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Física nuclear

Física do A-Level · Tópico 23

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13:08

Equivalência Massa-Energia

Olhe para o Sol. A cada segundo, ele converte quatro milhões de toneladas de si mesmo — desaparecendo, sumindo — em energia pura. Não queimando. Convertendo. Essa massa perdida…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

23.1

Equivalência massa-energia

Programa
  1. compreender a equivalência entre energia e massa representada por $E = mc^2$ e recordar e usar esta equação
  2. representar reações nucleares simples por equações nucleares da forma $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
  3. definir e usar os termos defeito de massa e energia de ligação
  4. esboçar a variação da energia de ligação por nucleon com o número de nucleons
  5. explicar o significado de fusão nuclear e fissão nuclear
  6. explicar a relevância da energia de ligação por nucleon para reações nucleares, incluindo fusão e fissão nuclear
  7. calcular a energia liberada em reações nucleares usando $E = c^2 \Delta m$

Fonte: Programa Cambridge International

A relatividade especial de Einstein dá a famosa ligação (equivalência massa-energia 质能等价):

Massa e energia podem mudar uma na outra, E = m c squared *Massa e energia são equivalentes e podem mudar uma na outra

$$E = m c^{2},$$

onde $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. Uma massa $m$ corresponde a uma energia 能量 $E$ — as duas podem mudar uma na outra. Para uma mudança de massa $\Delta m$:

Exemplo resolvido. A estrela Sírius perde massa através de fusão nuclear a $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. Encontre a potência que ela irradia.

Cada quilograma que desaparece deixa-se como energia: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. Esta é a luminosidade 光度 do astro (Tema 25); a do Sol é $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, assim perde cerca de $4$ milhões de toneladas por segundo. A mesma ideia ao contrário: uma central elétrica que produz $1\ \text{GW}$ durante um ano converte $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ de massa, pelo que o combustível pesa quase o mesmo depois.

$$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$

Na física nuclear, as massas são mínimas, mas $c^{2}$ é enorme, então uma pequena variação de massa significa uma grande quantidade de energia. Uma variação de massa de $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) corresponde a $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. Isso fornece uma conversão que você usará repetidamente:

$$1\ \text{u} \ \longleftrightarrow\ 931\ \text{MeV}.$$
23.1

Reações nucleares

Uma reação nuclear 核反应 escreve-se como

$$^{14}_{7}\text{N} + {}^{4}_{2}\text{He} \to {}^{17}_{8}\text{O} + {}^{1}_{1}\text{H},$$

com número de nucleões 核子数 conservado (números superiores: $14 + 4 = 17 + 1$) e carga conservada (números inferiores: $7 + 2 = 8 + 1$) — isto é conservação da carga 电荷守恒. Use estes para preencher uma incógnita: identifique a espécie, depois equilibre os números superiores e inferiores.

As equações de decaimento. O decaimento alfa remove $^{4}_{2}\text{He}$, logo $A$ desce em 4 e $Z$ em 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. O decaimento beta menos transforma um neutrão num protão, emitindo um eletrão e um antineutrino: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ inalterado, $Z$ sobe em 1). O decaimento beta mais transforma um protão num neutrão, emitindo um pósitron 正电子 e um neutrino 中微子: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ desce em 1). A emissão gama não altera nenhum número. numa cadeia de decaimentos basta fazer as contas: um núcleo W que emite $\beta^{-}$, depois $\alpha$, depois $\beta^{-}$ termina com $A - 4$ e $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, um isótopo de W. Verifique ambas as linhas de cada equação que completa, e lembre-se do neutrino: o modelo de correção inclui-o.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
neutrino/njuːˈtriːnəʊ/ 中微子 zhōng wēi zǐ
23.1

Defeito de massa e energia de ligação

A massa de um núcleo 原子核 é menor que a massa total dos seus protões 质子 e neutroes 中to separados. A diferença é o defeito de massa 质量亏损 $\Delta m$:

$$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$

Pelo $E = mc^{2}$, essa massa "ausente" foi libertada como energia quando o núcleo se formou. Para desmontar o núcleo completamente tem de voltar a colocar essa energia — a energia de ligação 结合能 $B$:

$$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$
Protões e neutroes separados têm massa total Z m_p + N m_n; quando se montam num núcleo o núcleo tem menos massa (o defeito de massa), e essa massa ausente é libertada como a energia de ligação B
O núcleo montado tem menos massa que os seus nucleões separados; a massa ausente é libertada como energia de ligação

Exemplo resolvido. Um núcleo de hélio-4 tem um defeito de massa de $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. Encontre a sua energia de ligação. ($1\ \text{u}$ corresponde a $931\ \text{MeV}$.)

$$B = \Delta m \cdot c^{2} = 0.0304 \times 931 \approx 28\ \text{MeV}.$$

Um núcleo mais fortemente ligado tem maior defeito de massa e maior energia de ligação. A energia de ligação por nucleão 比结合能 é $B/A$ (geralmente em MeV por nucleão) — uma medida de quão firmemente cada nucleão está mantido, útil para comparar nuclídeos.

As definições de dois pontos. O defeito de massa de um núcleo é a diferença entre a massa total dos seus nucleões separados e a massa do núcleo. A energia de ligação é a energia mínima necessária para separar o núcleo nos seus nucleões individuais (ou equivalentemente, a energia libertada quando o núcleo é formado a partir de nucleões separados). Diga "nucleões separados" ou "protões e neutroes individuais"; "a energia que mantém o núcleo unido" não pontua. A energia de ligação é libertada, não armazenada: o núcleo tem menos energia que as suas partes.

Exemplo resolvido. As massas são: protão $1.007\,276\ \text{u}$, neutrão $1.008\,665\ \text{u}$, núcleo de polónio-212 $211.945\,4\ \text{u}$. Encontre o defeito de massa e a energia de ligação por nucleão de $^{212}_{84}\text{Po}$.

$Z = 84$ protões e $N = 212 - 84 = 128$ neutroes: total $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. Defeito de massa $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. Energia de ligação $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, logo por nucleão $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, na parte descendente da curva. Mantenha todas as casas decimais até à subtração: o defeito é uma pequena diferença entre dois números grandes.

Energia de ligação por nucleão vs número de nucleões

Um gráfico de $B/A$ contra $A$ tem uma forma típica:

  • para núcleos leves ($A < 20$), $B/A$ sobe rapidamente (com um pico no muito estável $^{4}_{2}\text{He}$).
  • em torno de $A \sim 56$ (ferro), $B/A$ atinge o seu máximo de cerca de $8.8\ \text{MeV}$. O ferro-56 é o núcleo mais estável.
  • para núcleos pesados ($A > 100$), $B/A$ desce lentamente, para cerca de $7.5\ \text{MeV}$ no urânio.

Assim a curva tem formato de cúpula, sobe até ao ferro depois desce.

Desenhando a curva. A prova fornece eixos em branco ($A$ de 1 a 250, $B/A$ até cerca de $9\ \text{MeV}$) e marca: um aumento íngreme perto de zero em $A = 1$, um máximo próximo a $A = 56$ em cerca de $8.8\ \text{MeV}$, seguido por uma queda lenta e suave até cerca de $7.5\ \text{MeV}$ em $A = 238$. Não comece a curva exatamente na origem (o hidrogênio-1 não tem energia de ligação, mas é um ponto único), não faça a queda tão íngreme quanto o aumento e não deixe a curva atingir zero à direita. Se solicitado a marcar um núcleo que sofre decaimento alfa, coloque X no extremo direito, $A > 200$; um núcleo que sofre fusão fica no extremo esquerdo, $A < 10$; ambos estão em baixos $B/A$, subindo pela curva quando reagem.

Um gráfico da energia de ligação por núcleon em MeV contra o número de núcleons: subindo abruptamente para núcleos leves até um pico de aproximadamente 8.8 MeV próximo a A = 56, depois caindo lentamente para núcleos pesados, com setas mostrando que a fusão de núcleos leves e a fissão de núcleos pesados ambas se movem em direção ao pico
A energia de ligação por nucleão atinge o máximo perto do ferro ($A \approx 56$); núcleos mais leves e mais pesados estão menos fortemente ligados
Explorar

Laboratório de energia do defeito de massa

E = delta m c^2

Altere o defeito de massa e veja a energia de ligação subir com E = mc^2.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
mass-energy equivalence/mæs ˈenədʒi ɪˈkwɪvələns/ 质能等价 zhì néng děng jià
energy/ˈenədʒi/ 能量 néng liàng
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核聚变 hé jù biàn
luminosity/ˌluːmɪˈnɒsɪti/ 光度 guāng dù
nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ 核反应 hé fǎn yìng
nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ 核子数 hé zǐ shù
conservation of charge/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv tʃɑːdʒ/ 电荷守恒 diàn hè shǒu héng
neutron/ˈnjuːtrɒn/ 中子 zhōng zǐ
proton/ˈprəʊtɒn/ 质子 zhì zi
positron/ˈpɒzɪtrɒn/ 正电子 zhèng diàn zi
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 原子核 yuán zǐ hé
mass defect/mæs ˈdiːfekt/ 质量亏损 zhì liàng kuī sǔn
binding energy/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi/ 结合能 jié hé néng
binding energy per nucleon/ˈbaɪndɪŋ ˈenədʒi pɜː ˈnjuːklɪən/ 比结合能 bǐ jié hé néng
nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ 核裂变 hé liè biàn
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静电 jìng diàn
strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ 强核力 qiáng hé lì
23.1

Fusão e fissão nucleares

Uma torre de arrefecimento de uma central nuclear
Uma central nuclear liberta energia através da fissão nuclear.

A energia é libertada quando os núcleos se movem em direção ao pico do ferro — ao unir núcleos leves ou dividir os pesados.

Duas formas de libertar energia nuclear: a fusão une dois núcleos leves num só mais pesado; a fissão divide um núcleo pesado em dois mais leves
A fusão une núcleos leves; a fissão divide um núcleo pesado — ambas libertam energia movendo-se em direção ao pico do ferro

Fusão nuclear

Fusão nuclear 核聚变 une dois núcleos leves num só mais pesado:

$$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \to {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

O produto tem maior energia de ligação por nucleão que os reagentes, logo a energia é libertada. A fusão alimenta estrelas. Precisa de temperaturas muito elevadas (milhões de kelvin) para que os núcleos tenham suficiente energia cinética 动能 para vencer a sua repulsão eletrostática 静电 e se aproximarem o suficiente para a força nuclear forte 强核力 assumir.

Fissão nuclear

Fissão nuclear 核裂变 divide um núcleo pesado em dois mais leves:

$$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\, {}^{1}_{0}\text{n} + \text{energy}.$$

Os produtos têm maior energia de ligação por nucleão que $^{235}$U, logo a energia é libertada. Os neutroes extras podem causar mais fissões — uma reação em cadeia 链式 reação numa massa suficientemente grande de combustível (a massa crítica 临界质量). Isto é a base da energia nuclear e das armas.

"Descreva as diferenças entre fissão e fusão." Fissão: um núcleo pesado (grande $A$) divide-se em dois núcleos mais leves de massa aproximadamente semelhante, geralmente após absorver um neutrão, libertando novos neutroes. Fusão: dois núcleos leves (pequeno $A$) juntam-se para formar um só núcleo mais pesado; precisa de temperatura e pressão muito elevadas para vencer a repulsão eletrostática entre os núcleos. Ambas libertam energia, mas por quilograma de combustível a fusão liberta mais.

"Explique, com referência à curva, por que a energia é libertada." Em ambos os processos os produtos ficam mais altos na curva de energia de ligação por nucleão que os reagentes: cada nucleão acaba mais firmemente ligado, logo a energia de ligação total aumenta. A energia de ligação extra é libertada (como a energia cinética dos produtos e como fotões), e a massa total dos produtos é menor que a dos reagentes em $\Delta E/c^{2}$. Um núcleo próximo do pico (ferro) não pode libertar energia por nenhum dos processos, pelo que a fusão das estrelas para no ferro.

Uma árvore ramificada em que um único núcleo de urânio-235 é dividido por um neutrão em fragmentos de fissão mais neutroes, cada um dos quais divide outro núcleo de urânio-235, de modo que o número de fissões multiplica geração após geração
Numa reação em cadeia descontrolada cada fissão de urânio-235 liberta neutroes que causam mais fissões

Cálculo da energia libertada

  1. encontre a massa total dos reagentes.
  2. encontre a massa total dos produtos.
  3. mudança de massa $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (positiva quando a energia é libertada).
  4. energia libertada $\Delta E = c^{2} \Delta m$.

Em kg isso dá joules; em unidades de massa atômica use $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$.

Exemplo resolvido. Numa reação nuclear a massa total diminui em $0.020\ \text{u}$. Encontre a energia libertada.

$$\Delta E = \Delta m\ (\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 19\ \text{MeV}.$$

Exemplo resolvido (fusão). O defeito de massa do deutério $^{2}_{1}\text{H}$ é $0.002\,388\ \text{u}$ e o do hélio-4 é $0.030\,377\ \text{u}$. Encontre a energia libertada quando dois núcleos de deutério fundem para formar um núcleo de hélio-4.

Energia libertada $=$ (energia de ligação dos produtos) $-$ (energia de ligação dos reagentes) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). Os defeitos de massa podem ser usados diretamente assim porque o número de nucleões é o mesmo de ambos os lados; a diferença nos defeitos é a massa convertida. Por quilograma de deutério isso é $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$, cerca de um milhão de vezes um combustível químico.

Exemplo resolvido (fissão). $^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. Massas: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. Encontre a energia liberada.

Reagentes: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. Produtos: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, logo $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ por fissão. Conte os três neutroes à direita e o um à esquerda: esquecer um muda a resposta pela massa de todo um nucleão.

Decaimento alfa de um núcleo de urânio-238 em repouso: depois o núcleo de tório-234 e a partícula alfa afastam-se com momentos iguais e opostos, pelo que a partícula alfa muito mais leve leva quase toda a energia cinética
Decaimento alfa a partir do repouso: momentos iguais e opostos, logo a partícula alfa leve transporta cerca de 98% da energia libertada e o núcleo pesado mal recua

Exemplo resolvido (decaimento alfa e momento). Um núcleo $^{238}_{92}\text{U}$ estacionário decai para $^{234}_{90}\text{Th}$ emitindo uma partícula $\alpha$; a energia cinética total libertada é $4.27\ \text{MeV}$. Encontre a energia cinética da partícula $\alpha$.

O momento é conservado e o pai estava em repouso, logo a partícula $\alpha$ e o núcleo de tório têm momentos iguais e opostos $p$. Com $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, as energias estão na razão inversa das massas: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. Assim a partícula $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ e o tório recuam 反冲 e levam apenas $0.07\ \text{MeV}$. As partículas $\alpha$ de um dado decaimento são sempre emitidas com esta única energia, que é o sinal de que a energia é partilhada entre apenas dois corpos.

Exemplo resolvido (fonte de potência radioativa). Uma sonda espacial é alimentada por $0.874\ \text{kg}$ de plutónio-238, meia-vida $87.7$ anos, cada decaimente liberando $5.59\ \text{MeV}$. Encontre a potência disponível no lançamento.

Número de núcleos: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. Constante de decaimento: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. Atividade: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. Potência $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, caindo pela metade após $87.7$ anos. Um nuclídeo com meia-vida mais curta forneceria mais potência por quilograma, mas não duraria a missão; o polônio-210 ($138$ dias) seria muito mais potente inicialmente e inútil em dois anos.

Explorar

Reação em cadeia de fissão nuclear

Um nêutron divide um núcleo pesado, liberando energia e mais nêutrons — que dividem mais núcleos.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ 链式反应 liàn shì fǎn yìng
critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ 临界质量 lín jiè zhì liàng
recoil/rɪˈkɔɪl/ 反冲 fǎn chōng
half-life/hɑːf laɪf/ 半衰期 bàn shuāi qī
decay constant/dɪˈkeɪ ˈkɒnstənt/ 衰变常数 shuāi biàn cháng shù
activity/ækˈtɪvɪti/ 活度 huó dù
random/ˈrændəm/ 随机 suí jī
spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ 自发 zì fā
23.2

Decaimento radioativo

Programa
  1. compreender que flutuações na taxa de contagem fornecem evidências para a natureza aleatória do decaimento radioativo
  2. compreender que o decaimento radioativo é tanto espontâneo quanto aleatório
  3. definir atividade e constante de decaimento, e recordar e usar $A = \lambda N$
  4. definir vida média
  5. usar $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
  6. compreender a natureza exponencial do decaimento radioativo, e esboçar e usar a relação $x = x_0 e^{-\lambda t}$, onde $x$ pode representar atividade, número de núcleos não decaídos ou taxa de contagem recebida

Fonte: Programa Cambridge International

Decaimento radioativo & meia-vida

Aleatório e espontâneo

O decaimento radioativo é:

  • espontâneo 自发 — ocorre sem gatilho externo, e a taxa não é alterada por temperatura, pressão ou estado químico; e
  • aleatório 随机 — você não pode prever quando um dado núcleo decairá, apenas a probabilidade de que ele decaia em um tempo.

Evidência de aleatoriedade: a taxa de contagem flutua. Um contador Geiger 盖革计数器 ao lado de uma fonte emite cliques em intervalos irregulares — nunca um fluxo constante — embora a taxa média de longo prazo esteja bem definida.

Um gráfico de barras das contagens registradas em trinta intervalos sucessivos de dez segundos de uma fonte de longa duração: as barras variam aleatoriamente de um intervalo para o outro sobre uma linha média tracejada estável
As contagens em intervalos de tempo iguais da mesma fonte nunca são as mesmas duas vezes: a flutuação é a evidência de que o decaimento é aleatório, enquanto a média estável mostra que a probabilidade é constante

As definições de duas marcas. O decaimento radioativo é a emissão espontânea e aleatória de uma partícula ($\alpha$ ou $\beta$) ou um fóton ($\gamma$) de um núcleo instável. Espontâneo significa que o decaimento não é afetado por fatores externos: temperatura, pressão, estado químico ou a presença de outros núcleos. Aleatório significa que é impossível prever qual núcleo decaerá a seguir ou quando um determinado núcleo decairá; apenas uma probabilidade pode ser dada. Evidência de aleatoriedade: a taxa de contagem flutua de um intervalo para o seguinte, mesmo para uma fonte cuja atividade não está mudando durante o experimento.

Uma fonte radioativa dentro de uma câmara de nuvens, com muitas trilhas finas e brancas de partículas beta emanando dela através do vapor escuro
Cada partícula beta da fonte deixa um traço fino em uma câmara de nuvens -- evidência direta de decaimentos separados e aleatórios

Atividade e constante de decaimento

Para $N$ núcleos não decaídos de um radioisótopo 放射性核素, a taxa de decaimento é

$$A = \lambda N.$$
  • $A$ é a atividade 活度 — decaimentos por unidade de tempo. Unidade: becquerel 贝克勒尔 (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
  • $\lambda$ é a constante de decaimento 衰变常数 — a probabilidade por unidade de tempo de que um núcleo decaia. Unidade: $\text{s}^{-1}$.

$\lambda$ é fixo para um nuclídeo; uma amostra maior (maior $N$) tem atividade proporcionalmente maior.

As definições de um ponto. Atividade é o número de decaimentos (de núcleos) por unidade de tempo, ou a taxa de decaimento. A constante de decaimento é a probabilidade por unidade de tempo de que um (dado) núcleo decaia. Não "a taxa de decaimento": isso é a atividade. Note que as unidades são as mesmas, $\text{s}^{-1}$, mas $A$ conta eventos e $\lambda$ é uma probabilidade por segundo.

Exemplo resolvido. O Flúor-18 tem meia-vida de $110$ minutos. Mostre que sua constante de decaimento é $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$, e encontre a atividade de $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ de flúor-18.

$\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. O número de núcleos é a massa dividida pela massa de um único núcleo: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. Portanto $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. Uma massa minúscula resulta em uma atividade enorme porque a meia-vida é curta; a mesma massa de urânio-238 (meia-vida $4.5 \times 10^{9}$ anos) resultaria em aproximadamente $10^{-5}\ \text{Bq}$.

Decaimento exponencial

Como $\lambda$ é a taxa de decaimento fracionária, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, cuja solução é um decaimento exponencial 指数衰减:

$$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$

Porque $A = \lambda N$, a atividade (e qualquer taxa de contagem 计数率 proporcional a ela) decai da mesma forma:

$$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$

Por que exponencial? Para cada núcleo, $\lambda$ é uma probabilidade fixa por unidade de tempo, independente dos outros e da idade do núcleo. Assim, a mesma fração decai em cada intervalo de tempo, o que resulta em decaimento exponencial.

Escrevendo a explicação (três pontos). (1) A constante de decaimento é a probabilidade por unidade de tempo de decaimento e é a mesma para todo núcleo do nuclídeo, independentemente de sua idade. (2) Portanto, a taxa de decaimento, a atividade, é proporcional ao número de núcleos não decaídos presentes: $A = \lambda N$. (3) Uma taxa de mudança proporcional à própria quantidade resulta em uma mudança exponencial; equivalentemente, a mesma fração dos núcleos restantes decai em cada intervalo de tempo igual, então o número nunca atinge zero, mas cai pela metade em cada meia-vida.

Meia-vida

A meia-vida 半衰期 $t_{1/2}$ é o tempo para o número de núcleos não decaídos (ou a atividade, ou a taxa de contagem) cair até metade. De $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ com $N = N_{0}/2$:

$$\ln 2 = \lambda t_{1/2}, \qquad \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} \approx \frac{0.693}{t_{1/2}}.$$

Exemplo resolvido. Um isótopo radioativo tem meia-vida de $6.0$ horas. Encontre sua constante de decaimento.

Converta a meia-vida para segundos: $6.0\ \text{h} = 21\,600\ \text{s}$. Então

$$\lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}} = \frac{0.693}{21\,600} \approx 3.2 \times 10^{-5}\ \text{s}^{-1}.$$

Uma constante de decaimento maior significa uma meia-vida menor. Após $n$ meias-vidas, a fração sobrevivente é $(1/2)^{n}$; após 5 meias-vidas, restam cerca de 3%.

A definição de meia-vida. O tempo necessário para que o número de núcleos não decaídos (ou a atividade) de uma amostra caia até a metade de seu valor inicial. "Metade dos átomos decae" é aceito; "metade da amostra desaparece" não é, pois os núcleos decaídos ainda estão lá como produto filho.

Duas curvas contra o tempo: o número de núcleos do isótopo X cai exponencialmente de N0 enquanto o número de núcleos de sua filha estável Y sobe de zero; as curvas cruzam-se em uma meia-vida, onde cada uma é N0 over 2, e sempre somam N0
Um pai decaindo em um filho estáável: o que X perde, Y ganha, então as curvas se cruzam após uma meia-vida e a meia-vida pode ser lida no cruzamento

Lendo um gráfico de dois isótopos. Quando X decai para um Y estável, $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. A meia-vida é o momento em que as curvas se cruzam ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), ou o tempo para $N_{\text{X}}$ cair pela metade. Se o gráfico fornece o número inicial $N_{0}$ e a massa inicial $m$, o número nucleônico segue-se de $m = N_{0} A u$: para $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ e $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.

Exemplo resolvido. Uma amostra de um único isótopo radioativo tem uma atividade de $180\ \text{Bq}$ em $t = 0$ e $45\ \text{Bq}$ em $t = 8.4$ minutos. Encontre a meia-vida e a constante de decaimento, e a atividade após mais $8.4$ minutos.

$45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: duas meias-vidas em $8.4$ minutos, logo $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ e $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. Após outras duas meias-vidas, a atividade é $45/4 = 11\ \text{Bq}$. Quando a razão não é uma potência inteira de dois, use $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: para a atividade cair de $180$ para $50\ \text{Bq}$ leva $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. Sempre converta a meia-vida para segundos antes de encontrar $\lambda$ se a atividade estiver em becquerels.

Uma curva de decaimento radioativo: o número de núcleos não decaídos contra o tempo, uma queda exponencial na qual o número cai pela metade a cada meia-vida sucessiva, de  para  para  para
O número de núcleos não decaídos cai pela metade em cada meia-vida

Encontrando $\lambda$ a partir de dados

Dado $A_{0}$ e $A$ no tempo $t$:

$$\lambda = \frac{1}{t} \ln\frac{A_{0}}{A}, \qquad t_{1/2} = \frac{\ln 2}{\lambda}.$$

Tirando logaritmos de $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ dá $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, então um gráfico de $\ln A$ contra $t$ é uma linha reta com inclinação $-\lambda$. Use isso com vários pontos de dados.

Taxa de contagem não é atividade. Um detector registra apenas a radiação que chega a ele e é absorvida por ele: uma fração determinada pelo ângulo sólido que cobre, pela absorção no ar e na própria fonte, e por sua eficiência. Portanto, a taxa de contagem medida é menor que a atividade, mas proporcional a ela, e a meia-vida obtida de um gráfico de taxa de contagem está correta. Subtraia a radiação de fundo 本底辐射 (medida com a fonte removida) de cada leitura antes de tirar razões ou logaritmos; um fundo não subtraído faz a curva achatar e a meia-vida parecer mais longa.

Traçadores na medicina. Flúor-18 e oxigênio-15 são emissores de $\beta^{+}$ usados como traçadores 示踪剂 em tomografia por emissão de pósitrons (Tópico 24): o pósitron aniquila com um elétron, produzindo dois fótons gama que saem em direções opostas e revelam onde está o traçador. Uma meia-vida curta ($110$ minutos, $2$ minutos) é escolhida para que a atividade caia rapidamente após a varredura e a dose ao paciente permaneça pequena, à custa de ter que produzir o isótopo perto do hospital e usá-lo imediatamente.

Um gráfico do logaritmo natural da atividade contra o tempo: os dados ficam em uma linha reta descendo com gradiente menos lambda, confirmando o decaimento exponencial e dando a constante de decaimento
Um gráfico de $\ln A$ contra o tempo é uma linha reta de inclinação $-\lambda$
Explorar

Equações de decaimento (α, β, γ)

Escolha um tipo de decaimento; o nuclídeo filho é fixo, então o número de nucleons A e o número de prótons Z ambos se equilibram.

Explorar

Meia-vida — assista aos núcleos decaírem

Cada núcleo tem uma chance fixa de decair, aleatoriamente. Avance o tempo: cerca de metade dos núcleos restantes decai a cada meia-vida — então a contagem cai pela metade, depois cai novamente pela metade.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
count rate/kaʊnt reɪt/ 计数率 jì shù lǜ
Geiger counter/ˈɡaɪɡə ˈkaʊntə/ 盖革计数器 gài gé jì shù qì
radionuclide/ˌreɪdiəʊˈnjuːklaɪd/ 放射性核素 fàng shè xìng hé sù
becquerel/ˈbekwərəl/ 贝克勒尔 bèi kè lēi ěr
exponential decay/ˌekspəˈnenʃl dɪˈkeɪ/ 指数衰减 zhǐ shù shuāi jiǎn
background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ 本底辐射 běn dǐ fú shè
tracers/ˈtreɪsəz/ 示踪剂 shì zōng jì
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23.2

Definições aceitas pelo examinador

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

Termo Definição
defeito de massa a diferença entre a massa total dos nucleons separados e a massa do núcleo
energia de ligação a energia mínima necessária para separar um núcleo em seus nucleons individuais (a energia liberada quando ele se forma a partir deles)
fusão nuclear dois núcleos leves combinam para formar um único núcleo mais pesado
fissão nuclear um núcleo pesado se divide em dois núcleos mais leves de massa semelhante (geralmente depois de absorver um nêutron)
decaimento radioativo a emissão espontânea e aleatória de radiação α, β ou γ de um núcleo instável
espontâneo não afetado por fatores externos como temperatura, pressão ou estado químico
aleatório não se pode prever qual núcleo decairá, ou quando um dado núcleo decairá
atividade o número de núcleos decaindo por unidade de tempo
constante de decaimento a probabilidade por unidade de tempo de que um núcleo decaia
meia-vida o tempo para o número de núcleos não decaídos (ou a atividade) cair até a metade de seu valor inicial
23.2

Dicas de prova

  • $E = mc^{2}$ com $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: trabalhe em u e MeV para reações, depois converta para joules apenas se solicitado ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
  • Energia liberada $=$ (massa total antes $-$ massa total depois) $\times c^{2}$, ou (energia de ligação depois $-$ energia de ligação antes). Os defeitos de massa podem ser subtraídos diretamente quando a contagem de nucleons não muda.
  • A curva: subida íngreme, pico $8.8\ \text{MeV}$ próximo a $A = 56$, queda suave. Produtos mais altos na curva significam energia liberada; fusão à esquerda, fissão (e decaimento alfa) à direita.
  • Equilibre cada equação duas vezes: números nucleons na parte superior, números de prótons na parte inferior; decaimentos β carregam um neutrino ou antineutrino.
  • $A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ com $t_{1/2}$ em segundos; $N$ a partir da massa: $N = m/(A u)$. Razões de $1/2$, $1/4$, $1/8$ significam meias-vidas inteiras; caso contrário, use $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
  • As explicações são marcadas nas palavras: probabilidade constante, taxa proporcional ao número, mesma fração por intervalo; taxa de contagem flutuante para aleatoriedade; inalterado por condições externas para espontâneo.

Erros comuns

  • Definir energia de ligação como "a energia que mantém o núcleo unido" ou "a energia armazenada no núcleo"; é a energia necessária para separar os nucleons.
  • Subtrair massas na ordem errada e relatar uma liberação de energia negativa, ou esquecer o(s) nêutron(s) de um lado da equação de fissão.
  • Desenhar a curva de energia de ligação caindo com a mesma inclinação íngreme em que sobe, ou atingindo zero em grandes $A$.
  • Usar meia-vida em minutos ou anos com atividade em becquerels; converter para segundos primeiro.
  • Confundir a constante de decaimento (uma probabilidade por segundo) com a atividade (decaimentos por segundo).
  • Dizer "metade da amostra desaparece" para meia-vida, ou que após duas meias-vidas não resta nada.
  • Dar "aleatório" como "ocorre em qualquer momento" sem "não se pode prever qual núcleo ou quando", ou "espontâneo" sem "independente de fatores externos".
  • Tratar a taxa de contagem como a atividade, ou esquecer subtrair o fundo.
  • Assumir que a partícula α e o núcleo de recuo compartilham a energia igualmente; eles compartilham o momento igualmente.

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