Física nuclear: Energia nuclear e radiação.

  Orientações aos alunos:

* Leiam com atenção e observem os exemplos.

* Assistam às vídeo aulas pelo CMSP, TV, plataforma Stoodi.

* Façam pesquisas em livros didáticos ou pela internet.

* Enviem as atividades para o E-mail: josecorreia@prof.educacao.sp.gov.br

* Data de entrega: até 27/10.

Olá pessoal! Que todos estejam bem.

Nessa semana vamos continuar o estudo de Física nuclear e radiação.

Energia nuclear ou atômica é a energia produzida nas usinas termonucleares, que utilizam o urânio e outros elementos, como combustível.

O princípio de funcionamento de uma usina nuclear é a utilização do calor (termo) para gerar eletricidade. O calor é proveniente da fissão dos átomos de urânio.

O urânio é um recurso mineral não renovável encontrado na natureza, que também é utilizado na produção de material radioativo para uso na medicina.

Além do uso para fins pacíficos, o urânio pode também ser utilizado na produção de armamentos, como a bomba atômica.

Energia Nuclear no Mundo

Os cinco países campeões em produção de energia nuclear, segundo Business Insider, 2014.

Por ser uma fonte de energia altamente concentrada e de elevado rendimento, diversos países utilizam a energia nuclear como opção energética. As usinas nucleares já respondem por 16% da energia elétrica produzida no mundo.

Mais de 90% das usinas nucleares estão concentradas nos Estados Unidos, na Europa, no Japão e na Rússia. O governo russo inaugurou em abril de 2018 a primeira usina nuclear flutuante do mundo, localizada no Mar Ártico.

Em alguns países como Suécia, Finlândia e Bélgica a energia nuclear já representa mais de 40% do total de eletricidade produzida. A Coreia do Sul, China, Índia, Argentina e México também possuem usinas nucleares.

O Brasil possui usinas nucleares no litoral do estado do Rio de Janeiro, em Angra dos Reis, (Angra 1 e Angra 2). A construção da usina nuclear Angra 3, que estava paralisada desde 1986, teve sua licença ambiental aprovada em julho de 2008.

Vantagens do Uso da Energia Nuclear

Apesar dos perigos, há vários pontos positivos na geração de energia nuclear.

Um dos primeiros pontos a destacar é que a usina não é poluente durante seu funcionamento normal e se cumpre as normas de segurança.

Igualmente, não é necessário uma grande área para sua construção. Em comparação, basta lembrar quanto espaço necessita uma hidrelétrica para fazer uma barragem e o tamanho do terreno inundado.

Também o urânio é um material relativamente abundante na natureza que garantiria o abastecimento das usinas por muito tempo. As principais reservas estão na Índia, Austrália e Cazaquistão.

Desvantagens do Uso da Energia Nuclear

O grande problema da energia nuclear são os resíduos tóxicos que devem ser descartados com cuidado

Entretanto, os riscos da utilização da energia nuclear são imensos.

Além de sua utilização para fins não pacíficos, como a produção de bomba atômica, os resíduos gerados pela produção desta energia representam um perigo para a humanidade.

Também existe o risco de acidentes nucleares e o problema do descarte do lixo nuclear (resíduos compostos de elementos radioativos, gerados nos processos de produção de energia). Além disso, a contaminação do meio ambiente que provocam danos irreversíveis à saúde, como o câncer, a leucemia, deformidades genéticas, etc.

Acidentes Nucleares

Desde o primeiro acidente, registrado em 1952 em Chalh River, no Canadá, ocorreram muitos outros. Um dos mais graves foi o Acidente de Chernobyl, que ocorreu na Ucrânia em 1986, que explodiu devido a uma falha do sistema de refrigeração.

O mais recente foi em 2011 na usina Fukushima 1, na costa leste do Japão, que foi atingida pelo terremoto e pelo tsunami que abalou a região. Houve explosão nos prédios que abrigavam dois reatores o que provocou a liberação da radiação.

Também o Brasil enfrentou o pior acidente nuclear de sua história quando o material Césio-137 não foi descartado corretamente. Calcula-se que 1600 pessoas tenham sido contaminadas e 4 pessoas morreram neste episódio.

Radiação é um processo físico de emissão (saída) e de propagação (deslocamento) de energia por meio de partículas ou de ondas eletromagnéticas em movimento. Esse processo pode ocorrer em um meio material ou no espaço (vácuo).

São exemplos de radiações bastante conhecidas e comentadas: alfa, beta, gama, raio X, ultravioleta, luz visível, ondas de rádio, infravermelha, micro-ondas, etc.

1- Classificação das radiações

De acordo com sua origem, as radiações são classificadas em naturais ou artificiais.

1.1- Naturais

São aquelas radiações que partem de uma fonte não produzida por tecnologia humana e que ocorrem de forma espontânea. Entre alguns exemplos, temos a radiação nuclear, eliminada do interior do núcleo do átomo de um elemento químico.

Elementos radiativos naturais podem ser encontrados em rochas ou em sedimentos, por exemplo. Outro exemplo de radiação natural são as radiações cósmicas (prótons, elétrons, nêutrons, mésons, neutrinos, núcleos leves e radiação gama), provenientes de explosões solares e estelares.

1.2- Artificiais

São radiações produzidas a partir de equipamentos elétricos, nos quais partículas, como os elétrons, são aceleradas. É o caso dos tubos de raio X utilizados em radiodiagnóstico.

Existem também as radiações produzidas a partir de equipamentos não elétricos, que são elementos químicos irradiados a partir da aceleração de partículas.

1.3- Nucleares

São radiações que partem do interior do núcleo de um átomo instável. O núcleo é instável quando o átomo apresenta, em média, 84 ou mais prótons em seu interior. As radiações nucleares são apenas três: alfa (α), beta (β) e gama (γ).

2- Tipos de radiações

De acordo com sua capacidade de interagir com a matéria, as radiações são classificadas em ionizantes, não ionizantes e eletromagnéticas.

2.1- Ionizantes

São radiações que, ao entrarem em contato com os átomos, promovem a saída de elétrons das órbitas, fazendo com que o átomo passe a ser um cátion, ou seja, um átomo deficiente em elétrons.

Essas radiações podem provocar ionização e excitação dos átomos e moléculas, provocando modificação (ao menos temporária) na estrutura das moléculas. O dano mais importante é o que ocorre no DNA.

Entre os principais exemplos de radiações ionizantes, temos:

• Radiação alfa: é composta por dois prótons e dois nêutrons e apresenta baixo poder de penetração. São núcleos de Hélio (₂He⁴ ou ₂α⁴).

• Radiação beta: é formada por um elétron e apresenta poder de penetração com relação às radiações alfa, gama e raio X (-₁e⁰ ou -₁β⁰)

• Radiação gama e radiação X: são radiações eletromagnéticas que se diferenciam apenas pela origem (gama é nuclear, e raio X é artificial) e apresentam elevado poder de penetração (₀γ°).

2.2- Não ionizantes

São radiações que não são capazes de retirar elétrons das órbitas (eletrosferas) de seus átomos. Assim, continuam sendo átomos estáveis. Essas radiações não podem provocar ionização e excitação dos átomos e moléculas. Assim, não provocam modificação (ao menos temporária) na estrutura das moléculas. Entre os principais exemplos desse tipo de radiação, temos:

• Infravermelha: é uma radiação que está localiza abaixo do vermelho no diagrama de energia, possuindo um comprimento de onda entre 700 nm e 50000 nm.

• Micro-ondas: são radiações produzidas por sistemas eletrônicos a partir de osciladores, apresentando frequência mais elevada que as ondas de rádio. São utilizadas de forma doméstica para aquecer alimentos e podem transportar sinais de TV ou de comunicações eletrônicas.

• Luz visível: possui frequência compreendida entre 4,6 x 10¹⁴ Hz e 6,7 x 10^{14 Hz}, com comprimento de onda de 450 nm a 700 nm. É capaz de sensibilizar nossa visão.

• Ultravioleta: radiação emitida por alguns átomos quando excitados, acompanhando a emissão de luz. Tem comprimento de onda entre 10 nm a 700 nm. Exemplo: lâmpadas de vapor mercúrio (Hg).

• Ondas de rádio: são radiações de baixa frequência, em torno de 10⁸ Hz, com comprimento de onda de 1 cm a 10000 nm. São utilizadas para transmissões de rádio.

2.3- Eletromagnéticas

São ondas que possuem campo magnético e campo elétrico, os quais se propagam no ar ou no vácuo a uma velocidade de 300 000 km/s. Essas radiações (raio gama, raio X, ultravioleta, infravermelha, micro-ondas) diferenciam-se por seus comprimentos de onda, como podemos ver na imagem do espectro eletromagnético abaixo:

Comprimentos de onda de diferentes tipos de radiações eletromagnéticas.

3- Malefícios das radiações

Animais, plantas, solo, água e ar podem ser afetados pela radiação, cada um de uma forma. O solo, a água e o ar, na realidade, quando contaminados com matéria radiativo, passam a ser meios disseminadores da radiação para os seres vivos.

Nos seres vivos, as radiações levam, basicamente, a dois efeitos:

• Mutações gênicas: a ação da radiação é capaz de modificar o DNA da célula, fazendo com que uma célula perca sua função ou passe a desempenhar uma nova função. Exemplo: mutações genéticas podem levar à formação de novos tecidos ou fazer com que uma célula passe a desempenhar uma nova função, promovendo assim o aparecimento de tumor.

• Quebras de moléculas: a radiação pode quebrar o DNA das moléculas e prejudicar o processo de multiplicação celular. Esse processo pode fazer com que as células não consigam mais transmitir seu patrimônio genético durante sua multiplicação. A função celular pode ou não ser afetada.

É válido ressaltar que a extensão dos danos causados pela radiação depende de dois fatores muito importantes: a dose (quantidade de radiação que o organismo recebeu) e o tempo de exposição.

→ Malefícios a curto prazo

• Náusea

• Vômito

• Diarreia

• Febre

• Dor de cabeça

• Queimaduras

• Alteração na produção de sangue

• Rompimento de plaquetas

• Queda na resistência imunológica

→ Malefícios a longo prazo

• Câncer de pele, pulmão e outros

• Presença de radiação em toda a cadeia alimentar

• Diminuição da fertilidade

4- Utilizações das radiações

Independente do tipo (ionizante ou não ionizante) e origem (nuclear ou não nuclear), as radiações apresentam diversas utilizações. Entre elas, podemos destacar:

• Esterilização de materiais cirúrgicos (médicos ou odontológicos);

• Esterilização de alimentos industrializados;

Obs.: a esterilização é realizada visando à eliminação de micro-organismos como fungos e bactérias.

A tomografia é um exame que utiliza radiação ionizante na detecção de males ou doenças.

• Utilização na radioterapia (alternativa para o tratamento do câncer);

• Realização de exames médicos de imagem (mamografia, radiografia e tomografia computadorizada);

• Utilização no controle de qualidade de produção de peças metálicas, principalmente para aviões;

• Datação de fósseis e artefatos históricos por meio do carbono-14;

• Estudo do crescimento de plantas;

• Estudo do comportamento de insetos.

 

Por Me. Diogo Lopes Dias

Símbolo utilizado para indicar presença de radiação ou de material radioativo.

TEMPO DE MEIA-VIDA (T1/2).

A meia vida de um elemento radioativo é o intervalo de tempo em que uma amostra deste elemento se reduz à metade. Este intervalo de tempo também é chamado de período de semidesintegração.

À medida que os elementos radioativos vão se desintegrando, no decorrer do tempo, a sua quantidade e atividade vão reduzindo e, por consequência, a quantidade de energia emitida por ele, em razão da radioatividade, também é reduzida.

Uma característica interessante dos elementos radioativos é que em virtude da desintegração que eles sofrem, a massa que eles possuem é reduzida; nos períodos de semidesintegração, a massa é reduzida pela metade, deixando ainda a outra metade por se desintegrar, que também passará pelo período de semidesintegração e assim sucessivamente. E este processo vai acontecendo repetidamente de tal forma que a massa é reduzida, mas nunca chega a ser zero.

Relação massa – meia-vida

M = massa residual (kg)
Mo = massa inicial (kg)
X = quantidade de meias-vidas

A expressão citada anteriormente permite-nos perceber que os elementos radioativos duram eternamente.

Leis da Radioatividade

Os estudos sobre as emissões radioativas contribuíram para criação de duas leis sobre as desintegrações que ocorrem em núcleos atômicos.

Em 1911, Frederick Soddy formulou a Primeira Lei da Radioatividade, a respeito das emissões alfa, que se tornou conhecida como Lei de Soddy:

1ª lei) Um átomo instável emite uma partícula alfa (α), diminui o número atômico (Z) em duas unidades, ao passo que o número de massa (A) diminui em quatro unidades. Assim: 24α

Segundo essa lei, um novo elemento químico pode ser formado com número atômico com duas unidades a menos que o elemento inicial.

Exemplo:

O urânio-238 ao emitir uma partícula alfa gera o elemento tório. Da mesma maneira, o tório pode emitir uma partícula alfa e levar à formação do elemento rádio.

Emissões Alfa
²³⁸U₉₂ → ⁴α₂ + ²³⁴Th₉₀

Em 1913, Frederick Soddy, Kasimir Fajans e Smith Russell criaram a Segunda Lei da Radioatividade, também conhecida como Lei de Soddy, Fajans e Russell:

2ª lei) Um átomo instável emite uma partícula beta (β), aumenta o número atômico (Z) em uma unidade, ao passo que o número de massa (A) permanece o mesmo. Assim: -10β

De acordo com essa lei, o elemento criado é isóbaro do elemento inicial, pois possuem mesma massa atômica e números atômicos com diferença de uma unidade.

Exemplo:

Emissões Beta
²¹⁴Bi₈₃ → ⁰β-₁ + ²¹⁴Po₈₄

Quando ocorre uma emissão beta, há a conversão de um nêutron em um próton, modificando o número atômico e consequentemente um novo elemento é formado.

REAÇÕES NUCLEARES.

Fusão Nuclear é a junção de átomos que têm núcleos leves. Da junção desses átomos, resulta um átomo com núcleo mais pesado.

Submetidos a uma temperatura bastante elevada (cerca de 10 milhões de graus Celsius), o deutério (H2) e o trítio (H3), que são isótopos de hidrogênio (H), se unem. Dessa união resulta a liberação de uma grande quantidade de energia e são formados núcleos de hélio.

O processo de fusão nuclear dá origem ao funcionamento das bombas de hidrogênio (as bombas atômicas mais destrutivas que existem). Da fusão decorre também a produção de energia solar.

Reator de Fusão Nuclear

A fusão nuclear libera bastante energia. Por esse motivo há um compromisso muito grande da comunidade científica em tornar possível a energia nuclear como uma opção energética a partir do processo de fusão.

Para esse fim, é necessário um reator capaz de produzir e controlar a fusão nuclear.

Tokamak é o nome que se dá aos reatores que estão sendo desenvolvidos em vários locais do mundo.

Quais as suas Vantagens?

A energia gerada pela fusão nuclear seria uma forma que garantiria segurança e limpeza ambiental. Isso porque, a fissão nuclear produz energia principalmente através do urânio (um dos principais elementos radioativos).

Uma vez que a quantidade de combustível utilizado é menor, decorre que a radioatividade também seja inferior e, logo, também seja menor a produção de lixo nuclear.

O combustível utilizado para fusão pode ser obtido na água do mar e no trílio do próprio reator nuclear. Na fissão, é o urânio que é utilizado para esse fim, mas esse não é facilmente extraído.

FISSÃO NUCLEAR.

Esse tipo de reação nuclear foi estudado pela primeira vez em 1934, pelos cientistas italianos Enrico Fermi e Emílio Segrè. Eles bombardearam átomos de urânio (Z = 92) com nêutrons em velocidade moderada. Quando a velocidade é dessa forma, o núcleo do átomo captura um nêutron, ocorrendo emissão de radiação gama (γ) e, posteriormente, o núcleo sofre desintegração, emitindo partículas _-1⁰β.

Em 1938, o físico alemão Otto Hahn e seus colaboradores realizaram essas experiências de bombardeamento do urânio, e a física austríaca Lise Meitner (1878-1968) explicou esse fenômeno, dizendo que o núcleo do átomo de urânio era instável e ao ser bombardeado com nêutrons moderados ele se rompe praticamente ao meio, originando dois núcleos médios e liberando dois ou três nêutrons, além da liberação de uma grande quantidade de energia. Essa cientista foi a primeira a usar a expressão fissão nuclear para interpretar os resultados das reações de Otto Hahn.

Isso é mostrado na equação a seguir, que representa a fissão nuclear do urânio, lembrando que somente o urânio 235 sofre fissão, seus outros isótopos não.

Observe que essa fissão do urânio 235 pode ocorrer de diversas maneiras, originando pares de núcleos diferentes.

Dito de forma resumida, a fissão nuclear é a quebra de núcleos grandes, formando núcleos menores e liberando grande quantidade de energia.

Um ponto importante é que os nêutrons que foram emitidos na fissão podem ser utilizados para atingir outros átomos, gerando uma nova emissão de nêutrons, que novamente podem ser usados em outras fissões. Essa sucessão de reações de fissão nuclear que podem ocorrer partindo de um único nêutron é denominada reação em cadeia.

Se a massa de urânio for pequena, a maioria dos nêutrons escapará sem atingir outros núcleos, não ocorrendo reação em cadeia. Assim, dizemos que a massa do urânio é subcritíca. Já se a amostra de urânio for suficientemente grande para que a fissão em cadeia citada acima ocorra, então tem-se a massa critíca, isto é a quantidade mínima de material fissionável.

A energia liberada em uma reação de fissão nuclear é imensamente maior do que as liberadas em reações químicas. A fissão do urânio-235 libera 2 . 10¹⁰ kJ/mol de energia. Realizando uma comparação, essa energia é um trilhão de vezes maior que a energia liberada na reação de combustão de etanol, na qual são liberados 98 kJ/mol.

Essa força tem um poder de destruição assustador, que pode ser visto nos dois exemplos trágicos do uso da bomba atômica em Hiroshima e Nagasaki.

A fissão nuclear libera grande quantidade de energia. Um exemplo foi a bomba atômica lançada em Hiroshima (foto)

Assistam a vídeo aula com o Professo João Brasil pelo link:

https://youtu.be/ZnuVKgcdVw4

Vídeo disponível no YouTube.

BONS ESTUDOS!

Exemplos.

1) Numa reação de fissão nuclear, 1,5 g de urânio é fissionado, liberando uma quantidade de energia equivalente a:

Dados:

c = 3,0.10⁸ m/s

Resolução:

A massa deve estar em quilogramas: 1,5 g = 1,5.10-³ Kg

E = m . c²

E = 1,5.10-³ . (3.10⁸)²

E = 1,5.10-³ . 9.10¹⁶

E = 13,5.10¹³

E = 1,35.10¹⁴ J

2) Observe a equação a seguir:

O X pode ser corretamente substituído por:

a) partícula α

b) partícula β

c) radiação γ

d) raios X

Resolução:

Como não alterou o número de massa e o número atômico aumentou 1 unidade, concluímos que X é uma partícula β, pois -₁β⁰.

Resposta: B

3) Após 12 dias, uma substância radioativa tem a sua atividade reduzida para 1/16 da inicial. Qual é o tempo de meia-vida dessa substância?

Resolução:

F = Fo/ 2^x

^{1/16 = 1/} 2^x

^{1/2⁴ = 1/} 2^x

 ^{2x = 2⁴}

X = 4 meias-vidas

Assim, temos:

T1/2 = 12 dias/4 meias-vidas

T1/2 = 3 dias.

4) O xenônio-133 é usado em pesquisas sobre os pulmões, e sua meia-vida ou período de semidesintegração é de cinco dias. Se uma amostra contiver 200 mg de xenônio-133, após quanto tempo essa massa será reduzida para 25 mg?

Resolução:

M = Mo/2^x 

^{25 = 200/}2^x

^{2x = 200/25}

^{2x = 8}

2^{x = 2³}

^{x = 3 meias-vidas}

^{T1/2 = n/x}

^{5 = n/3}

^{n = 5 . 3}

^{n = 15 dias.}

^{Agora façam aos exercícios que seguem.}

^EXERCÍCIOS.

^{1) Num reator de fissão nuclear 2,5 g de urânio é utilizado como combustível. Considerando a massa como massa de repouso, a energia liberado pela fissão de toda massa de urânio é:}

^{a) 7,5.10¹⁴ J}

^{b) 5.10¹⁴ J}

^{c) 3,5.10¹⁴ J}

^{d) 2,25.10¹⁴ J}

^{e ) 1,5.10¹⁴ J}

²⁾ O gráfico a seguir representa a variação da concentração de um radioisótopo com o tempo:

Gráfico em exercício sobre meia-vida de radioisótopos

A observação do gráfico permite afirmar que a meia-vida do radioisótopo é igual a:

a) 10 min.

b) 4 min.

c) 4 min.

d) 3 min.

e) 2 min.

3) O ²⁰¹Tl é um isótopo radioativo usado na forma de TlCl₃ (cloreto de tálio) para diagnóstico do funcionamento do coração. Certo hospital possui 20 g deste isótopo. Sabendo que após 9 dias a massa passou a ser de 2,5 g em gramas, qual é o período de semidesintegração do Tálio-201 (²⁰¹Tl)?

a) 3 dias

b) 1 dias

c) 2 dias

d) 5 dias

e) 4 dias

4) Na determinação da idade de um fóssil, recorreu-se a datação com carbono-14. Sendo sua meia-vida de aproximadamente 5730 anos. Qual seria a idade de um esqueleto de animal que tem uma fração de carbono-14 igual a 1/16 da normal?

a) 17190 anos

b) 22920 anos

c) 20000 anos

d) 18500 anos

e) 21000 anos

5) Analise os itens a seguir que fornecem informações a respeito das radiações nucleares.

I - As radiações gama são ondas eletromagnéticas de elevado poder de penetração.

II - O número atômico de um radionuclídeo que emite radiações alfa aumenta em duas unidades.

III - As radiações beta são idênticas aos elétrons e possuem carga elétrica negativa.

IV - O número de massa de um radionuclídeo que emite radiações beta não se altera.

V - As radiações gama possuem carga nuclear +2 e número de massa 4.

Estão corretas as afirmativas:

a) I, II, e III, apenas.

b) I, III e V, apenas.

c) I, III e IV, apenas.

d) II, III e IV, apenas.

e) II, IV e V, apenas.