Reações Nucleares

1. Reações Nucleares Núcleo + nêutrons, prótons, , , dêuterons, tritons, íons pesados (12C,16O) 1ª Reação Nuclear (Rutherford, 1919)

2. Notação Genérica: 1º Radionuclídeo artificial (Curies, 1934) Fonte: 210Po

3. Reações Nucleares com Partículas Aceleradas (Cockroft e Walton, 1932) Tipos de Reações Nucleares • Espalhamento Elástico

4. Próton: deflexão na trajetória Núcleo de AL: recuo A Ecinética total do sistema projétil mais alvo, é a mesma antes e depois da colisão, e as partículas não alteram a sua identidade.

5. Ex: Espalhamento de Rutherford (forças Coulômbicas e Nucleares) 2. Espalhamento inelástico O núcleo passa para um estado excitado ou sofre modificação na sua estrutura. Núcleo excitado

6. Núcleo excitado – fótons  cascata • Captura da partícula bombardeadora, com emissão gama: núcleo estável ou radioativo t½ = 2.3 min - = 2.9 MeV  = 1.78 MeV

7. c. Captura de partícula, com emissão de núcleon ou nuclídeo simples (dêuteron, partícula -) d. Captura, com emissão de vários núcleons (2n 3n, 2p, n,  n)  partículas com energia mais alta. e. “Spallation”, com emissão de um número grande de núcleons  partículas com E > 100 MeV.

8. f. Fragmentação: núcleos pesados (Z > 70) e prótons com E> 0,5BeV: fragmentos excitados, um leve e um pesado. g. Fissão: ruptura do núcleo em dois núcleos altamente excitados, de massas similares  nêutrons de baixa energia. • = valor médio de 2,46 235U (n,f)

9. Variações Energéticas nas Reações Nucleares Reações Exoérgicas: desprendimento de Energia Reações Endoérgicas: absorção de Energia N (14.0030744) +  (4.0026036) = 18.005678 u.m.a O (16.999133) + p(1.0078252) = 18.006958 u.m.a • Diferença: - 0.00128 E = - 0.00128 X 931 = -1.192MeV

10. Energia de Limiar: -Q (m + M)/M = 1.192 (14 + 4)/14 = 1.53 MeV Parte da Energia Cinética da partícula incidente  transferida para o núcleo composto (recoil energy).

11. Energia liberada em uma reação nuclear: aparece como Ecinética dos produtos, distribuída em relação às massas. REAÇÃO EXOÉRGICA 24Mg 23,985045 25Mg 24,985840

12. Dif: 0,005493 u.m.a. = 5,1 MeV Reações Exoérgicas: não há Energia de Limiar Essas reações poderiam se processar com partículas de Energias muito baixas. Impedimento: Barreira Coulombiana Reações com Nêutrons: não há barreira Coulombiana

13. Comparação entre reações Nucleares e Reações Químicas: 5,1MeV = 19,5 x 10-14cal 19,5 x 10-14 x 6,02 x1023 = 11,7 x1010cal/at.g Reações Químicas: 105cal/at.g

14. O valor Q Q = c2 (mr – mp) Q (MeV) = 931 (mr - p) m  u.m.a. Reação Exoérgicas:  mp<  mr , Q > 0 Reação Endoérgicas:  mp >  mr, Q < 0

15. Reações produzidas por Nêutrons Tipo mais simples de reação nuclear com nêutrons: captura radioativa. Fermi realizou esse processo com o nuclídeo mais leve: e com o mais pesado: + t½ = 23.5min,  = 74 KeV

16. Captura de nêutrons: formação de núcleo excitado Formas de des-excitação • Emissão de fóton (n, ) • Re-emissão de nêutron (n,n´) • Emissão de próton (n, p) • Emissão de partícula  (n,) Nêutrons de baixa energia: maior probabilidade para a reação (n, ).

17. Nêutrons de energias mais altas: contribuição das reações (n,p) e (n,) torna-se mais significativa. Item b) (n,n´) Se o núcleo volta imediatamente ao estado fundamental após a emissão de um nêutron: processo idêntico a um espalhamento elástico.

18. Barreiras para Partículas Carregadas Reação Nuclear: 14N (,p )17O Q = -1.192.MeV EL = 1.53MeV Para que a reação ocorra com bom rendimento, é necessário que a partícula carregada vença a repulsão Coulômbica entre ela e o núcleo.

19. R1 R2 A “altura” da chamada barreira Coulombiana, é dada por: Sendo: e = 4.8x10-10 u.e.e

20. Como: 1eV = 1.6 x 10-12 ergs 1MeV = 1.6 x 10-6 ergs Para R em Fermis:

21. Para o 14N e partícula – R (N) = 1.6 x 141/3 F = 3.86F R () = 1.6 x 41/3 F = 2.54F V = 1.44 x 7 x 2/6.40 = 3.15MeV Devido à transferência de uma parte da energia cinética para o núcleo produto: 3.15 x 18 = 4.0 MeV 14 é a energia cinética que a partícula  deve ter para penetrar o núcleo de 14N e produzir a reação , p.

22. Partículas - de Rutherford: E > 7 MeV Barreira Coulombiana em torno de um núcleo para prótons e dêuterons: metade daquela obtida para a partícula -: Para os elementos mais pesados: V aproximadamente 12 MeV para prótons aproximadamente 25 MeV para partículas -

23. Núcleo composto-complexo ativado Ex.: 27Al + n  28Al* Formas de des-excitação: p27Mg 24Na 28*Al  28Al 2n 26Al

24. Seção de Choque I I-dI dx I: nº de partículas incidentes/unidade de tempo N: nº de núcleos/cm3 do alvo -dI  N I dx -dI= t N dx I 1/cm3 cm

25. t:secção de choque total   cm2 Dimensões dos núcleos mais pesados  10-12cm t : área geométrica dos núcleos Unidade: Barn = 10-24 cm2 1 mb = 10-27cm2 1ub = 10-30 cm2

27. Fissão Nuclear 1. Descoberta da Fissão Nuclear Grupo de Fermi (1935-39): bombardeamento com nêutrons de um grande número de elementos

28. No caso do Urânio Elemento trans-urânico  emissor de partículas 

29. Setembro de 1939: Bohr e Wheeler: Demonstram teoricamente que a fissão do U-235 devia ocorrer com nêutrons lentos e a do 238U e 232Th com nêutrons de energia mais alta (acima de 1MeV).