Reações Nucleares

Reações Nucleares

     Quando dois núcleos se movem um em direção ao outro e, apesar da repulsão coulombiana, se aproximam o suficiente para que haja interação entre as partículas de um com as partículas do outro pela força nuclear, pode ocorrer uma redistribuição de núcleons e diz-se que aconteceu uma reação nuclear.
     Usualmente, as reações nucleares são produzidas bombardeando-se um núcleo alvo com um projétil que pode ser algum tipo de partícula ou núcleo pequeno, de modo que a repulsão coulombiana não se torne um obstáculo muito grande.
     As reações que envolvem energias não muito grandes ocorrem em duas fases.
     Na primeira fase, o núcleo alvo e o projétil se agrupam, formando o que se chama de núcleo composto num estado altamente excitado.
     Na segunda fase, o núcleo composto decai por qualquer processo que não viole os princípios de conservação.

     Por exemplo, uma partícula a, com uma energia cinética de cerca de 7 MeV, colide com um núcleo de nitrogênio 14. O resultado é um núcleo composto que consiste de todos os núcleons da partícula a e do nitrogênio 14 num estado altamente excitado.
     Esse núcleo composto, sendo constituído de 9 prótons, é um núcleo de fluor. Como esse núcleo composto está num estado altamente excitado, pode-se esperar que ele emita uma partícula (ou um fóton) no processo de passagem a um estado menos excitado ou ao estado fundamental do núcleo filho.
     Se o núcleo filho é o do oxigênio 17, a reação é a seguinte:

     a + ¹⁴N₇

[ ¹⁸F₉ ]

¹⁷O₈ + p

     O núcleo composto persiste como entidade única por um intervalo de tempo muito pequeno (menos de 10^-19 s), decaindo para um estado mais estável com a emissão de um próton.
     Como as energias de ligação da partícula a, do núcleo de nitrogênio 14 e do núcleo de oxigênio 17 são:

     E(a) = [ 2 ( 1,0078 ) + 2 ( 1,0087 ) - 4,0026 ] 931,4815 MeV = 28,3170 MeV

28 MeV

E(N) = [ 7 ( 1,0078 ) + 7 ( 1,0087 ) - 14,0031 ] 931,4815 MeV = 104,6985 MeV

105 MeV

E(O) = [ 8 ( 1,0078 ) + 9 ( 1,0087 ) - 16,9991 ] 931,4815 MeV = 131,8978 MeV

132 MeV

e como a partícula a incide com uma energia cinética de cerca de 7 MeV, o próton emitido tem uma energia cinética de cerca de ( - 28 - 105 + 7 + 132 ) MeV = 6 MeV.
Um núcleo composto pode decair por qualquer processo que não viole os princípios de conservação. Por exemplo:

²⁷Al₁₃ + p [ ²⁸Si₁₄ ]	²⁴Mg₁₂ + a
	²⁷Si₁₄ + n
	²⁸Si₁₄ + g
	²⁴Na₁₁ + 3p + n

Ainda como exemplo, considere as seguintes reações:

a + ²⁴Mg₁₂

[ ²⁸Si₁₄ ]

²⁷Al₁₃ + p

a + ⁹Be₄

[ ¹³C₆ ]

¹²C₆ + n

     Essas reações são interessantes porque produzem prótons e nêutrons com grandes energias cinéticas.
     Por outro lado, as partículas a de fontes radioativas naturais são efetivas para produzir transformações nucleares apenas em núcleos com números atômicos menores que Z = 19 (correspondente ao potássio) devido à intensidade da repulsão coulombiana entre essas partículas a e os núcleos atômicos alvo.
     Nêutrons, ao contrário, podem penetrar, em princípio, qualquer núcleo, já que não são repelidos pelos prótons. Por exemplo, um nêutron pode ser absorvido por um núcleo de prata 107 para formar um núcleo de prata 108:

     ¹⁰⁷Ag₄₇ + n

[ ¹⁰⁸Ag₄₇ ]

¹⁰⁸Cd₄₈ + e^- + n*

     O núcleo de prata 108 não ocorre na natureza, ou seja, é um isótopo artificial da prata. Esse núcleo é radioativo e dacai emitindo um elétron e um antineutrino e produzindo um núcleo de cádmio 108.
     A maioria dos núcleos artificiais são instáveis e radioativos. Os núcleos radioativos artificiais são produzidos por reações nucleares. Os elementos transurânicos, em particular, são normalmente produzidos pela captura de nêutrons seguida de decaimento b^-.
     Por outro lado, o que se chama de espalhamento é a reação nuclear em que projétil e partícula liberada são a mesma partícula. O espalhamento é elástico quando, durante o processo, não varia a energia cinética da partícula, e inelástico, caso contrário.

Transformações Nucleares

Existem vários tipos de transformações nucleares, mas as que nos interessam aqui são aquelas que ocorrem espontaneamente e constituem o principal fenômeno relacionado com a radioatividade natural. Este fenômeno, também denominado decaimento radioativo ocorre em núcleos pesados, cujas principais características são:

a densidade da matéria nuclear é constante;

as forças de interação próton-próton (p-p), nêutron-nêutron (n-n) e próton-nêutron (p-n) não são muito diferentes;

existe uma forte tendência para os núcleos apresentarem igual número de prótons e nêutrons. Como essa tendência é oposta à repulsão Coulombiana p-p, a conseqüência é que nos núcleos pesados sempre há um excesso de nêutrons, para garantir a coesão nuclear;

núcleos contendo números pares de prótons e de nêutrons são mais abundantes e mais estáveis do que núcleos contendo números ímpares de prótons ou nêutrons.

A instabilidade nuclear aumenta na mesma proporção do crescimento do número de núcleons, e pode originar decaimento radioativo e fissão nuclear. O decaimento radioativo é seguido pela emissão de três tipos de radiação:

partículas alfa, que são núcleos de hélio, ₂He⁴;

partículas beta, que são elétrons

raios gama, radiação eletromagnética tipo raios-X.

Os núcleos que apresentam este fenômeno foram denominados, por Marie Curie, radioativos. Curiosamente, não se tem notícia de decaimento com a emissão de prótons ou nêutrons.

O decaimento radioativo obedece a uma lei exponencial, do tipo

N=N₀e^-t/t

onde, N₀ é o número de átomos radioativos no instante t=0, e t é uma constante denominada vida média. Define-se a meia-vida do processo, t_1/2, o tempo necessário para que a quantidade de material radioativo reduza-se à metade. É fácil mostrar que

t_1/2=tln2

Na simulação abaixo, os pontos vermelhos representam núcleos atômicos idênticos, de modo que todos decaem de acordo com a mesma lei. A meia-vida desses núcleos pode ser escolhida no cursor abaixo do gráfico. Clique no botão "iniciar" e observe o decaimento. Visualmente, o decaimento é representado pelo desaparecimento dos pontos vermelhos. A lei do decaimento é representada na curva acima do cursor, enquanto o tempo decorrido é mostrado no canto superior direito. Repita a "experiência" para diferentes valores de meia-vida. A qualquer momento o processo pode ser interrompido; basta clicar no botão "reiniciar".

O inverso da vida média, g=1/t, é conhecida como constante de decaimento. Assim, outra forma de expressar a lei do decaimento radioativo é

N=N₀e^-gt

A atividade de uma substância radioativa é medida em termos do número de desintegrações (ou decaimentos) por segundo, cuja unidade é o curie. No sistema SI, 1 desintegração/s é definida como 1 Bq (Becquerel). Portanto,

1 Ci = 3.7 x 10¹⁰ desintegrações/s = 3.7 x 10¹⁰ Bq.

O curie é a quantidade de radiação emitida por 1 g de rádio, o elemento químico descoberto por Marie Curie.

No início das descobertas dos fenômenos relacionados com a radioatividade, por volta de 1896, as principais dificuldades foram perceber que o fenômeno era espontâneo, e compreender a natureza das radiações resultantes. Foi Rutherford quem identificou os três tipos de radiação mencionados acima. Ele fez a radiação passar por uma região onde havia um campo magnético e descobriu que uma parte era desviada para um lado, outra parte era desviada para o lado oposto, e uma terceira parte não sofria qualquer desvio. Este resultado permitiu que ele concluísse que uma parte do feixe era constituída por partículas positivas, outra parte era constituída por partículas negativas, e a parte que não sofria desvio pela ação do campo magnético era algo do tipo raios-X, ou radiação eletromagnética (mostre como Rutherford concluiu que as partículas positivas eram ₂He⁴ e as negativas eram elétrons).

Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico diminui em duas unidades. Por outro lado, no decaimento beta o número atômico cresce uma unidade. Portanto, o decaimento faz desaparecer um tipo de núcleo e surgir outro tipo. Ao final tem-se uma cadeia, iniciando com um núcleo radioativo e terminando em um núcleo estável (não radioativo).

A animação abaixo mostra, de forma bastante realista, este processo de decaimento para quatro núcleos radioativos: tório 232, urânio 235, urânio 238 e plutônio 241. Os números representam o número de massa. O processo pode ser interrompido e reinciado a qualquer momento; basta clicar no botão "iniciar/parar". Na janela à direita, são apresentados alguns detalhes do processo (meia-vida e quantidade de cada elemento da cadeia em cada momento). Clique no botão "seqüência" e veja a cadeia completa no gráfico número de nêutrons versus número atômico.

Física Nuclear