Física Nuclear

Após a descoberta do nêutron, a física nuclear identificou cerca de uma centena de partículas subnucleares, denominadas elementares. A grande maioria delas não é elementar no sentido atomístico, porque se desintegram em outras e revelam, assim, uma estrutura subjacente. Estáveis são apenas o próton, o elétron, os fótons e os neutrinos, entre os quais apenas os três últimos não revelaram até hoje qualquer traço de estrutura interna.Desenvolvimentos da década de 1960 sugeriam fortemente a existência de partículas presumivelmente estáveis, das quais todas as outras nuclearmente ativas poderiam ser construídas: os quarks. Atualmente, já não há mais dúvida quanto à existência dos quarks. Até a década de 1990, essas partículas ainda não haviam sido observadas sob a forma livre, mas experiências indicavam que o próton é composto de partículas puntiformes. A análise teórica das propriedades dos quarks, porém, indicavam uma estrutura para o próton constituída de quarks.Até o fim do século XX, a física experimental procurava criar uma mistura de quarks por meio de compressão e aquecimento do núcleo atômico para provocar uma forte colisão de núcleons com liberação de quarks. Isso possibilitará a criação de um plasma de quarks que encontrará aplicações em diversas áreas como astrofísica (estudo da hipótese da grande explosão primordial), física nuclear e medicina.Sempre que uma fonte de energia é descoberta, surge alguma tecnologia para aproveitar essa energia, em geral, em armamentos. Foi assim com o fogo, a pólvora, o petróleo e, mais recentemente, com a energia atômica e a energia nuclear.O ano de 1896, ano da descoberta da radioatividade pelo físico fran­cês Antoine Henri Becquerel (1852-1908), marca o nascimento da Fí­sica Nuclear. Na primeira metade do século XX, a Física Nuclear teve enorme desenvolvimento, exercendo notável influência científica, social e tecnológica sobre a humanidade. Após a construção do primeiro rea­tor nuclear, destinado à pesquisa científica, a fabricação da primeira bom­ba atômica foi só uma questão de tempo. Em nossos dias, após o tér­mino da Guerra Fria, a pesquisa em Física Nuclear concentra-se mais em áreas não-bélicas, como a Medicina Nuclear, a Física de Partículas e a Cosmologia, embora ainda existam centros de desenvolvimento de armamento nuclear.

Max PlanckConstante de Planck, constante física fundamental simbolizada pela letra h. Planck chegou à conclusão de que a radiação eletromagnética é emitida em unidades discretas de energia, chamadas quanta, iguais à freqüência da luz multiplicada por uma constante. Esta conclusão foi o primeiro enunciado da teoria quântica.O valor atualmente aceito é h = 6.626x10-34 joules/segundo.No final do século passado, a Mecânica Newtoniana e o Eletromagnetismo de Maxwell pareciam capazes de explicar tudo que existe na natureza. Mas, umas certas observações experimentais não queriam se ajustar a essas poderosas teorias. Uma delas, chamada de "espectro do corpo negro", era a mais estranha e irritante. Trata-se, simplesmente, da forma do espectro de um corpo aquecido, um filamento de lâmpada, por exemplo. Chamar um filamento aquecido de "corpo negro" pode parecer estranho mas aceite isso como uma imposição histórica. Um objeto assim emite luz com freqüências que vão do infravermelho ao ultravioleta, passando pelo visível.Em 1900, Max Planck apresentou uma fórmula matemática que se ajustava como uma luva a essa curva do espectro do corpo negro. Como no caso de Balmer, era também uma fórmula empírica, achada na base da tentativa, mas a concordância com os dados experimentais era impressionante. Só que havia uma novidade. Para achar sua fórmula, Planck precisou "postular" que a luz (visível ou não) é formada de "partículas" ou "pacotes de onda". Cada pacote tem uma energia que é proporcional à freqüência da onda de luz. Isto é, cada pacote carrega uma energia dada por E = h f, onde h é a chamada "constante de Planck" e vale 6,63x10-34 joule.seg.Foi uma hipótese revolucionária. Não havia nenhuma razão para adotá-la, a não ser o ajuste ao espectro do corpo negro. Planck chamou esses pacotes de "quanta" de luz ("quanta" é o plural de "quantum"). Hoje, eles são conhecidos como "fótons", as "partículas" de luz.Resumindo: quando todo mundo estava convencido que a luz era formada de ondas eletromagnéticas, como Maxwell dissera e Hertz demonstrara, Planck veio com esses pacotes, como que re-editando a teoria corpuscular de Newton. Poucos anos depois, Einstein deu uma tremenda força a essa hipótese de Planck usando-a para explicar o "efeito foto-elétrico", outro fato experimental que não se adequava aos ditames da física clássica. E, em 1913, o dinamarquês Niels Bohr usou os "quanta" de luz de Planck para chegar à primeira justificativa teórica das séries de linhas do espectro do hidrogênio.Autoria: Jaider Dilson dos Santos.

Princípio de Exclusão, em física, princípio fundamental, segundo o qual duas partículas elementares de spin semi-inteiro, por exemplo, elétrons, não podem ocupar o mesmo estado quântico (estado de energia) em um átomo. O princípio explica as regularidades da lei periódica. Foi formulado em 1925 pelo físico e matemático suíço de origem austríaca Wolfgang Pauli.De acordo com a teoria quântica, os estados possíveis dos elétrons no átomo especificam-se por quatro números discretos, chamados números quânticos. Estes números quânticos não podem repetir-se em um mesmo átomo.Princípio não apenas se aplica aos elétrons dos átomos, mas também aos que se deslocam através da matéria na forma de corrente elétrica.Spin, momento angular intrínseco de uma partícula subatômica. Na física atômica e de partículas, existem dois tipos de momento angular: o momento angular de spin e o momento angular orbital. O spin é uma propriedade fundamental de todas as partículas elementares e existe ainda que a partícula não se mova; o momento angular orbital se deve ao movimento da partícula. O momento angular total de uma partícula é uma combinação dos momentos angulares orbital e de spin. A teoria quântica afirma que o momento angular de spin só pode assumir determinados valores discretos. Esses valores discretos se expressam como múltiplos inteiros ou semi-inteiros da unidade fundamental do momento angular, h/2ð, onde h é a constante de Planck.Autoria: Marcelo Grotti

Detectores de partículas, instrumentos que detectam — e, em muitos casos, tornam visíveis — as partículas fundamentais subatômicas.Um dos primeiros detectores empregados em física nuclear foi a câmara de ionização, que é formada por um recipiente fechado que contém um gás e dois eletrodos com potenciais elétricos diferentes. As câmaras de ionização adaptadas para detectar as partículas individuais de radiação ionizante são chamadas de contadores. Um dos mais versáteis e utilizados é o contador Geiger.Outros detectores que permitem aos pesquisadores observar as trajetórias que uma partícula deixa ao passar são chamados detectores de trajetória. As câmaras de cintilação ou de bolhas são detectores de trajetória, assim como a câmara de névoa ou a de emulsões nucleares.As câmaras de emulsões nucleares se assemelham às fotográficas, mas só são ativadas por partículas carregadas. O princípio fundamental da câmara de névoa consiste em que as partículas nucleares ou atômicas carregadas produzem íons e, ao passar pelo ar saturado de vapor d'água, deixam atrás de si uma trajetória de partículas ionizadas.Nas câmaras de bolhas, mantém-se um líquido em baixa pressão a uma temperatura pouco abaixo do seu ponto de ebulição. No caminho das trajetórias das partículas que passam pelo líquido, formam-se minúsculas bolhas.Na câmara de centelhas, as partículas de alta energia ionizam o ar e o gás situado entre placas ou peneiras carregadas, alternativamente, de forma positiva ou negativa. No caminho das trajetórias de ionização, saltam chispas. Fotografando-se as centelhas, pode-se visualizar o caminho das partículas.O contador de cintilação surgiu em 1947. Ao colocar o material diante de um tubo fotomultiplicador, um tipo de célula fotoelétrica, as cintilações da luz se convertem em pulsos elétricos que podem ser amplificados e registrados eletronicamente.As partículas neutras, como nêutrons e neutrinos, não podem ser detectadas diretamente por nenhum aparelho. Só indiretamente, a partir das reações nucleares que acontecem quando colidem com os núcleos de determinados átomos.

Com a construção dos modernos e poderosos aceleradores de par­tículas, a partir de meados do século XX, as reações nucleares, como a fissão e a fusão, tornaram-se muito comuns e extremamente úteis à física das altas energias. Uma reação de fissão nuclear ocorre quando núcleos pesados, como o 235U, são "quebrados" em núcleos menores pela colisão com outras partículas. (Fig. abaixo)    Reação de fissão do urânio 235, originando xenônio e estrôncio. Podemos representar simbolicamente a reação por:O símbolo  representa um núcleo (instável pela absorção de um nêutron), que decai emitindo energia na forma de radiação gama. Nessa reação, conservam-se massa, energia, quantidade de movimen­to, número atômico, número de nêutrons e número de massa.A fissão nuclear foi observada pela primeira vez em 1938 por Otto Hann e Fritz Strassman, que bombardearam urânio com nêutrons, obtendo, como produtos de reação, dois novos elementos com mas­sas intermediárias, o bário e o lantânio. Após a colisão com o nêutron, o núcleo de urânio dividiu-se em dois fragmentos de massas próximas, liberando cerca de 208 MeV de energia. Este último produto da reação, a energia liberada, confirmando a relação E = m • c2  de Einstein, afetaria de maneira significativa a história da humanidade!Uma usina de fissão nuclear que produz cerca de 1.000 MW de eletricidade, com uma eficiência média de 40%, consome cerca de 2,5 kg de 235U por dia. Como a abundância natural do 235U é apenas de 0,72%, costuma-se enriquecer minérios de urânio para aumentar a concentração do 235U para até 90%. Com tanta energia disponível as­sim, é necessário controle e sabedoria para seu uso pacífico.Por: Paulo Magno da Costa Torres

Os fenômenos envolvidos na fusão nuclear constituem o fundamento das reações termonucleares que ocorrem no interior das estrelas.Fusão nuclear é a união dos prótons e nêutrons de dois átomos para formar um único núcleo atômico, de peso superior àqueles que lhe deram origem. Nesse processo, é liberada uma quantidade de energia equivalente à diferença entre a energia de ligação do novo átomo e a soma das energias dos átomos iniciais. São as reações de fusão nuclear que fornecem a energia irradiada pelo Sol, pela fusão de quatro átomos de hidrogênio para formar um átomo de hélio. Dados espectroscópicos indicam que esse astro é constituído de 73% de átomos de hidrogênio e 26% de átomos de hélio, sendo o restante fornecido pela contribuição de vários elementos.Para que ocorra o processo de fusão, é necessário superar a força de repulsão elétrica entre os dois núcleos, que cresce na razão direta da distância entre eles. Como isso só se consegue mediante  temperaturas extremamente elevadas, essas reações também se denominam reações termonucleares. Durante muito tempo, a única reação de fusão nuclear realizada na Terra era a utilizada na bomba de hidrogênio, em que a explosão atômica fornece a temperatura necessária (cerca de quarenta milhões de graus Celsius) para que a fusão tenha início.A fusão nuclear controlada proporcionaria uma fonte de energia alternativa relativamente barata para a produção de eletricidade e contribuiria para  poupar as reservas de combustíveis fósseis como o petróleo, o gás natural e o carvão, que decrescem rapidamente. As reações controladas podem ser obtidas com o aquecimento de plasma (gás rarefeito com elétrons e íons positivos livres), mas se torna difícil conter os plasmas nos altos níveis de temperatura requeridos para as reações de fusão auto-sustentadas, pois os gases aquecidos tendem a expandir-se e escapar da estrutura circundante.  Experiências com reator de fusão já foram empreendidas em vários países.A fusão nuclear é um tipo de reação que produz imensas quantidades de energia. Ela ocorre naturalmente no interior do Sol, gerando a energia térmica que necessitamos para sobreviver na Terra. A temperaturas de 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius), os núcleos de dois átomos de hidrogênio se fundem ou unem. No processo, um pouco de massa é perdida e convertida em energia.No sol, onde a fusão nuclear ocorre naturalmente, os núcleos de tipos de gás hidrogênio se fundem formando o gás hélio e mais uma partícula atômica chamada nêutron. Nesse processo se perde uma pequena quantidade de massa que se converte em enorme quantidade de energia. As temperaturas extremamente altas que existem no Sol, fazem com que este processo se repita continuamente. Reatores de Fusão NuclearPara alcançar as temperaturas necessárias para a fusão nuclear, os átomos de hidrogênio são aquecidos em um reator de fusão. Os núcleos dos átomos são separados dos elétrons (partículas com carga elétrica negativa) e se forma um tipo especial de matéria chamado plasma. Para que os núcleos separados de hidrogênio possam se fundir, o plasma deve ser conservado a temperatura de aproximadamente 14.000.000 ºC (quatorze milhões de graus Celsius).O campo eletromagnético dentro do reator, mantém as altas temperaturas necessárias para a fusão nuclear. Ainda estão sendo feitas pesquisas para fundir núcleos de hidrogênio em larga escala, nos experimentos de fusão da Joint European Torus, na Inglaterra.

Geral

constante de Plank

Princípio de exclusão

Detectores de partículas

Fissão nuclear

Fusão nuclear