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A física nuclear é um ramo da física que estuda as propriedades e o comportamento dos núcleos atómicos. A física nuclear é conhecida maioritariamente pela sociedade pelo aprovechamiento da energia nuclear em centrais nucleares e no desenvolvimento de armas nucleares, tanto de fisión como de fusão nuclear. Em um contexto mais amplo, define-se a física nuclear e de partículas como o ramo da física que estuda a estrutura fundamental da matéria e as interacções entre as partículas subatómicas.
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Primeiros experimentos
A radiactividad foi descoberta nos sais de urânio pelo físico francês Henri Becquerel em 1896 .
Em 1898 , os cientistas Marie e Pierre Curie descobriram dois elementos radiactivos existentes na natureza, o polonio (84Po) e a rádio (88Ra).
Em 1913 Niels Bohr publica seu modelo de átomo , consistente em um núcleo central composto por partículas que concentram a prática maioria da massa do átomo (neutrones e protones), rodeado por várias capas de partículas carregadas quase sem massa (elétrons). Enquanto o tamanho do átomo resulta ser da ordem do angstrom (10-10 m), o núcleo pode medir-se em fermis (10-15 m), ou seja, o núcleo é 100.000 vezes menor que o átomo.
Ernest Rutherford no ano 1918 definiu a existência dos núcleos de hidrógeno . Rutherford sugeriu que o núcleo de hidrógeno, cujo número atómico se sabia que era 1, devia ser uma partícula fundamental. Adoptou-se para esta nova partícula o nome de protón sugerido em 1886 por Goldstein para definir certas partículas que apareciam nos canos catódicos.
Durante a década de 1930 , Irène e Jean Frédéric Joliot-Curie obtiveram os primeiros nucleidos radiactivos artificiais bombardeando boro (5B) e alumínio (13A o) com partículas α para formar isótopos radiactivos de nitrógeno (7N) e fósforo (15P). Alguns isótopos destes elementos presentes na natureza são estáveis. Os isótopos instáveis encontram-se em proporções muito baixas.
Em 1932 James Chadwick realizou uma série de experimentos com uma radiactividad especial que definiu em termos de corpúsculos, ou partículas que formavam essa radiación. Esta nova radiación não tinha ónus eléctrica e possuía uma massa quase idêntica à do protón. Inicialmente se postuló que fosse resultado da união de um protón e um elétron formando uma espécie de dipolo eléctrico. Posteriores experimentos descartaram esta ideia chegando à conclusão de que era uma nova partícula procedente do núcleo à que se chamou neutrones.
Os científicos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann descobriram a fisión nuclear em 1938 . Quando se irradia urânio com neutrones, alguns núcleos se dividem em dois núcleos com números atómicos. A fisión liberta uma quantidade enorme de energia e utiliza-se em armas e reactores de fisión nuclear.
Reacções nucleares
Colisão inelástica
A física nuclear inclui também o estudo das reacções nucleares: o uso de proyectiles nucleares para converter um tipo de núcleo em outro. Se, por exemplo, bombardeia-se o sodio com neutrones, parte dos núcleos estáveis Na capturam estes neutrones para formar núcleos radiactivos ²Na:
Estas reacções estudam-se colocando mostras dentro dos reactores nucleares para produzir um fluxo alto de neutrones (número elevado de neutrones por unidade de área).
Os núcleos também podem reagir entre eles mas, se estão carregados positivamente, se repelen entre si com grande força. Os núcleos proyectiles devem ter uma energia o bastante alta como para superar a repulsión e reagir com os núcleos branco. Os núcleos de alta energia obtêm-se nos ciclotrones, nos geradores de Vão de Graaff e em outros aceleradores de partículas.
Uma reacção nuclear típica é a que se utilizou para produzir artificialmente o elemento seguinte ao urânio (238Ou), que é o elemento mais pesado existente na natureza. O neptunio (Np) obteve-se bombardeando urânio com deuterones (núcleos do isótopo hidrógeno pesado, 2H) segundo a reacção:
Colisão elástica
Desintegração nuclear
Os núcleos atómicos consistem em protones, carregados positivamente e neutrones sem ónus. O número de protones de um núcleo é seu número atómico, que define ao elemento químico. Todos os núcleos com 11 protones, por exemplo, são núcleos de átomos de sodio (Na). Um elemento pode ter vários isótopos, cujos núcleos têm um número diferente de neutrones. Por exemplo, o núcleo de sodio estável contém 12 neutrones, enquanto os que contêm 13 neutrones são radiactivos. Esses isótopos anotam-se como 
e 
, onde o subíndice indica o número atómico, e o superíndice representa o número total de nucleones, isto é, de neutrones e protones. A qualquer espécie de núcleo designada por um verdadeiro número atómico e de neutrones chama-se-lhe nucleido.
Os nucleidos radiactivos são instáveis e sofrem uma transformação espontánea em nucleidos de outros elementos, libertando energia no processo (veja-se Radiactividad).
Essas transformações incluem a desintegração alfa, que supõe a emissão de um núcleo de helio (
), e a desintegração beta (que pode ser β- ou β+). Na desintegração β- um neutrón transforma-se em um protón com a emissão simultânea de um elétron de alta energia e um antineutrino electrónico. Na desintegração β+ um protón converte-se em um neutrón emitindo um positrón.
Por exemplo, o 24Na sofre uma desintegração β- formando o elemento superior, o magnésio:
A radiación gama é radiación electromagnética de alta frequência (e por tanto energia). Quando se produz a desintegração α ou β, o núcleo resultante permanece com frequência em um estado excitado (de maior energia), pelo que posteriormente se produz a desexcitación emitindo raios gama.
Ao representar a desintegração de um nucleido radiactivo deve-se determinar também o período de semidesintegración do nucleido. O período de semidesintegración do , é de 15 horas. É importante determinar o tipo e energia da radiación emitida pelo nucleido.
Fisión
Os conceitos de fisión e fusão nuclear diferem nas características de formação da cada um. Desta forma encontra-se que a fisión (utilizada nas bombas e reactores nucleares) consiste no "bombardeio" de partículas subatómicas ao urânio (ou a qualquer elemento transuránico, desde que suas características o permitam), trazendo como consequência a fisión (de ali seu nome) do átomo e com isto a dos demais átomos adjacentes ao bombardeado em reacção em corrente. Enquanto, a fusão é a união baixo certas condições (altas pressões, altas temperaturas, altos ónus, etc.) de dois ou mais átomos e gera muita mais energia que a fisión.
Fusão
A fusão representa diversos problemas, já que a nível atómico o ónus dos átomos se repelen entre si impedindo a união destes, por isto se recorre geralmente à utilização de isotópos ligeiros, com menor ónus eléctrico (como o hidrógeno e seus isótopos deuterio e tritio). Em certas condições, definidas pelos critérios de Lawson, conseguir-se-ia a fusão de ditos átomos. Para isso primeiro se lhes deve converter ao estado de plasma, ionizándolos, favorecendo à união. Isto se consegue mediante dois métodos básicos: o confinamiento magnético e o confinamiento inercial. Existem várias possibilidades para produzir a fusão a partir dos isótopos do hidrógeno.
A energia da fusão ainda não se pôde aproveitar com fins práticos.
Representa algumas vantagens em relação à fisión nuclear:
- Produz menos residuos nucleares.
- Nos desenhos actuais precisa-se um contribua exterior de energia para que a reacção em corrente se mantenha.
- Produz mais energia por reacção.
Também possui desventajas:
- A reacção mais energética é deuterio+tritio, e o tritio é um isótopo muito escasso na Terra.
- As condições necessárias são tão extremas que só se dão no centro das estrelas, pelo que são muito difíceis de atingir e controlar.
As técnicas conhecidas de atingir as condições impostas pelos critérios de Lawson são dois:
- O confinamiento magnético, principalmente em tokamaks como o ITER.
- O confinamiento inercial, mediante o uso de lasers ou aceleradores de partículas, como por exemplo no National Ignition Facility.
Detecção
Análise radioquímico como apoio à detecção
As partículas alfa, que são emitidas normalmente por elementos com números atómicos superiores a 83, têm a energia discreta característica dos nucleidos emissores. Assim, os emissores α podem ser identificados medindo a energia das partículas α. As mostras a medir devem ser muito delgadas porque estas partículas perdem rapidamente energia ao atravessar o material. Os raios gama também têm a energia discreta característica do nucleido que se desintegra, pelo que a energia destes raios também pode se usar para identificar nucleidos. Já que os raios gama podem atravessar uma quantidade considerável de material sem perder energia, a mostra não tem que ser delgada. Os espectros de energia das partículas beta (e os positrones) não são úteis para identificar nucleidos porque se estendem sobre todas as energias até um máximo para a cada emissor β.
Análise mediante activação neutrónica
Com frequência, as técnicas de física nuclear empregam-se para analisar materiais rastreando elementos presentes em quantidades muito pequenas. A técnica utilizada chama-se análise de activação. Se irradia uma mostra com proyectiles nucleares (normalmente neutrones) para converter nucleidos estáveis em nucleidos radiactivos, que depois se medem com detectores de radiación nuclear. Por exemplo, o sodio de uma mostra pode ser detectado irradiando a mostra com neutrones, e convertendo assim parte dos núcleos estáveis ®Na em núcleos radiactivos ²Na; a seguir mede-se a quantidade destes últimos contando as partículas β e os raios g emitidos.
A análise de activação pode medir (sem separação química) quantidades tão pequenas como 1 nanogramo (10-9 g) de uns 35 elementos em materiais como o solo, as rochas, os meteoritos e as mostras lunares. Também pode se utilizar para analisar mostras biológicas, como o sangue e o tecido humano; no entanto, nos materiais biológicos podem-se observar poucos elementos sem separações químicas.
Outras aplicações importantes da física nuclear são o desenvolvimento de métodos para produzir espécies radiactivas utilizadas para o diagnóstico e os tratamentos médicos. Também tem desenvolvido os isótopos plotadoras que se usam para estudar o comportamento químico dos elementos, para medir o desgaste dos motores de automóveis e em outros estudos que empregam quantidades mínimas de material.
Cientistas relevantes na física nuclear
- Henri Becquerel
- Niels Bohr
- Marie Curie
- Pierre Curie
- Irène Joliot-Curie
- Jean Frédéric Joliot-Curie
- Isidor Isaac Rabi
- Robert Oppenheimer
- Wolfgang Paul
- John von Neumann
- Albert Einstein
- Enrico Fermi
- Ernest Rutherford
Veja-se também
Modelo:ORDENAR:Fisica nuclear
