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Radioquímica e Análise por Ativação Dra. Marina Beatriz Agostini Vasconcellos Dra. Mitiko Saiki Dra.Vera Akiko Maihara

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP Universidade de São Paulo. Radioquímica e Análise por Ativação Dra. Marina Beatriz Agostini Vasconcellos Dra. Mitiko Saiki Dra.Vera Akiko Maihara. Radioquímica e Análise por Ativação. I . CONCEITOS

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Radioquímica e Análise por Ativação Dra. Marina Beatriz Agostini Vasconcellos Dra. Mitiko Saiki Dra.Vera Akiko Maihara

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  1. Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares de São Paulo IPEN-CNEN/SP Universidade de São Paulo Radioquímica e Análise por Ativação Dra. Marina Beatriz Agostini Vasconcellos Dra. Mitiko Saiki Dra.Vera Akiko Maihara

  2. Radioquímica e Análise por Ativação I . CONCEITOS • Radioquímica (Lefort) • Problema de química pura ou aplicada: utilização de radioelementos ou radiações nucleares. • Química das Radiações: também seria incluída. • Química Nuclear: estudo da estrutura dos núcleos instáveis e estáveis e das reações nucleares (disciplina separada).

  3. Radioquímica (Haissinsky) • Está incluída no campo da Química Nuclear, que também engloba: • Reações Nucleares • Radioelementos • Química das Radiações • Aplicações de traçadores radioativos

  4. Radioquímica (Mc Kay) – três ramos principais: • Química Nuclear: estudo do núcleo por métodos químicos. • Química de radiotraçadores - aplicações químicas das substâncias radioativas. • Química das transformações nucleares (hot atom chemistry). • Química das Radiações: disciplina separada.

  5. Análise por Ativação Método de análise elementar, qualitativa e quantitativa. Forma química do elemento: não dá informações. Características: • Alta sensibilidade - concentrações de ppm ou ppb, dependendo do fluxo de nêutrons (1011 a 1015 n.cm-2.s-1). • Alta precisão e exatidão.

  6. 3.Ausência de problemas de contaminação, após a irradiação branco analítico. 4.Análises multielementares - instrumentalmente ou com separações radioquímicas. 5. Exige medidas de proteção à radiação. 6. Fator tempo - quando se lida com radioisótopos de meia-vida curta.

  7. PRINCÍPIO BÁSICO: Isótopo Estável Partícula incidente Isótopo Radioativo Partículas emitidas + + Medida das radiações emitidas

  8. II. Propriedades do Núcleo Atômico • Importância de A (número de massa). • Nuclídeo: espécie de átomo caracterizado pela constituição do seu núcleo, em particular por seu número de prótons e de nêutrons. • Isótopos: mesmo Z (número atômico). • Isóbaros: mesmo A (número de massa). • Isótonos: mesmo N (número de nêutrons). • Comportamento nuclear versus estado químico. • Tabela de nuclídeos.

  9. NUCLÍDEOS Espécies de átomos caracterizados pela constituição do seu núcleo, em particular pelo seu número de prótons e de nêutrons. Dos 111 elementos químicos conhecidos,81 possuem isótopos estáveis, sendo o Bi (Z=83) o mais pesado.

  10. NUCLIDEOS Os isótopos dos 28 elementos restantes são radioativos. O U(Z=92) é o mais pesado dos que ocorrem na natureza. Cerca de 2000 nuclídeos já foram identificados. Desses, somente 271 nuclídeos são estáveis, sendo os restantes radioativos.

  11. Tabela de Nuclídeos ELEMENTO Símbolo Massa Atômica Seção de Choque de absorção ( barns ) Secção de choque de fissão (barn) U 238,07 abs 7,68 f 4,2

  12. NUCLÍDEOESTÁVEL Símbolo nº de massa Abundância Isotópica Co 59 100 16+20 Seção de choque de captura ( barns )

  13. ß+, € NUCLÍDEO INSTÁVEL Cr 51 27,8 d 0,32 ... Símbolo, nº de massa meia vida Energia mais intensa dos raios 

  14. * seção de choque para nêutrons de reator. seção de choque de (n,) para N.T. f (efe)seção de choque de fissão para N.T. abs seção de choque de absorção.  ( n,p ) secção de choque ( n,p ).  ( n, ) secção de choque ( n, ).

  15. ß- NUCLÍDEO INSTÁVEL Meia vida Tipos de decaimento e energias Sc 48 1.83 d ß- 0.65 0.99,1.04 Símbolo nº de nucleons 

  16. NUCLÍDEO COM DECAMENTO RAMIFICADO Cu 64 12.8 h ß+ 0.66 ß- 0.57  1.34

  17. NUCLÍDEO INSTÁVEL () Th 228 1.9 a  5.42, 5.34  0.084 Membro de uma cadeia radioativa natural (Rd Th) Meia vida

  18. Tipos de Nuclídeos Isótopos - Possuem o mesmo número de prótons (Z= constante) mas diferentes números de massa e diferentes números de nêutrons. Ex: Isóbaros - Possuem o mesmo número de núcleons (A = constante). Pertencem a diferentes elementos químicos. Ex:

  19. Isótonos - Possuem o mesmo número de nêutrons Ex: Isodiáferos - Possuem o mesmo excesso de nêutrons sobre prótons (A-2Z=N-Z=constante). Ex:

  20. Isômeros ou Nuclídeos Isoméricos Não diferem no número de prótons ou de nêutrons, mas somente no estado energético do núcleo. Estado fundamental - estado de energia mais baixo. Isômero de meia vida muito curta estado excitado. Meias vidas maiores estados meta - estáveis.

  21. Nuclídeo isomérico em estado de energia maisalto que o estado fundamental liberação de energia geralmente por emissão de radiação . g=ground state

  22. Z Isótopos Isóbaros N Isótonos

  23. II.1 Energia de Ligação do Núcleo Energia de ligação nuclear total: energia liberada no processo hipotético de reunir Z prótons e N nêutrons para formar um núcleo. E = mc2

  24. Unidades de energia em física nuclear. Energia de ligação: ~proporcional a A. Energia de ligação/núcleon (MeV/núcleon). Cálculo da energia de ligação/núcleon para o 4He. 1.11 2.57 7.07 5.33 5.60 6.46 6.47 6.93 7.68

  25. Unidades de energia – o elétron - volt Elétron-volt: variação de energia cinética do elétron, quando a diferença de potencial for de 1 volt. + -

  26. Unidade de energia – o elétron - volt No sistema C.G.S : = 1/300 .e.e pot x 4,8.10-10 .e.e carga

  27. Pela Relação de Einstein : Energia 1, 660.10-24 g x 8,99.1020 cm2/s2 = 1,49.10-3 ergs

  28. 9 8 Energia de Ligação Por Núcleon (MeV) 7 6 0 50 100 150 200 250 Número de Massa

  29. Máximo : 8.79 MeV / núcleon _ 56Fe Queda suave até 7.58 MeV / núcleon para o 238U Para A > 11 , E L entre 7.4 e 8.8 MeV por núcleon EL / núcleon para o 4He alta EL / núcleon para o 12C e 16O também Conseqüências : E solar , estabilidade.

  30. Diferença entre as EL / núcleon para nuclídeos estáveis e radioativos.

  31. Ne22 C12 o16 25Mg He4 Be9 B11 B10 Energia de Ligação por Núcleon para os Nuclídeos mais leves Energia de Ligação Por Núcleon Li6 H3 He3 H2 0 20 30 10 A

  32. Definições de Estabilidade • Não se detecta radioatividade. Não há transformação em outro nuclídeo. 2. Sistema nuclear é estável em relação a outro quando a diferença de energia é negativa: massa em repouso do primeiro é menor que a do segundo.

  33. Definições de Estabilidade Ex: 4He é mais estável do que os seus constituintes isolados. 235U é instável em relação ao sistema 231Th + 4He 235U 231Th + 4He

  34. II. 2 Forças Nucleares • Atração gravitacional – fraca • Força eletrostática – prótons ( repulsão ) • Características das Forças Nucleares • Alcance muito curto: experimentos de bombardeamento com partículas elementares e a partir das propriedades do dêuteron.

  35. - A atração se transforma em repulsão com maior aproximação (semelhança com Forças de Van der Waals ). Distância a partir do centro do núcleo (Fermis) Barreira coulombiana Nêutron E pot= o o o o Nêutron Próton Poço de potencial

  36. Independência da carga – a força é de mesma magnitude para 2 prótons, 1 próton e um nêutron ou 2 nêutrons. - Saturação das forças nucleares : Interações possíveis entre pares de núcleons:

  37. Energia da ligação : proporcional a A Semelhança com as forças de valência. Repulsões Coulômbicas (prótons) : não mostram saturação. São aproximadamente proporcionais ao número de prótons que interagem :

  38. Conseqüência : Queda suave na energia de ligação/núcleon para núcleos pesados. Dependem do estado quântico do sistema. Estado estável do dêuteron : nêutron e próton com spins paralelos. Experiência de espalhamento : interação de 2 núcleons depende de sua quantidade de movimento angular relativa.

  39. II. 3 Sistemática dos Núcleos Estáveis • Nuclídeos estáveis : formam uma banda através da carta de nuclídeos. • Parte inferior : associada c / Z = N (4He, 16O) até o 40Ca (Z=N=20) último nuclídeo estável com Z = N A partir daí : N / Z > 1

  40. II. 3 Sistemática dos Núcleos Estáveis Nuclídeo estável mais pesado (209Bi), Z=83 N=126 N / Z = 1.52 Excesso de nêutrons : compensação para repulsão Coulômbica. Equação da linha de estabilidade: N ~= Z para os nuclídeos leves.

  41. Z=20 Z=28 Z=82 Z=50 Z=8 Z=2 N =126 110 90 N N=82 Lado Rico em N() 70 N=Z 50 N=50 Lado Rico em prótons (+) 30 N=28 N=20 10 N=8 N=2 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Z

  42. Efeito par - ímpar • Nenhum elemento com Z ímpar possui mais do que dois isótopos estáveis. • Elementos com Z par possuem até 10. • Categorias de Nuclídeos • Z – par , N – par – 144 • Z – impar, N – ímpar – 4 • Z - par , N ímpar – 55 • Z - ímpar , N par – 50 • Explicação : formação de pares de prótons e de nêutrons conduz à estabilidade.

  43. Núcleons : possuem spin e quantidade de movimento orbital. Spins dos núcleons : + ½ , - ½ Quantidade de movimento angular total : I I =L + S L orbital S spi Quantidade de movimento angular : normalmente á chamada de spin nuclear Estado fundamental : tem spin diferente de um estado excitado.

  44. Spins intrínsecos : ±½ Movimentos orbitais : números inteiros A impar : A par: 0 , 1 , 2 , 3, .... Exemplos :

  45. Camadas Fechadas Estabilidade associada com certos números de prótons e nêutrons. 2 , 8 , 20 , 58 , 50 , 82 ,126 – Números mágicos 126 – Mágico só para nêutrons

  46. N = 20 , 28 , 505 isótonos estáveis. N = 82 único valor de N , com mais de 5 isótonos estáveis ( 7 ).

  47. Altas abundâncias naturais para : Alguns nuclídeos têm Z e N mágicos ( duplamente mágicos ). Paralelo com as camadas eletrônicas fechadas dos gases raros ( 2 , 10 , 18 , 36 , 54 e 86 ) : princípio de exclusão de Pauli.

  48. Caso do núcleo quadro é mais complexo. Núcleons : associados também a números quânticos e o princípio de Pauli também opera (aplicado separadamente a Z e N). Configurações estáveis : são diferentes nos átomos e nos núcleos.

  49. II . 4 Dimensões e forma do núcleo Rutherford (1911) – Espalhamento da partículas - : primeiras informações sobre as dimensões do núcleo. Diâmetro do núcleo = 1/104 Diâmetro do átomo Diferentes métodos: valores diferentes para o raio do núcleo: limites do núcleo não são bem definidos. Raio nuclear: corresponde ao “range” das forças nucleares. Diâmetro do átomo

  50. Volume do núcleo: proporcional a A: todos os núcleos possuem a mesma densidade média: Forma do núcleo : não é necessariamente esférica (os núcleos pares – pares são esféricos ). “ Oblate “ – oblato , achatado nos pólos. “ Prolate “ – estendido , alongado nos pólos ( bola de Rugby ). 1.2x1014g/cm3

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