Física Nuclear

1. FUNDAMENTOS DE FÍSICA ATÔMICA E
NUCLEAR
☼ Estrutura da Matéria:
⌂ Estrutura do átomo, do núcleo;
⌂ Equivalência entre massa e energia;
⌂ Transições atômicas e nucleares.

2. ☼ Estrutura da
Matéria
 Composição da matéria
 Átomos e suas combinações
o As substâncias simples são constituídas de
átomos e, as combinações destes, formam
as moléculas das substâncias compostas.
 A maneira como os átomos se combinam
depende da sua natureza e das
propriedades que as suas estruturas
propiciam.

3.  Estrutura do átomo
 Modelo utilizado para representar o átomo
o um núcleo pesado, com carga elétrica
positiva, e
o vários elétrons, com carga elétrica
negativa, cujo número varia com a
natureza do elemento químico.
 Raio de um átomo
o da ordem de 10-7 cm
 Propriedades químicas
o definidas pelos elétrons das camadas mais
externas.
☼ Estrutura da
Matéria

4. Estrutura do átomo e do núcleo
Descrição do Átomo
☼ Estrutura da
Matéria

5. ESTRUTURA ATÔMICA E NUCLEAR
Modelo de Bohr
 Modelo que explica os fenômenos que observamos.
 Certos fenômenos exigirão que usemos uma mecânica quântica
para explicar.
 O propósito é fornecer uma sensação intuitiva do que acontece
em um átomo quando ocorrem interações.
 E a maneira mais simples de fazer isso é com um modelo
muito simples e esse é o modelo de Bohr.
 O modelo de Bohr é um modelo planetário que consiste em um
núcleo e elétrons.
 Núcleo contém carga positiva e a maior parte da massa
 Diâmetro em torno de 10-12 cm
 Os elétrons circundam o núcleo e giram em torno do núcleo
 Modelo planetário
 Números iguais de prótons e elétrons
 Carga líquida zero
☼ Estrutura da
Matéria

6.  Raio atômico
 Teoricamente, é a distância do centro do núcleo
atômico até o último orbital ocupado por elétrons.
 Na prática, é determinado como sendo o valor médio da
distância entre núcleos de dois átomos vizinhos ligados
e no estado sólido.
 Valor do raio atômico
o depende da força de atração entre o núcleo e os elétrons
o é expresso em angstron (1 Å = 10-8 cm) ou
o em picômetro (1 pm =10-12 m).
 Aumentando-se Z, o raio diminui; aumentando-se o
número de camadas eletrônicas, o raio aumenta.
☼ Estrutura da
Matéria

7.  Raio iônico
 Acréscimo ou a falta de elétrons num átomo modifica
o raio do sistema restante, que é o íon.
o íon positivo - cátion, possui elétrons a menos.
o íon negativo - ânion, tem excesso de elétrons.
 Falta de elétrons faz com que a carga nuclear atue
mais intensamente sobre os elétrons restantes,
reduzindo o raio.
 Excesso de elétrons aumenta o raio, devido a
atenuação da força de atração pelo núcleo e pelo
aumento da repulsão entre os elétrons.
☼ Estrutura da
Matéria

8.  Estrutura eletrônica
 Os elétrons se distribuem em camadas ou orbitais, de
tal modo que dois elétrons não ocupem o “mesmo
lugar” ao mesmo tempo.
o Somente dois elétrons podem ocupar a mesma região
no espaço, mas eles devem ter características
magnéticas (spin) diferentes.
o Esta restrição é denominada de Princípio de exclusão
de Pauli.
o Quanto mais elétrons possuir o elemento químico, mais
camadas ele deve ter ou mais complexa será a maneira
como eles se acomodarão.
☼ Estrutura da
Matéria

9. ☼ Estrutura da
Matéria
 Estrutura eletrônica
 Cada orbital pode ser representado por um elétron se
movendo segundo uma trajetória circular (ou elíptica)
ou por uma nuvem envolvendo o núcleo e distribuída em
torno de um raio médio.
 O orbital é um conceito proveniente da teoria quântica
do átomo
o é definido como uma região do espaço em torno do
núcleo onde os elétrons têm grande probabilidade de
estar localizados.

10.  Estrutura eletrônica
 Cada camada comporta um número definido de
elétrons.
o Quando preenchida, denomina-se camada fechada.
o O número de elétrons destas camadas é denominado de
número mágico
 Quando excedido, os novos elétrons devem ocupar
novos orbitais, senão haverá repetição dos números
quânticos que caracterizam cada elétron.
o Os números mágicos são:
 2, 8, 18, 32, 32, 18 até 8.
☼ Estrutura da
Matéria

11.  Energia de ligação eletrônica
 Cada elétron está vinculado ao átomo
o pela atração entre a sua carga negativa e a carga positiva
do núcleo e
o pelo acoplamento atrativo do seu momento magnético
(spin) com elétrons da mesma camada.
 A força atrativa sofre uma pequena atenuação devido à
repulsão elétrica dos demais elétrons.
☼ Estrutura da
Matéria

12.  Energia de ligação eletrônica
 A energia consumida neste acoplamento se denomina
energia de ligação.
o Para elementos de número atômico elevado, a energia de
ligação dos elétrons próximos ao núcleo é bastante
grande, atingindo a faixa de 100 keV
o enquanto que a dos elétrons mais externos é da ordem de
alguns eV.
☼ Estrutura da
Matéria

13.  Energia de ligação eletrônica (Eb)
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia necessária para remover completamente o elétron do
átomo
 Energia necessária para remover o elétron de qualquer
camada que esteja ao redor do átomo para levá-lo
infinitamente para longe do núcleo.
 Normalmente Eb < 0 – deve ser fornecida a energia
 Normalmente, identificamos que a energia de ligação é um
número negativo, o que significa que a energia deve ser
fornecida ao elétron para superar a força atrativa do núcleo
e levá-lo a uma distância infinita do núcleo.
n Camada
Eb (eV)
Hidrogênio Tungstênio
1 K -13,50 -69500
2 L -3,40 -11280
3 M -1,50 -2810
4 N -0,90 -588
5 O -0,54 -73

14.  Energia de ligação eletrônica
☼ Estrutura da
Matéria
 Observe a dependência da energia de ligação sobre n, tamanho
do núcleo
 Há duas tendências muito importantes que você precisa
observar.
o Uma é que, à medida que você se afasta cada vez mais
do núcleo, à medida que passa de uma camada interna
para outra externa, a magnitude das energias de ligação
diminui.
 Isso significa que é preciso menos energia para
remover um elétron de uma camada externa do que
de uma camada interna.
o Um segundo ponto a ser observado é que, se você estiver
mais longe do núcleo, os elétrons da camada interna
podem proteger parcialmente o núcleo.
 Consequentemente, a carga efetiva que um elétron da
camada externa observa é menor do que aquela que o
elétron da camada interna observa.

15.  Energia de ligação eletrônica
 Os elétrons pertencentes às camadas fechadas possuem
energia de ligação com valores bem mais elevados do
que os das camadas incompletas e, portanto, são os
mais estáveis.
o variação da energia de ligação dos elétrons da última
camada, ou energia potencial de ionização, com o número
atômico Z do elemento químico.
☼ Estrutura da
Matéria

16.  Energia de ligação eletrônica
 Quanto maior o raio atômico, mais distante os elétrons
estarão do núcleo e, portanto, mais fraca será a atração
sobre eles.
o quanto maior o raio atômico, menor o potencial de
ionização.
 valores máximos correspondem a de elementos com a
última camada eletrônica completa.
☼ Estrutura da
Matéria

17.  Estrutura nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 O que está acontecendo no núcleo.
 Para uma primeira aproximação, o núcleo é composto
de dois tipos de partículas, prótons e nêutrons.
 Núcleo composto por prótons e nêutrons – nucleons
 O termo genérico para prótons e nêutrons é nucleon.
 massa = 1,6x10-27 kg para prótons e nêutrons
 A massa de prótons e nêutrons é muito semelhante, e é
cerca de 2000 vezes a massa de um elétron.
 Carga = +1,6x10-19 C para próton
 Essa é a mesma carga que a de um elétron, mas
positiva e não negativa
 Observe que a carga dos prótons é igual à carga dos
elétrons, mas com sinal oposto
 Sem carga para nêutron

18.  Estrutura nuclear
 O núcleo atômico é constituído de A nucleons,
sendo N nêutrons e Z prótons.
o Os prótons são carregados positivamente e
determinam o número de elétrons do átomo, uma vez
que este é eletricamente neutro.
o Os nêutrons possuem praticamente a mesma massa
que os prótons, mas não têm carga elétrica.
 Prótons e nêutrons são chamados
indistintamente de nucleons.
o O número de nucleons A = N + Z é denominado de
número de massa e
o Z de número atômico.
☼ Estrutura da
Matéria

19.  Estrutura nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Vários números são usados para caracterizar o núcleo,
Número de massa, número atômico
 Número de massa (A) - número de nucleons (prótons
+ nêutrons) no núcleo
 O número de massa é o número de nucleons no
núcleo;
 isto é, o número total de prótons mais o
número total de nêutrons.
 Dá alguma indicação da massa do núcleo
 Número atômico (Z) - número de prótons no núcleo e
número de elétrons no átomo neutro
 Número de nêutrons (N) - número de nêutrons no
núcleo
 Relação : A = Z + N

20.  Estrutura nuclear
 Os nucleons se movem com uma velocidade
média da ordem de 30000 km.s-1,
o num volume obtido por
4
3
∗ 𝜋 ∗ 𝑅3
,
o onde 𝑅 = 𝑟0 ∗ 𝐴1/3 (10-13 cm)
o é o raio nuclear, com r0 = 1,15.
 Densidade nuclear
o valor em torno de ρ = 1015 g.cm-3,
o densidade de ocupação de 1,6 ∗ 1038 nucleons.cm-3.
☼ Estrutura da
Matéria

21.  Notação química
 A notação utilizada para identificação de um
elemento químico é do tipo 𝑍
𝐴
𝑋
o onde A é o número de massa e
o Z o número atômico ou número de prótons.
o O número de nêutrons é obtido de N = A - Z.
 Exemplos:
o 2
4
𝐻𝑒
o 94
239
𝑃𝑢
o 92
235
𝑈
☼ Estrutura da
Matéria

22. ☼ Estrutura da
Matéria
 Como é um núcleo?
 Existem alguns modelos do núcleo.
 Niels Bohr tinha um modelo tão bom do átomo e
decidiu projetar um modelo para o núcleo.
o Modelo de gota líquida (Bohr) - Núcleo composto
por nucleons bem compactados
 Modelo de camada (Mayer) - Níveis discretos de
energia no núcleo
 Há alguma evidência experimental da
possibilidade de existência de níveis de energia
no núcleo.
 Análoga a camadas de elétrons, como
evidenciado pela estabilidade de Z = 2, 8, 20, 82,
126, sugerindo camadas nucleares cheias
MODELOS DE ESTRUTURAS NUCLEARES

23. ☼ Estrutura da
Matéria
MODELOS DE ESTRUTURAS NUCLEARES
 Átomos com camadas eletrônicas cheias não são
reativos.
 No modelo de camada do núcleo, esses valores
particulares do número atômico sugerem camadas
nucleares cheias.
 Os núcleos podem liberar energia porque existem níveis
de energia.
 Para um dado núcleo, temos um estado fundamental, o
estado mais baixo de energia e estados excitados.
 Isso é análogo aos estados fundamentais e aos estados
excitados de átomos.
 Os núcleos passam de estados excitados para estados
de energia mais baixa emitindo radiação.

24.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Relação n / p usada como medida de estabilidade
 Medidas de estabilidade nuclear.
 Essa é a razão n sobre p, que é a relação entre nêutrons
para prótons.
 Para isótopos estáveis, observamos que todos estão ao
longo de uma linha de estabilidade.
 Para números atômicos baixos, o número de prótons e o
número de nêutrons dos núcleos mais estáveis são iguais.
 Portanto, um núcleo de oxigênio com 8 prótons e 8
nêutrons é muito estável.
 Se você possui prótons ou nêutrons demais (desequilíbrio),
costuma ter um núcleo instável, se temos excesso de
nêutrons ou excesso de prótons, sabemos que tipo de
processo um núcleo radioativo passará na tentativa de
alcançar a estabilidade.

25.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Relação n / p usada como medida de estabilidade
 Medidas de estabilidade nuclear.
 Se tivermos muitos nêutrons, analisaremos um processo ou
processos que tendem a diminuir o número de nêutrons e /
ou aumentar o número de prótons.
 Por outro lado, se tivermos muitos prótons, analisaremos
processos que aumentam o número de prótons ou diminuem
o número de nêutrons ou ambos.
 Portanto, essa linha de estabilidade será muito importante
para nos dizer que tipo de processo radioativo ocorrerá
quando um núcleo radioativo decair.

26.  Organização nuclear
 Os prótons e nêutrons se organizam
o em orbitais,
o em níveis de energia,
o sob a ação do campo de forças intensas e de
curto alcance.
 Não existe correlação entre orbitais e
trajetórias geométricas, mas entre orbitais e
energias das partículas.
 Base da organização dos nucleons no
espaço nuclear
o Princípio de Exclusão de Pauli.
☼ Estrutura da
Matéria

27.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Estabilidade dos núcleos
 Núcleos com números pares de prótons ou nêutrons são
mais estáveis do que aqueles com números ímpares
 Portanto, os núcleos mais estáveis têm números
pares de prótons e números pares de nêutrons.
 Se tivermos um número ímpar de prótons ou um
número par de nêutrons, teremos alguma
estabilidade, mas não tanta estabilidade.
 Observe como poucos núcleos estáveis têm um
número ímpar de prótons e um número ímpar de
nêutrons.
 O emparelhamento de rotações nucleares gera menor
energia

28.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Estabilidade dos núcleos
Número de Prótons Número de Nêutrons Número de Isótopos
Estáveis
Par Par 165
Par Impar 57
Impar Par 53
Impar Impar 6

29.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Estabilidade dos núcleos
 Em geral, núcleo com o número par de
prótons ou nêutrons são mais estáveis
 Quando o número de prótons aumenta as forças
eletromagnéticas aumentam e são necessários mais
nêutrons para proporcionar a força nuclear atrativa
para manter o núcleo unido
 Certos números de Z ou N são particularmente
estáveis (maior energia de ligação BE)
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Números Mágicos

30.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Estabilidade dos núcleos
 Indicadores de estabilidade
 Os indicadores de estabilidade incluem números mágicos
que correspondem a camadas nucleares cheias,
 uma linha de estabilidade para N = Z, para Z baixo e
 N um pouco maior que Z para Z mais alto, e
 núcleos com números pares de prótons e / ou números
pares de nêutrons, sendo mais estável do que aqueles
com números ímpares.
 Portanto, olhando para um núcleo, deveríamos ter alguma
indicação de quão estável é esse núcleo.
 "números mágicos"
 2,8,20,28,50,82,126 - camadas cheias
 "Linha de estabilidade"
 N = Z para Z baixo
 Par versus ímpar
 Par mais estável do que ímpar

31.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Força nuclear - Como o núcleo permanece unido.
 Os prótons devem se repelir no núcleo devido à
repulsão eletrostática
 Os prótons são carregados positivamente.
 Cargas positivas repelem; portanto, os prótons
devem se repelir e os núcleos não devem
existir.
 Por que, então, existem núcleos estáveis?
 Acontece que existe outra força chamada
"força nuclear forte“.
 Requer força de curto alcance para manter o núcleo
unido
 A força de curto alcance é aproximadamente 100
vezes mais forte que a força eletrostática

32.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Força nuclear - Como o núcleo permanece unido.
 Chame de "cimento de contato nuclear".
 Suponha que você tenha dois prótons. Para reuni-los, você
experimentará uma grande força repulsiva; mas uma vez que você
supera essa força repulsiva e deixa os dois prótons entrarem em
contato, ou se aproximarem muito, a força nuclear forte supera a
força eletrostática para manter os prótons juntos e fazer com que
o núcleo se torne estável .
 As partículas do cimento de contato nuclear são chamadas
mesons.
 Se você pode explodir um núcleo, também pode nocautear alguns
desses mésons e produzir mésons pi negativos ou pions
negativos. Temos essa força de curto alcance.
 Também podemos calcular que tipo de energia é incorporada
nessa força de curto alcance para manter um núcleo unido. Os
cálculos das energias nucleares de ligação são muito
importantes.

33.  Organização nuclear
 Forças denominadas forças nucleares, ou interação
forte, e
 A energia de ligação da última partícula dentro do "poço
de potencial" caracteriza a energia de ligação do núcleo.
o O valor médio da energia de ligação dos núcleos é
cerca de 7,5 MeV, muito maior que a energia de
ligação dos elétrons.
Ocupação dos níveis
de energia de um
núcleo representado
por um poço de
potencial atrativo
(energia negativa).
Energia de ligação
nuclear por partícula
☼ Estrutura da
Matéria

34.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear
 A massa de um núcleo comparada com a massa das
partículas individuais que compõem o núcleo.
 A massa do núcleo é menor que a soma das massas
dos nucleons no núcleo - defeito de massa
 Em outras palavras, o todo é menor que a soma de
suas partes.
 Essa diferença de massa é chamada de defeito de massa
 Defeito em massa representa a energia de ligação dos
nucleons de acordo com a fórmula de Einstein
 E = m.c2
 Expressa geralmente as massas em termos de
energias de repouso:
 1 amu = 931 MeV

35.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear
 O que faremos é converter a massa em unidades de
massa atômica em equivalentes de energia.
 Nessas unidades, a massa de 1 elétron = 0,511 MeV
 A outra conversão interessante é a massa de 1 elétron.
 931 MeV são iguais a uma unidade de massa atômica.
 Então, a massa de um núcleo subtraída da massa dos
nucleons componentes, fornece o defeito de massa.
 Converta esse defeito de massa em energia e você
encontrará a energia que é usada para manter o núcleo
unido.

36.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear
 Comparar a soma dos pesos das partes constituintes
de um isótopo W com o peso isotópico medido M.
𝑊 = 𝑍 . 𝑚𝐻 + 𝐴 − 𝑍 . 𝑚𝑛
onde
Z é o número atômico e
A é o número da massa atômica, que é igual ao número de
nucleons dentro do núcleo,
mH é a massa de um átomo de hidrogênio e
mn é a massa de um nêutron.

37.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear - Exemplo
 Vamos pegar 6 prótons e combiná-los com 6 nêutrons para
formar um núcleo de carbono.
 Massa de 6 prótons = 6 x1,00727 amu = 6,04362 amu
 Massa de 6 nêutrons = 6x1,00866 amu = 6,05196 amu
 Massa de 12 nucleons de 12C = 12,09558 amu
 Precisamos manter muitos números significativos, porque
vamos fazer subtração.
 Neste cálculo, a quantidade amu é relativa à massa de um
núcleo de carbono-12.
 Massa de 12 nucleons de 12C = 12,09558 amu
 Massa do núcleo do 12C = 12,00000 amu
 Defeito de massa = 0,09558 amu
 A diferença de massa de 0,09558 amu é chamada de defeito de
massa e é a energia usada para manter esse núcleo de
carbono-12 unido.

38.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear - Exemplo
 Converter essa massa em unidades de energia.
 Energia de ligação do núcleo de 12C
 = 0,09558 amu x 931 MeV/amu = 89,0 MeV
• Mais importante que isso é a energia de ligação por
nucleon
 Energia de ligação média / nucleon
 = 89,0 MeV / 12 nucleons = 7,42 MeV / nucleon
∆𝑚= 12,09558 − 12 = 0,09558 𝑢. 𝑚. 𝑎 𝑥
1 𝑔
6,022𝑥1028𝑢.𝑚.𝑎
.
1 𝑘𝑔
1000 𝑔
= 1,58718𝑥10−28
𝑘𝑔
𝐸△ = 𝑚△. 𝑐2
= 1,58718𝑥10−28
𝑘𝑔. 3𝑥108
𝑚
𝑠
2
= 1,42846𝑥10−11
𝐽𝑥
1 𝑒𝑉
1,6𝑥10−14𝐽
= 89,28 𝑀𝑒𝑉
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝐿𝑖𝑔𝑎çã𝑜
𝑁𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜𝑛
=
89,28 𝑀𝑒𝑉
12
= 7,44
𝑀𝑒𝑉
𝑁𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜𝑛
 = 𝑊 − 𝑀

39.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear - Exemplo
 Se pudermos bombardear cerca de 7,5 MeV em um núcleo
de carbono-12, teremos energia suficiente para superar a
energia de ligação desse núcleo de carbono-12 e poderemos
ejetar um nucleon.
 Portanto, qualquer interação envolvendo radiação incidente
com energia superior a 7,5 MeV será suficiente para causar
desintegração fotonuclear e eliminar um nucleon de um
núcleo de carbono-12.

40.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear
 O defeito de massa representa o equivalente em massa do
trabalho que deve ser feito para separar o núcleo em seus
núcleos componentes individuais e é, portanto, chamado de
energia de ligação.
 Em unidades de energia, a energia de ligação, EB, é:
𝐸𝐵 = 𝑊 − 𝑀 𝑎𝑚𝑢. 931
𝑀𝑒𝑉
𝑎𝑚𝑢
 A energia de ligação é uma medida da coesão de um núcleo.

41.  Organização nuclear
☼ Estrutura da
Matéria
 Energia de ligação nuclear
 Como a energia de ligação total de um núcleo depende do
número de nucleons dentro do núcleo, uma medida mais útil
da coesão é a energia de ligação média por núcleo, Eb,
como dado abaixo:
𝐸𝑏 =
931. 𝑊 − 𝑀
𝐴
𝑀𝑒𝑉
𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜𝑛
onde
A, o número de massa atômica, representa o número de
nucleons dentro do núcleo.

42.  Tabela de nuclídeos
 Registra num gráfico todos os elementos químicos
conhecidos, estáveis e instáveis
o eixo das ordenadas - número atômico Z e
o eixo das abscissas - número de nêutrons N,
☼ Estrutura da
Matéria

43.  Tabela de nuclídeos
 Nesta tabela, observa-se:
o para os elementos de número de massa pequeno, o
número de prótons é igual ou próximo do número de
nêutrons.
o à medida que o número de massa A vai aumentando,
o número de nêutrons aumenta relativamente,
chegando a um excesso de quase 40% no final da
tabela.
☼ Estrutura da
Matéria

44.  Tabela de nuclídeos
☼ Estrutura da
Matéria
isótopos igual Z
isóbaros igual A
isômeros igual A e Z

45.  Tabela de nuclídeos
 Seccionando-se perpendicularmente a região onde se
distribuem os nuclídeos na superfície (Z,N), tem-se que a
superfície (N,Z) não é plana, mas apresenta um formato
de um vale, onde se distribuem nuclídeos nas encostas
da esquerda e da direita, e no fundo se situam os
nuclídeos pertencentes à linha de estabilidade beta.
 Percebe-se que os nuclídeos da encosta da esquerda
decaem para a linha de estabilidade, reduzindo o
número de prótons por meio de decaimento β+ e, os da
encosta da direita por decaimento β-, para reduzir o
excesso de nêutrons.
☼ Estrutura da
Matéria

46.  Tabela de nuclídeos
☼ Estrutura da
Matéria

47.  Tabela de nuclídeos
 Segmento da Tabela de Nuclídeos.
o Onde aparecem outros parâmetros nucleares, tais
como,
 a meia-vida do nuclídeo,
 os tipos de radiações emitidas,
 a energia das radiações mais intensas,
 a abundância percentual de cada isótopo, e
 a seção de choque de reação nuclear.
☼ Estrutura da
Matéria

48.  Isótopos, isóbaros e isótonos
 Observando o segmento da Tabela de Nuclídeos
percebe-se que vários elementos simples, ou seja,
quimicamente puros, não são nuclearmente puros.
o Apresentam diferentes massas atômicas.
o São os denominados isótopos.
o São nuclídeos com o mesmo número de prótons Z,
mas diferentes números de nêutrons.
 Por exemplo, do boro quimicamente puro, 80% é
constituído de 5
11
𝐵 e 20% de 5
10
𝐵 .
o Alguns nuclídeos possuem muitos isótopos
estáveis, como o estanho com 8.
 Além dos nuclídeos estáveis, existem os
instáveis, que são radioativos, denominados de
radioisótopos ou radionuclídeos.
☼ Estrutura da
Matéria

49.  Isótopos, isóbaros e isótonos
 Os nuclídeos de elementos diferentes, mas
que possuem a mesma massa atômica são
denominados de isóbaros.
o É o caso do 17
34
𝐶𝑙, 16
34
𝑆, 15
34
𝑃 e 14
35
𝑆𝑖.
 Os nuclídeos que possuem o mesmo
número de nêutrons são denominados de
isótonos,
o por exemplo, 17
33
𝐶𝑙16, 16
32
𝑆16, 15
31
𝑃16, 14
30
𝑆𝑖16, com N = 16.
☼ Estrutura da
Matéria

50.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
 Nomenclatura
 Isótopo - mesmo Z, diferente N
 12C, 14C
 Os isótopos têm o mesmo número atômico, mas
diferentes números de massa - mesmo número de
prótons, mesmo número de elétrons, mas diferentes
números de nêutrons.
 Por exemplo, vamos pegar carbono.
 Um isótopo de carbono possui 6 prótons e 6
nêutrons, enquanto outro isótopo possui 6 prótons
e 8 nêutrons.
 Assim, temos dois isótopos, carbono-12 e carbono-
14.
 Ambos são isótopos de carbono.

51.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
Isótopos
-Elementos com mesmo Z
-Mesmo elemento
-Mesmas propriedades físico-químicas
-Número de nêutrons diferente
-Massa atômica diferente
-Mesma carga nuclear

52.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
 Nomenclatura
 Isótono - mesmo N, diferente Z
 3H, 4He
 Mesmo número de nêutrons, mas um número
diferente de prótons, e eles são chamados isótonos.
 Um exemplo de dois isótonos é o hidrogênio-3 e o
hélio-4.
 O hidrogênio-3 possui 1 próton e 2 nêutrons,
 Enquanto o hélio-4 possui 2 prótons e 2 nêutrons
 Portanto, são isótonos.

53.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
Isótonos
- Mesmo número de nêutrons
- Diferente Z
- Diferente A
- Propriedades físico-químicas distintas
- Elementos diferentes

54.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
 Nomenclatura
 Isóbaro - mesmo A, diferente Z e N
 18O, 18F
 Você tem isóbaros, que têm o mesmo número de
massa, mas diferentes números de prótons e
nêutrons.
 Por exemplo,
 O oxigênio-18 possui 8 prótons, 10 nêutrons e 18
nucleons;
 Enquanto o flúor-18 possui 10 prótons, 8 nêutrons
e 18 nucleons.
 Isômero - o mesmo Z e N, diferentes estados de
energia nuclear
 99Tc, 99mTc

55.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
Isóbaros
-Mesmo A
-Diferente Z
-Não são o mesmo elemento
-Apresentam comportamentos físico-
químicos distintos

56.  Isótopos, isóbaros e isótonos
☼ Estrutura da
Matéria
Isômeros
-Mesmo elemento
-Mesmo Z, A e N
-Mesmas propriedades físico-químicas
-Diferentes estados energéticos do núcleo
(estados excitados)

57.  Tabela Periódica
 Dmitri Mendeleiev, em 1869, mostrou que
os elementos apresentavam uma
periodicidade nas propriedades químicas,
de acordo com o número de elétrons da
última camada, coadjuvada, em alguns
casos, com os da penúltima camada.
o Tabela Periódica dos elementos químicos.
☼ Estrutura da
Matéria

58.  Tabela Periódica
☼ Estrutura da
Matéria
Sistema Periódico de acordo com Mendelejev
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg 112 114
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

59.  Tabela Periódica
 Os elementos químicos foram dispostos em 18
colunas e 9 linhas, em ordem crescente de seus
números atômicos, e contém 7 períodos:
o O 1o possui somente 2 elementos, o H (Z=1) e He (Z=2), com
elétrons na camada 1s.
o O 2º possui 8 elementos, vai de Li (Z=3) até Ne (Z=10), com
elétrons em 2s e 2p.
o O 3º possui 8 elementos, vai do Na (Z=11) até Ar (Z=18), com
elétrons em 3s e 3p.
o O 4º com 18 elementos, vai do K (Z=19) até o Kr (Z=36), com
elétrons 4s, 3d e 4p.
o O 5º com 18 elementos, vai do Rb (Z=37) até o Xe (Z=54), com
elétrons 5s, 4d e 5p.
o O 6º com 32 elementos, vai do Cs (Z=55) até o Rn (Z=86), com
os últimos subníveis 6s, 4f, 5d e 6p preenchidos.
o O 7º com 17 elementos, os actinídeos, vai do Fr (Z=87) até o Lr
(Z=103), com os últimos subníveis 7s, 5f e 6d preenchidos.
☼ Estrutura da
Matéria

60.  Tabela Periódica
 Os elementos dispostos na mesma coluna têm
propriedades químicas similares e constituem
as famílias ou grupos.
o Por exemplo, He, Ne, Ar, Kr, Xe e Rn constituem o
grupo dos gases nobres;
o Li, Na, K, Rb, Cs e Fr, os metais alcalinos;
o F, Cl, Br, I e At, os halogênios;
o Be, Mg, Ca, Sr, Ba e Ra os metais alcalinos-terrosos.
☼ Estrutura da
Matéria

61.  Tabela Periódica
☼ Estrutura da
Matéria
RELAÇÕES PERIÓDICAS

62. ESTRUTURA ATÔMICA E NUCLEAR
 Níveis de energia eletrônica
 Como preencher as órbitas de elétrons:
 A maneira como preenchemos as camadas de elétrons é colocar os
elétrons no estado de energia total mais baixo.
 Princípio geral: qualquer sistema tenta buscar o menor estado
total de energia.
 Qual é o menor estado de energia em um átomo?
 Energia zero - elétron infinitamente longe do núcleo
 À medida que o elétron se aproxima do núcleo do átomo, ele vê
uma força de atração resultante da carga positiva do núcleo.
 Energia do elétron em sua órbita é negativa
 Lembre-se de que as cargas diferentes se atraem.
 A força atrai o elétron, então, em órbita ele possui energia
negativa.
 A menor energia é a da órbita mais interna
 Inicialmente todos os elétrons preenchem a órbita mais interna.
 Número máximo de elétrons na camada
 Acontece que, se estudarmos o índice n de uma camada, o
número máximo de elétrons em uma camada é dado por 2.n2
☼ Estrutura da
Matéria

63.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
 Para distribuir os elétrons nos níveis e subníveis de
energia, é preciso:
o adotar o Diagrama criado por Linus Pauling,
o obedecer ao Princípio de Exclusão de Pauli e
o a Regra de Hund.
 O diagrama provém da teoria quântica da matéria, na
qual, a energia não se apresenta de modo contínuo, mas
em pacotes discretos, em quanta.
o Esta teoria foi necessária para explicar, dentre
outros fenômenos,
 os orbitais estacionários dos elétrons e nucleons
atômicos e
 as transições com emissão de radiações com
energia definida.
☼ Estrutura da
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64.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
 Nesta visão do átomo, os elétrons se
distribuem ao redor do núcleo,
o em regiões privilegiadas, denominadas camadas,
o sendo que em cada camada só podem habitar
orbitais bem definidos pelos denominados números
quânticos.
o Assim, cada elétron possui um conjunto de números
que o identificam.
☼ Estrutura da
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65.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Número Quântico Orbital ℓ
 Número quântico orbital ou secundário ℓ ,
equivale aos orbitais dos subníveis
energéticos e descreve a forma dos orbitais.
o Para cada valor de n, ℓvaria de 0 até n–1.
 Por exemplo:
 n = 1 ℓ = 0
 n = 2 ℓ= 0 e 1
 n = 3 ℓ = 0, 1 e 2
 Existe uma nomenclatura para estes
subníveis:
o ℓ = 0 subnível s
o ℓ = 1 subnível p
o ℓ = 2 subnível d
o ℓ = 3 subnível f
☼ Estrutura da
Matéria

66.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Número Quântico Orbital ℓ
 Como para os diversos valores de n, pode
haver valores de ℓ iguais, a notação utilizada
para diferenciá-los é a seguinte:
o para n = 1, 1s;
o n = 2, 2s e 2p;
o n = 3, 3s, 3p, 3d.
☼ Estrutura da
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67.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Número Quântico Magnético m
 O número quântico magnético m, indica
o o número de orbitais dos subníveis e
o a orientação em relação a uma direção
estabelecida no espaço.
 Varia, em número inteiro, de
o (-l) até (+l), incluindo l = 0.
 Isto significa que, para um valor do momento angular
orbital l, existem (2l+1) orientações, ou “meridianos”
possíveis de serem ocupados por elétrons.
o Por exemplo, para l = 2,
 existem -2, -1, 0, 1 e 2.
☼ Estrutura da
Matéria

68.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Spin
 Corresponde, na visão geométrica clássica,
ao sentido de rotação do elétron em torno de
seu próprio eixo.
o Constitui um momento magnético intrínseco do
elétron.
o Pode assumir somente dois valores:
 + ½ e - ½, correspondentes às orientações “para
cima” e “para baixo”, respectivamente.
☼ Estrutura da
Matéria

69.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Resumindo todos estes conceitos
 n, ℓ , e m têm variações com valores
expressos por números inteiros, indicando
que a energia dos elétrons se diferencia em
valores inteiros, em quanta.
☼ Estrutura da
Matéria

70.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
Diagrama de Linus Pauling
 cada célula podem ser alocados 2 elétrons, um com spin
para cima e outro para baixo.
 o valor da energia de cada nível ou subnível é negativo,
para representar uma energia de campo atrativo.
o Assim, quanto mais negativo, mais próximo do núcleo
estará o elétron, e maior será sua energia de ligação.
☼ Estrutura da
Matéria

71.  Preenchimentos das camadas eletrônicas
☼ Estrutura da
Matéria
Princípio de exclusão de Pauli
 A ideia básica do Princípio de Exclusão de
Pauli é que:
 Dois elétrons não podem ter o mesmo conjunto de
números quânticos.
 Se você aceita o Princípio de Exclusão de Pauli e começa a
atribuir números quânticos a elétrons, acaba concluindo que,
para um determinado valor de n, não pode haver mais do que
2.n2 elétrons em uma camada.
 Portanto, devido à existência de números quânticos e ao
Princípio de Exclusão de Pauli, temos certas camadas
eletrônicas nas quais os elétrons se encontram.

72.  Regra de Hund
 Se dois orbitais de mesma energia estão
disponíveis, o elétron ocupará, de
preferência, o orbital vazio, ao invés de
ocupar um orbital onde já existe um elétron.
☼ Estrutura da
Matéria

73. ☼ Transições
 Estados excitados
 Quando o átomo se encontra em equilíbrio, os
seus elétrons e seus nucleons se encontram
em orbitais estacionários.
 Se partículas ou ondas eletromagnéticas
forem lançadas contra ele, sob certas
condições físicas, elas poderão colidir com
alguns de seus elétrons ou com o seu núcleo.
o Devido à disposição geométrica, ao número, à
carga e ao movimento, a probabilidade de colisão
com os elétrons é muitas vezes superior à
probabilidade de colisão com o núcleo.

74.  Estados excitados
 Na colisão, a radiação transfere parcial ou
totalmente a sua energia que, se for superior
à energia de ligação, provocará uma
ionização ou uma reação nuclear, no átomo
ou no núcleo, respectivamente.
o Quando a energia absorvida for inferior à energia de
ligação, ocorrerá um deslocamento da partícula
alvo, para estados disponíveis nas estruturas
eletrônica ou nuclear, gerando os denominados
estados excitados eletrônicos ou nucleares.
☼ Transições

75.  Transição eletrônica
 É possível classificar as transições eletrônicas
em dois tipos.
o O primeiro tipo envolve as transições de baixa energia
(luz) que ocorrem entre os níveis ou subníveis de
energia próximos do contínuo.
o O segundo, envolvendo os níveis ou subníveis mais
internos, originando os raios X característicos, de alta
energia.
Representação de uma
transição eletrônica,
resultando na emissão de
um fóton de luz ou raio X
característico
Raios X característicos
originados nas transições entre
níveis e subníveis eletrônicos
☼ Transições

76.  Transição eletrônica
☼ Transições
 O elétron da camada externa se move para a lacuna
interior da camada - perda de energia
 Como existe uma lacuna na camada interna, um
elétron da camada externa pode cair na vacância e
preencher a lacuna sem violar o Princípio de
Exclusão de Pauli
 O elétron da camada externa passa de um estado
de energia mais alto para um estado de energia
mais baixo.
 Ao passar de um estado de energia mais alto para um
estado de energia mais baixo, ele libera energia.

77.  Transição eletrônica
 Na Tabela são dadas as energias e as intensidades
relativas dos raios X característicos emitidos por alguns
elementos de número atômico.
☼ Transições

78.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia emitida como radiação - radiação característica
 A energia liberada por esse elétron que passa de um
estado de energia mais alto, uma camada externa,
para uma lacuna na camada interna, é chamada
radiação característica.
 Essa energia é característica do átomo e das
camadas.

79.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia emitida como radiação - radiação característica
 Podemos falar sobre a radiação característica de L a K no
tungstênio.
 A energia dessa radiação característica é simplesmente a
diferença nas energias de ligação entre a camada L e a
camada K.
 A energia de ligação da camada L é -11 kiloeletronvolt.
 A energia de ligação da camada K é -69,5 kiloeletronvolt.
 A diferença de energia é de aproximadamente 58
kiloeletronvolt, e essa é a energia da radiação
característica proveniente de um átomo de tungstênio.
n Camada
Eb (eV)
Hidrogênio Tungstênio
1 K -13,50 -69500
2 L -3,40 -11280
3 M -1,50 -2810
4 N -0,90 -588
5 O -0,54 -73

80.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia emitida como radiação - radiação característica
 Então você entra em um átomo de tungstênio com um
fóton de alta energia ou um elétron, onde o elétron da
camada interna será nocauteado.
 Um elétron da camada externa, digamos um elétron da
camada L, pode cair dentro da camada K emitindo um raio X
característico de energia de cerca de 58 kiloeletronvolt.
 Além disso, um elétron da camada M pode cair em uma
lacuna da camada K.
 Não há razão para isso não acontecer.
 O elétron da camada M possui uma energia de ligação de
cerca de 3 kiloeletronvolt,
 A radiação característica para está situação é de 69 menos
3 ou 66 kiloeletronvolt de energia.

81.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia emitida como radiação - radiação característica
 Podemos fazer com que um elétron da camada M caia na
lacuna da camada L.
 Anteriormente, tivemos um elétron da camada L
caindo na lacuna da camada K e tivemos lacuna em
cascata para que pudéssemos ter outro raio X
característico de 9 kiloeletronvolt.

82.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia usada para ejetar outro elétron – elétron Auger
• Muitas coisas podem acontecer depois que você cria
uma lacuna.
• A outra coisa que pode acontecer com os 58
kiloeletronvolt de energia é que, sendo a energia maior que
as energias de ligação de um elétron da camada L ou de
um elétron da camada M, há uma probabilidade finita de
que a energia possa ser usada para ionizar um elétron da
camada L ou da camada M e assim por diante.
• Esses elétrons são chamados de elétrons Auger e o
processo é chamado de efeito Auger.
• O que observamos é um evento único no qual um fóton
entra e ioniza um elétron da camada interna, resultando
em uma cascata inteira de eventos.

83.  Transição eletrônica
☼ Transições
 Energia usada para ejetar outro elétron – elétron Auger
 Podemos ter raios X característicos de várias
transições ocorrendo.
 Também podemos ter elétrons Auger sendo
ejetados.
 Quando ocorre uma interação, teremos que
rastrear a energia.
 Temos que identificar quais são os eventos que
podem ocorrer e como a energia é transferida do
fóton incidente para o elétron para o raio X
característico e para o elétron Auger ejetado.

84.  Transição eletrônica
☼ Transições
Elétrons de valência
 Elétrons na camada mais externa
 Não mais que 8 elétrons na camada mais externa
 Uma das regras para a construção das camadas de
elétrons é que não permitimos mais que 8 elétrons
na camada mais externa.
 Elétrons de valência determinam propriedades
químicas dos elementos
 Explica a tabela periódica - periodicidade de
comportamento químico similar
 A presença de elétrons de valência explica por que
temos a tabela periódica.

85.  Transição nuclear
 Quando nucleons são deslocados para
estados disponíveis, formando os estados
excitados, no restabelecimento do equilíbrio
eles emitem a energia absorvida sob a forma
de radiação gama, que será descrita
posteriormente.
☼ Transições

86.  Meia-vida do estado excitado
 O tempo de permanência da partícula no
estado excitado depende das características
que definem os estados inicial e final que irão
participar da transição, e pode ser definido
probabilisticamente em termos de meia-vida.
o O seu valor depende
 da variação do momento angular e paridade do orbital
do estado excitado,
 da energia e tipo de transição eletromagnética.
o Em geral, seu valor é muito pequeno, variando entre
10-6 a 10-15 segundos, principalmente para elétrons.
☼ Transições

87.  Meia-vida do estado excitado
 Os estados excitados nucleares são de
duração semelhante, mas alguns núcleos
possuem estados excitados com meia-vida
bastante longa e podem, em alguns deles,
funcionar como estados isoméricos.
 A meia-vida do estado excitado não
apresenta ligação direta com a meia-vida do
núcleo.
☼ Transições

88. PROTEÇÃO RADIOLÓGICA
Programa Específico de
Treinamento
Matias Puga Sanches
msanchesp@yahoo.com.br