Reação nuclear (NR) - um processo no qual o núcleo de um átomo muda por esmagamento ou combinação com o núcleo de outro átomo. Assim, deve levar à transformação de pelo menos um nuclídeo em outro. Às vezes, se um núcleo interage com outro núcleo ou partícula sem alterar a natureza de qualquer nuclídeo, o processo é chamado de espalhamento nuclear. Talvez mais notáveis sejam as reações de fusão de elementos leves, que afetam a produção de energia das estrelas e do sol. As reações naturais também ocorrem na interação dos raios cósmicos com a matéria.
Reator nuclear natural
A reação humana mais notável é a reação de fissão que ocorre em reatores nucleares. Estes são dispositivos para iniciar e controlar uma reação nuclear em cadeia. Mas não existem apenas reatores artificiais. O primeiro reator nuclear natural do mundo foi descoberto em 1972 em Oklo, no Gabão, pelo físico francês Francis Perrin.
As condições sob as quais a energia natural de uma reação nuclear poderia ser gerada foram previstas em 1956 por Paul Kazuo Kuroda. O único lugar conhecido emworld consiste em 16 locais nos quais ocorreram reações autossustentáveis desse tipo. Acredita-se que isso tenha ocorrido há cerca de 1,7 bilhão de anos e continuou por várias centenas de milhares de anos, como evidenciado pelos isótopos de xenônio (um gás produto da fissão) e proporções variáveis de U-235/U-238 (enriquecimento de urânio natural).
Fissão nuclear
O gráfico de energia de ligação sugere que nuclídeos com massa maior que 130 a.m.u. devem se separar espontaneamente para formar nuclídeos mais leves e estáveis. Experimentalmente, os cientistas descobriram que as reações de fissão espontânea dos elementos de uma reação nuclear ocorrem apenas para os nuclídeos mais pesados com um número de massa de 230 ou mais. Mesmo que isso seja feito, é muito lento. A meia-vida da fissão espontânea de 238 U, por exemplo, é de 10 a 16 anos, ou cerca de dois milhões de vezes mais do que a idade do nosso planeta! As reações de fissão podem ser induzidas pela irradiação de amostras de nuclídeos pesados com nêutrons térmicos lentos. Por exemplo, quando 235 U absorve um nêutron térmico, ele se quebra em duas partículas de massa irregular e libera uma média de 2,5 nêutrons.
A absorção do nêutron 238 U induz vibrações no núcleo, que o deformam até se partir em fragmentos, assim como uma gota de líquido pode se espatifar em gotículas menores. Mais de 370 nuclídeos filhos com massas atômicas entre 72 e 161 a.m.u. são formados durante a fissão por um nêutron térmico 235U, incluindo dois produtos,mostrado abaixo.
Isótopos de uma reação nuclear, como o urânio, sofrem fissão induzida. Mas o único isótopo natural 235 U está presente em abundância em apenas 0,72%. A fissão induzida deste isótopo libera em média 200 MeV por átomo, ou 80 milhões de quilojoules por grama de 235 U. A atração da fissão nuclear como fonte de energia pode ser entendida comparando este valor com os 50 kJ/g liberados quando natural o gás é queimado.
Primeiro reator nuclear
O primeiro reator nuclear artificial foi construído por Enrico Fermi e colegas de trabalho no estádio de futebol da Universidade de Chicago e colocado em operação em 2 de dezembro de 1942. Esse reator, que produzia vários quilowatts de energia, consistia em uma pilha de 385 toneladas de blocos de grafite empilhados em camadas em torno de uma rede cúbica de 40 toneladas de urânio e óxido de urânio. A fissão espontânea de 238 U ou 235 U neste reator produziu muito poucos nêutrons. Mas havia urânio suficiente, então um desses nêutrons induziu a fissão do núcleo de 235 U, liberando assim uma média de 2,5 nêutrons, que catalisou a fissão de núcleos adicionais de 235 U em uma reação em cadeia (reações nucleares).
A quantidade de material cindível necessária para sustentar uma reação em cadeia é chamada de massa crítica. As setas verdes mostram a divisão do núcleo de urânio em dois fragmentos de fissão emitindo novos nêutrons. Alguns desses nêutrons podem desencadear novas reações de fissão (setas pretas). Algunsnêutrons podem ser perdidos em outros processos (setas azuis). As setas vermelhas mostram nêutrons atrasados que chegam mais tarde de fragmentos de fissão radioativa e podem desencadear novas reações de fissão.
Designação de reações nucleares
Vejamos as propriedades básicas dos átomos, incluindo número atômico e massa atômica. O número atômico é o número de prótons no núcleo de um átomo, e os isótopos têm o mesmo número atômico, mas diferem no número de nêutrons. Se os núcleos iniciais são denotados a e b, e os núcleos produto são denotados c e d, então a reação pode ser representada pela equação que você pode ver abaixo.
Quais reações nucleares se cancelam para partículas leves em vez de usar equações completas? Em muitas situações, a forma compacta é usada para descrever tais processos: a (b, c) d é equivalente a a + b produzindo c + d. As partículas de luz são frequentemente abreviadas: geralmente p significa próton, n para nêutron, d para deutério, α para alfa ou hélio-4, β para beta ou elétron, γ para fóton gama, etc.
Tipos de reações nucleares
Embora o número de reações possíveis seja enorme, elas podem ser classificadas por tipo. A maioria dessas reações é acompanhada por radiação gama. Aqui estão alguns exemplos:
- Espalhamento elástico. Ocorre quando nenhuma energia é transferida entre o núcleo alvo e a partícula que chega.
- Espalhamento inelástico. Ocorre quando a energia é transferida. A diferença nas energias cinéticas é conservada no nuclídeo excitado.
- Captura de reações. ambos cobrados epartículas neutras podem ser capturadas por núcleos. Isto é acompanhado pela emissão de raios ɣ. As partículas das reações nucleares na reação de captura de nêutrons são chamadas de nuclídeos radioativos (radiatividade induzida).
- Reações de transmissão. A absorção de uma partícula, acompanhada pela emissão de uma ou mais partículas, é chamada de reação de transferência.
- Reações de fissão. A fissão nuclear é uma reação na qual o núcleo de um átomo é dividido em pedaços menores (núcleos mais leves). O processo de fissão geralmente produz nêutrons e fótons livres (na forma de raios gama) e libera grandes quantidades de energia.
- Reações de fusão. Ocorrem quando dois ou mais núcleos atômicos colidem em altíssima velocidade e se combinam para formar um novo tipo de núcleo atômico. As partículas nucleares de fusão deutério-trítio são de particular interesse devido ao seu potencial para fornecer energia no futuro.
- Reações de divisão. Ocorre quando um núcleo é atingido por uma partícula com energia e momento suficientes para derrubar alguns pequenos fragmentos ou quebrá-lo em muitos fragmentos.
- Reações de rearranjo. Esta é a absorção de uma partícula, acompanhada pela emissão de uma ou mais partículas:
- 197Au (p, d) 196mAu
- 4He (a, p) 7Li
- 27Al (a, n) 30P
- 54Fe (a, d) 58Co
- 54Fe (a, 2 n) 56Ni
- 54Fe (32S, 28Si) 58Ni
Diferentes reações de rearranjo alteram o número de nêutrons e o número de prótons.
Decaimento nuclear
Reações nucleares ocorrem quando um átomo instável perde energia porradiação. É um processo aleatório no nível de átomos individuais, pois de acordo com a teoria quântica é impossível prever quando um átomo individual irá decair.
Existem muitos tipos de decaimento radioativo:
- Radioatividade Alfa. As partículas alfa são compostas por dois prótons e dois nêutrons unidos por uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. Devido à sua grande massa e carga, ioniza fortemente o material e tem um alcance muito curto.
- Radioatividade beta. São pósitrons de alta energia e alta velocidade, ou elétrons, emitidos por certos tipos de núcleos radioativos, como o potássio-40. As partículas beta têm um alcance de penetração maior do que as partículas alfa, mas ainda muito menos do que os raios gama. As partículas beta ejetadas são uma forma de radiação ionizante, também conhecida como raios beta de reação em cadeia nuclear. A produção de partículas beta é chamada de decaimento beta.
- Radioatividade gama. Os raios gama são radiações eletromagnéticas de frequência muito alta e, portanto, são fótons de alta energia. Eles são formados quando os núcleos decaem à medida que passam de um estado de alta energia para um estado mais baixo conhecido como decaimento gama. A maioria das reações nucleares é acompanhada por radiação gama.
- Emissão de nêutrons. A emissão de nêutrons é um tipo de decaimento radioativo de núcleos contendo excesso de nêutrons (especialmente produtos de fissão), no qual o nêutron é simplesmente ejetado do núcleo. Esse tipoa radiação desempenha um papel fundamental no controle de reatores nucleares porque esses nêutrons são atrasados.
Energia
Q-valor da energia de uma reação nuclear é a quantidade de energia liberada ou absorvida durante a reação. É chamado de balanço de energia, ou valor Q da reação. Essa energia é expressa como a diferença entre a energia cinética do produto e a quantidade do reagente.
Visão geral da reação: x + X ⟶ Y + y + Q……(i) x + X ⟶ Y + y + Q……(i), onde x e X são reagentes, e y e Y é o produto da reação, que pode determinar a energia de uma reação nuclear, Q é o balanço de energia.
Q-valor NR refere-se à energia liberada ou absorvida em uma reação. Também é chamado de balanço de energia NR, que pode ser positivo ou negativo dependendo da natureza.
Se o valor Q for positivo, a reação será exotérmica, também chamada de exotérmica. Ela libera energia. Se o valor Q for negativo, a reação é endoérgica ou endotérmica. Tais reações são realizadas absorvendo energia.
Em física nuclear, tais reações são definidas pelo valor Q, como a diferença entre a soma das massas dos reagentes iniciais e dos produtos finais. É medido em unidades de energia MeV. Considere uma reação típica na qual o projétil a e o alvo A rendem dois produtos B e b.
Isso pode ser expresso assim: a + A → B + B, ou mesmo em uma notação mais compacta - A (a, b) B. Tipos de energias em uma reação nuclear e o significado desta reaçãodeterminado pela fórmula:
Q=[m a + m A - (m b + m B)] c 2, que coincide com o excesso de energia cinética dos produtos finais:
Q=T final - T inicial
Para reações em que há aumento da energia cinética dos produtos, Q é positivo. As reações Q positivas são chamadas de exotérmicas (ou exógenas).
Há uma liberação líquida de energia, pois a energia cinética do estado final é maior do que no estado inicial. Para reações em que se observa uma diminuição da energia cinética dos produtos, Q é negativo.
Meia-vida
A meia-vida de uma substância radioativa é uma constante característica. Ele mede o tempo necessário para que uma determinada quantidade de matéria seja reduzida pela metade através do decaimento e, portanto, da radiação.
Arqueólogos e geólogos usam a meia-vida para datar objetos orgânicos em um processo conhecido como datação por carbono. Durante o decaimento beta, o carbono 14 é convertido em nitrogênio 14. No momento da morte, os organismos param de produzir carbono 14. Como a meia-vida é constante, a proporção de carbono 14 para nitrogênio 14 fornece uma medida da idade da amostra.
Na área médica, as fontes de energia das reações nucleares são isótopos radioativos de cob alto 60, que tem sido usado em radioterapia para encolher tumores que serão posteriormente removidos cirurgicamente, ou para matar células cancerosas em locais inoperáveis.tumores. Quando se decompõe em níquel estável, emite duas energias relativamente altas - raios gama. Hoje está sendo substituído por sistemas de radioterapia por feixe de elétrons.
Meia-vida do isótopo de algumas amostras:
- oxigênio 16 - infinito;
- urânio 238 - 4.460.000.000 anos;
- urânio 235 - 713.000.000 anos;
- carbono 14 - 5.730 anos;
- cob alt 60 - 5, 27 anos;
- prata 94 - 0,42 segundos.
Datação por radiocarbono
A uma taxa muito constante, o instável carbono 14 decai gradualmente em carbono 12. A proporção desses isótopos de carbono revela a idade de alguns dos habitantes mais antigos da Terra.
A datação por radiocarbono é um método que fornece estimativas objetivas da idade de materiais à base de carbono. A idade pode ser estimada medindo a quantidade de carbono 14 presente em uma amostra e comparando-a com uma referência padrão internacional.
O impacto da datação por radiocarbono no mundo moderno a tornou uma das descobertas mais significativas do século XX. Plantas e animais assimilam o carbono 14 do dióxido de carbono ao longo de suas vidas. Quando morrem, param de trocar carbono com a biosfera, e seu conteúdo de carbono 14 começa a diminuir a uma taxa determinada pela lei do decaimento radioativo.
A datação por radiocarbono é essencialmente um método para medir a radioatividade residual. Sabendo quanto carbono 14 resta na amostra, você pode descobrira idade do organismo quando morreu. Deve-se notar que os resultados da datação por radiocarbono mostram quando o organismo estava vivo.
Métodos básicos para medição de radiocarbono
Existem três métodos principais usados para medir o carbono 14 em qualquer cálculo proporcional do amostrador, contador de cintilação líquida e espectrometria de massa do acelerador.
A contagem proporcional de gases é uma técnica de datação radiométrica comum que leva em consideração as partículas beta emitidas por uma determinada amostra. As partículas beta são produtos de decaimento do radiocarbono. Neste método, a amostra de carbono é primeiro convertida em gás dióxido de carbono antes de ser medida em medidores proporcionais de gás.
A contagem do fluido de cintilação é outro método de datação por radiocarbono que era popular na década de 1960. Neste método, a amostra está na forma líquida e um cintilador é adicionado. Este cintilador cria um flash de luz quando interage com uma partícula beta. O tubo de amostra é passado entre dois fotomultiplicadores e quando ambos os dispositivos registram um flash de luz, é feita uma contagem.
Os Benefícios da Ciência Nuclear
As leis das reações nucleares são usadas em uma ampla gama de ramos da ciência e tecnologia, como medicina, energia, geologia, espaço e proteção ambiental. A medicina nuclear e a radiologia são práticas médicas que envolvem o uso de radiação ou radioatividade para diagnóstico, tratamento e prevenção.doenças. Embora a radiologia esteja em uso há quase um século, o termo "medicina nuclear" começou a ser usado há cerca de 50 anos.
A energia nuclear está em uso há décadas e é uma das opções de energia de mais rápido crescimento para países que buscam segurança energética e soluções de economia de energia de baixa emissão.
Arqueólogos usam uma ampla gama de métodos nucleares para determinar a idade dos objetos. Artefatos como o Sudário de Turim, os Manuscritos do Mar Morto e a Coroa de Carlos Magno podem ser datados e autenticados usando técnicas nucleares.
Técnicas nucleares são usadas em comunidades agrícolas para combater doenças. As fontes radioativas são amplamente utilizadas na indústria de mineração. Por exemplo, são utilizados em ensaios não destrutivos de bloqueios em tubulações e soldas, na medição da densidade do material perfurado.
A ciência nuclear desempenha um papel valioso em nos ajudar a entender a história do nosso meio ambiente.
