Desvendando o Núcleo AtômicoNilberto H. Medina

Instituto de Física da Universidade de São Paulo

 24 de Julho de 2009

V Encontro IFUSP­Escola

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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

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• 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

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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)

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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

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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

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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

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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