2.2.1 Densidade Nuclear
 Tabela de Radioisótopos
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
Fonte: Fig.8 - extraída de 
https://commons.wikimedia.org/wiki/Fil
e:Table_isotopes_en.svg - acesso em 
26 de setembro de 2018. 
β+
β-
α
Fissão
Próton
Nêutron
Estável
Desconhecido
N = Z
(Número de 
nêutrons)
N
126
82
50
28
14
6
6 14 28 50 82
Tipo de
Decaimento
(Número de prótons)
Z
 Lei do Decaimento Radioativo
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.1 Decaimento Radioativo
Separando 
variáveis e 
integrando
 Lei do Decaimento Radioativo
 Unidade: Bq (bequerel): 1Bq = 3,7.1010 Ci
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.2 Atividade de uma amostra
 Meia vida T1/2: tempo para que o número de núcleos decaia à metade 
do valor inicial
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.3 Meia vida de um radionuclídeo
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.3 Meia vida de um radionuclídeo
Fig. 9 - Gráfico do decaimento radioativo – fonte: autor
Tempo
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.4 Vida média de um radionuclídeo
Fig. 9 Gráfico do decaimento radioativo – fonte: autor
Tempo
N
Nº
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.4 Vida média de um radionuclídeo
Figura 13 – Gráfico do decaimento radioativo com 
representação de meia vida e 
vida média. Fonte: o autor
O citrato de Gálio é um radiofármaco utilizado no radiodiagnóstico em Medicina 
Nuclear e contém 67Ga, um radionuclídeo com meia vida de 78,3 h emissor gama. 
Comercializado com 222 MBq (6mCi), o tempo para que sua atividade decaia a 25% 
da inicial e a atividade após o tempo decorrido de 48h é, respectivamente:
a) 313,2 h e 173,8 MBq
b) 19,6 h e 145,1 MBq
c) 78,3 h e 75,2 MBq
d) 156,6 h e 111 MBq
e) 156,6 h e 145,1 MBq
Interatividade
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.5 Atividade específica de uma fonte radioativa – A'
Obs.: Para 226Ra:
A’= 3,7.1010 Bq/g = 1 Ci/g
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.6 Séries de decaimento radioativas
Série n inicial Núcleo Pai T1/2 (anos) Abundância
4n 58 232Th 1,40.1010 100%
4n + 1 59 237Np 2,14.106 -
4n + 2 59 238U 4,47.109 99,27%
4n + 3 58 235U 7,04.108 0,72%
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.6 Séries de decaimento radioativas
Fig.11. - extraída de Leonardo L, 
(2010) Utilização de liquens como 
bioindicadores de contaminação 
atmosférica por radionuclídeos
naturais e metais em região 
impactada por TENORM. PhD 
Thesis, IPEN-USP, p 83 
238U
(4,5x109a)
234U
(2,45x105a)
234mPa
(1,17 min)
234Th
(24,1 d)
230Th
(7,7x104a)
226Ra
(1600 a)
222Rn
(3,82 d)
218Po
(3,05 min)
214Po
(1,6x10-46)
210Po
(138 d)
210Bi
(5,01 d)
214Bi
(10,0 min)
214Pb
(26,8 min)
210Pb
(22,3 a)
206Pb
(estável)
A
238
234
230
226
222
218
214
210
206
82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92
α
β
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.6 Séries de decaimento radioativas
Fig.12 - extraída de Leonardo L, 
(2010) Utilização de liquens como 
bioindicadores de contaminação 
atmosférica por radionuclídeos
naturais e metais em região 
impactada por TENORM. PhD 
Thesis, IPEN-USP, p 83 
232Th
(1,4x1010a)
228Th
(1,91 a)
228Ac
(6,13 h)
228Ra
(5,75 h)
224Ra
(3,62 h)
220RN
(55,6 s)
216Po
(0,146 s)
212Po
(0,3x10-5 s)
212Bi
(60,6 min) 64,10%
212Pb
(10,6 h)
208Pb
(estável)
208Tl
(3,05 min)
35,90%
A
232
228
224
220
216
212
208
81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 Z
β
α
Considere a série radioativa natural iniciadapelo 235U. Após a emissão 
de 4 partículas alfa e duas partículas beta, resultará o elemento:
a)
b)
c)
d)
e)
Interatividade
Em = t = 0 considera-se:
A taxa de variação de B dependerá de seu crescimento e decaimento:
Utilizando a lei do decaimento radioativo:
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
 Equilíbrio transiente
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
Fig. 13 – gráfico equilíbrio 
transiente - Fonte: autoria própria 
 Equilíbrio Secular
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
Fig. 14 – Gráfico de equilíbrio 
secular - Fonte: autoria própria 
 Sem equilíbrio
2. Propriedades dos Núcleos
2.3 Radioatividade
2.3.7 Equilíbrio Radioativo
Fig. 15 – Gráfico de situação 
sem equilíbrio. Fonte: autoria 
própria 
A10
T2 > T1
A1 + A2A1
A2
0 t
O gráfico a seguir apresenta a atividade de radionuclídeos em função do tempo. 
Analisando o gráfico, se pode concluir que:
Interatividade
Fonte: https://c1.staticflickr.com/3/2449/3707255848_36746e3ba7_z.jpg?zz=1
a) A1 é a atividade do nuclídeo pai e A2 é a atividade do nuclídeo filho e é uma 
situação de equilíbrio secular.
b) A2 é a atividade do nuclídeo pai e A1 é a atividade do nuclídeo filho e é uma 
situação de equilíbrio ideal.
c) A1 é a atividade do nuclídeo pai e A2 é a atividade do nuclídeo filho e é uma 
situação de equilíbrio transiente.
d) A2 é a atividade do nuclídeo pai e A1 é a atividade do 
nuclídeo filho e é uma situação de equilíbrio secular.
e) A1 é a atividade do nuclídeo pai e A2 é a 
atividade do nuclídeo filho e é uma situação 
onde não há equilíbrio.
Interatividade
ATÉ A PRÓXIMA!