Física nuclear
O núcleo ocupa um milionésimo do átomo, mas detém quase toda a sua massa — e núcleos instáveis emitem energia como radiação, fragmentos de fissão ou fusão que ilumina as estrelas. O sétimo tópico da OxfordAQA cobre o modelo nuclear, as três radiações, meia-vida, contaminação versus irradiação, reatores e (P) fusão.
Física OxfordAQA International GCSE 9203, tópico 3.7 (Versão 5.1). As afirmações marcadas (P) aplicam-se apenas ao Paper-2-.
Estrutura atômica
Um átomo tem cerca de 10⁻¹⁰ m de diâmetro: um pequeno núcleo positivo (prótons e nêutrons, quase toda a massa) com elétrons ao redor — evidência de Rutherford de espalhamento alfa para um núcleo concentrado. Massa do próton 1 carga +1; massa do nêutron 1 carga 0; carga do elétron −1, massa desprezível. Um átomo neutro tem igual número de prótons e elétrons; átomos perdem ou ganham elétrons para se tornarem íons.
${}^{A}_{Z}X$: A = número de massa (prótons + nêutrons), Z = número atômico; isótopos compartilham Z e diferem no número de nêutrons.
Radiação ionizante do núcleo
Núcleos instáveis decaem aleatoriamente, sem serem afetados por química ou física, emitindo:
| Radiação | Natureza | Ionizante | Alcance no ar |
|---|---|---|---|
| alfa | 2p + 2n (núcleo de hélio) | mais forte | alguns cm |
| beta-menos | elétron rápido (nêutron → próton) | médio | dezenas de cm |
| gama | onda eletromagnética | mais fraco | metros |
Equações nucleares conservam número de massa e carga: ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alfa); ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (beta). Radiação de fundo vem de rochas, espaço, alimentos e dispositivos médicos. (P) A meia-vida é o tempo para metade dos núcleos (ou taxa de contagem) decair — a maioria dos núcleos instáveis tem meias-vidas curtas; os menos instáveis duram milênios. Contaminação (átomos radioativos sobre você) é um risco persistente; irradiação expõe sem tornar você radioativo. Perigos: mutações, danos celulares e teciduais.
Fissão nuclear e (P) fusão
Fissão divide um grande núcleo instável: U-235 ou Pu-239 absorve um nêutron, divide-se em dois núcleos menores com 2–3 nêutrons e muito mais energia que qualquer reação química. Nêutrons atingindo outros núcleos geram uma reação em cadeia; num reator, barras de controle absorvem nêutrons para manter uma fissão por nêutron.
Resíduos radioativos permanecem perigosos por tempos definidos pela sua meia-vida — custo de disposição gerenciada da energia nuclear. (P) Fusão une dois núcleos leves em um mais pesado, convertendo massa em energia: alimenta as estrelas, mas núcleos positivos se repelem, exigindo temperatura e pressão extremas.
Verifique você mesmo
- Dê as massas relativas e cargas do próton, nêutron e elétron.
- Em ${}^{19}_{9}F$, quantos prótons e nêutrons?
- O que o espalhamento alfa revelou sobre o átomo?
- Nomeie as três radiações e suas naturezas.
- Qual radiação é interrompida pelo papel e qual penetra no alumínio?
- Equilibre o decaimento alfa de ${}^{226}_{88}Ra$.
- (P) Defina vida média.
- (P) Explique a diferença entre contaminação e irradiação.
- O que as barras de controle fazem em um reator?
- (P) Por que a fusão exige temperaturas extremas?
Respostas: 1 próton 1/+1; nêutron 1/0; elétron desprezível/−1; 2 9 prótons, 10 nêutrons; 3 massa e carga positiva concentram-se em um núcleo minúsculo — maioria dos alfas passa, alguns rebatem; 4 alfa — núcleo de hélio; beta — elétron rápido; gama — onda EM; 5 alfa; gama (precisa de chumbo espesso); 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$; 7 (P) tempo para metade dos núcleos (ou taxa de contagem) reduzir à metade; 8 (P) contaminação — material radioativo sobre você, perigo até ser removido; irradiação — exposição à radiação, termina quando a fonte se afasta; 9 absorvem nêutrons, mantendo a cadeia com uma fissão por nêutron — estável; 10 (P) núcleos positivos se repelem; devem colidir em velocidade enorme para fundir.