desvendando o núcleo atômicomica nuclear x física nuclear/física... · terra incognita. 11 vale...
TRANSCRIPT
Desvendando o Núcleo AtômicoNilberto H. Medina
Instituto de Física da Universidade de São Paulo
24 de Julho de 2009
V Encontro IFUSPEscola
2
Um pouco de história ...
Democrito de Abdera (Grécia, 460 a.C. 370 a.C.).
Antoine Becquerel (França, 18521908) Prêmio Nobel em 1903.Descoberta da radioatividade espontânea.
Marie Curie (Polônia, 18671934) Prêmio Nobel em 1903 e 1911.Pierre Curie (França, 1859 1906) Prêmio Nobel em 1903.
Pesquisas sobre o fenômeno da radioatividade espontânea.
Joseph Thompson (Inglaterra, 18561940) Prêmio Nobel em 1906. Investigações da condução elétrica dos gases.
Ernest Rutherford (Nova Zelândia, 18711937) Prêmio Nobel em 1908.Estudo das propriedades das partículas α .
Criador da Física Nuclear
Niels Bohr (Dinamarca, 18851962) Prêmio Nobel em 1922.Investigações sobre a estrutura de átomos e suas radiações.
James Chadwick (Inglaterra,18911974) Prêmio Nobel em 1935.Descoberta do nêutron.
3
Sais de Urânio:
Emitem partículas α ,raios β (elétrons) e raios γ
Comportamentos diferentes sob a influência de um campo magnético
Pierre Curie
Marie Curie
Antoine Becquerel Marie Curie
α
β
4
O modelo de Joseph J. Thompson
Plum pudding model
O modelo do pudim de passas.
Maioria das partículas
colidem na região central
Fonte radioativa de
partículas α
Bloco de chumbo
Tela de sulfeto de Zinco
Algumas partículas α são defletidas em grandes ângulos
Folha de ouro
Hans Geiger e Ernest Marsden
Universidade de Manchester, Inglaterra.
Resultado esperado
Resultado obtido
Experimento de Ernest Rutherford (1910)
Niels Bohr Ernest Rutherford James Chadwick
O Modelo Atômico
7
O Núcleo Atômico
Átomo1010 m
Núcleo5x1015 m
8
Tamanho do Núcleo Atômico
Átomo ~1010 m (Angstrom)
Núcleo ~ 5x1015 m (Fermi)
Átomo = núcleo + elétrons
nêutrons prótons
1010m
|1015m|
9
A Tabela Periódica (1500 a.C. 2000)
Elementos conhecidos em 1500 aC Final do Século 17
Final do Século 18 Final do Século 19
www.uniterra.de/rutherford
10
256 núcleos estáveis
2000 núcleos conhecidos
Número de nêutrons
N ú mer
o de
pr
ó tons
Tabela de Isótopos
terra incognita
11
Vale de Estabilidade dos Núcleos
Núcleos com grande número de nêutrons são pouco conhecidos.
Núcleos com grande número de prótons decaem para os núcleos estáveis
Elementos estáveis
mai
s n
ê utro
nsm
ais pr
ó tons
carbono
Elementos superpesados
prata
ferro
ouro
chumbo
12
Decaimentos Radioativos
Seaborgium – Elemento super pesado ( descoberto em 1974)
Rutherfordium – Elemento super pesado ( descoberto em 1964)
Decaimento α
Decaimento β
13
Radioatividade
depoisantes
Decaimento γ
Decaimento β +
Decaimento β −
Decaimento α
14
Fusão Nuclear
Fissão Nuclear
15
• Como foram formados os elementos químicos?• Por que a abundância dos elementos é diferente?• Quanto tempo leva o processo de formação
dos elementos químicos ?• Como as estrelas produzem energia?
Astrofísica Nuclear
Imagens do telescópio Hubble (NASA)
16
Abundância dos Elementos no Universo
17
18
19
George Gamow (Russia, 19041968)
A Teoria do Big Bang (1948)
20
TE
MPE
RAT
UR
A (
kelv
in)
HADRONIZAÇÃO
NUCLEOSÍNTESE
FORMAÇÃO DOS ÁTOMOS
HOJE
Tempo a partir do BIGBANG (segundos)
1
103
106
109
101 2
101 5
10 9
10 6
10 3
1 103
106
109
101 2
101 5
101 8
102 1
21
• Após o Big Bang, o Universo expande e esfria. Durante o processo, prótons e nêutrons se agrupam formando deutério, núcleos de hélio e de lítio. Não há como formar elementos mais pesados.
• Com o esfriamento, elétrons são capturados por prótons e núcleos de hélio, formando átomos neutros. Este processo permite o surgimento das estrelas.
Antes da Formação das Estrelas
22Element Genesis - Solving the MysteryYuko Mochizuki, Isao Tanihata, Yasushige Yano, Richard BoydRIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) – Japan
23
• Nas estrelas, os processos de fusão de hélio e deutério continuam, formando o lítio, como no Universo primordial. No núcleo das estrelas entretanto, a densidade é muito maior, permitindo a formação de elementos mais pesados.
3 4He →12C12C + 4He → 16O
• Uma estrela como o Sol, morre quando grande parte de sua massa é transformada em carbono e oxigênio.
• A formação de elementos mais pesados se dá em estrelas muito maiores que o sol.
A Síntese dos Elementos
24
O Ciclo CNO
Formação de elementos no interior das estrelas massivas 12C e 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S Ni, Fe→
Element Genesis - Solving the MysteryYuko Mochizuki, Isao Tanihata, Yasushige Yano, Richard BoydRIKEN (The Institute of Physical and Chemical Research) – Japan
25
Transmutação dos Elementos
A fusão nuclear só pode sintetizar elementos até o ferro/níquel.
Processo S (LENTO).
Estrelas do tipo Gigantes Vermelhas ( > 8 vezes a massa do sol)são fontes de nêutrons. Reações: 12C+p → 13N* → 13C + 4He → 16O+n
111Sb110Sb
67As
105Sn
108Sb107Sb106Sb
106Sn104Sn
104In103In
107Sn 108Sn
109Sb
104Cd
107In106In105In
105Cd103Cd
103Ag102Ag
106Cd
103Pd
105Ag104Ag
104Pd
102Rh 103Rh
102Cd
101Ag
101Pd100Pd
99Rh 100Rh 101Rh
102Pd
100Ru99Ru98Ru
110Sn109Sn
109In108In
108Cd
107Ag
107Cd
106Ag
106Pd105Pd
104Rh 105Rh
112Sb
111Sn
110In
109Cd
102Ru 104Ru103Ru101Ru
108Ag
107Pd
113Sb
112Sn
111In
110Cd
109Ag
108Pd
114Sb
113Sn
112In
111Cd
110Ag
109Pd
115Sb
114Sn
113In
112Cd
111Ag
110Pd
Transmutação dos Elementos
Processo S (LENTO)
27
Reações Nucleares
Mecanismos: espalhamento, transferência, fusão, fusão incompleta, etc.
Estrutura Nuclear
Estados nucleares, propriedades eletromagnéticas, vidas médias, etc.
Aplicações Tecnológicas
Datação, análise de elementos traços, aplicações em medicina, etc.
O que estudamos do núcleo atômico ?
Distantes
Rasantes
Frontais
Colisões entre núcleos
A + B C + D
Estudo do Mecanismo de Reações
Projétil Alvo
29
Representação esquemática da fissão nuclear
30
Acelerador departículasPELLETRON
Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN)
IFUSP
31
Reações do tipo fusãoevaporação
32
Átomo de Hidrogênio
Modelo de Bohr
Espectro de Hidrogênio
33
34
Espectrômetro Saci Pererê
Pererê: 4 detectores semicondutores de germânio com supressores ComptonPequeno Espectrômetro de Radiação Eletromagnética com Rejeição de Espalhamento
Saci: 11 detectores telescópios ∆ EE compostos por cintiladores plásticos. Sistema Ancilar de Cintiladores
J.A. AlcántaraNuñez et al., Nucl. Inst. Meth. Phys. Res. A 497, 429 (2003)
Gammasphere (EUA)
Conjunto de detectores cintiladores.
Espectrômetro de raios gama GASP Itália
35
36
Estrutura dos Núcleos
Núcleo esférico
Núcleo deformado
Eixo de rotação
37
152Dy
Coexistência de formas
S.G Nilsson e I. Ragnarsson,Shapes and Shells in Nuclear Structure Cambridge University Press 1995
Núcleos exóticos
38
Utilização de feixes iônicos na medicina
Profundidade (cm)
Dos
e R
elat
iva
(%)
0 5 10 15 20
2
0
40
60
80
Feixe de prótons
RaiosX
Radiação para eliminar células cancerígenas
Aplicações Tecnológicas
39
EsterilizaçãoRaios γ , elétrons, nêutrons, prótons
Irradiação de Alimentos
ISÓTOPOS E APLICAÇÕES:
14C (6x103 a) Arqueologia, Geologia, Medicina36Cl (3x105 a) Geologia, Oceanografia, Climatologia, Arqueologia 10Be (2x105 a) Hidrologia26Al (7x105 a) Medicina
41Ca, 59Ni, 60Fe, 129I, 238U
fonte de íons (multicatodo)
selecionadorde massa
Selecionadorde estado decarga
acelerador
detector
“filtro”
Espectrometria de massa com aceleradores
Concentrações absolutas
> 105 átomos/amostra
Concentração relativa: 1015 a 1012
41
42
PESQUISA BÁSICAEM
FÍSICA NUCLEAR
ENERGIA NUCLEAR
FISSÃO DE ÍONS PESADOS
TRANSMUTAÇÃO DE LIXO RADIOATIVO
IMPLANTAÇÃO IÔNICA
MICROPOROS
NANOESTRUTURAS
DANOS DE RADIAÇÃO
NOVOS MATERIAIS
ANÁLISE ELEMENTAR
CALIBRAÇÃO DE DETECTORES
DANOS POR RADIAÇÃO
CLIMA
POLUIÇÃO
ANÁLISE DE PARTICULADOS
MOVIMENTO DE ÁGUAS
BURACO DE OZÔNIO
RADIOFÁRMACOS
TERAPIA DE CANCER , prótonsγ
DETECTORES DE IMAGEM NMR , PET
ESTERILIZAÇÃO
MODELAGEM BIOFÍSICA
ANÁLISE POR FEIXES IÔNICOS
ARTE E ARQUEOLOGIA
PIXE, ERDA, RBS, PIGE, AMS. . . .
DATAÇÃO
43OBRIGADO
Grupo Gama
Departamento de Física Nuclear (IFUSP)
http://www.dfn.if.usp.br
44