Estrutura da matéria Flashcards
A estrutura do átomo:
O conceito inicial de átomo indivisível sofreu modificações profundas com as experiências realizadas por Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores. O modelo utilizado para representar o átomo, passou a ser concebido como tendo um núcleo pesado, com carga elétrica positiva, e vários elétrons, com carga elétrica negativa, cujo número varia com a natureza do elemento químico. O raio de um átomo é da ordem de 10-7 cm e suas propriedades químicas são definidas pelos elétrons das camadas mais externas.
Raio atômico:
Teoricamente, é a distância do centro do núcleo atômico até o último orbital ocupado por elétrons. Na prática, ele é determinado como sendo o valor médio da distância entre núcleos de dois átomos vizinhos ligados e no estado sólido
Raio iônico:
O acréscimo ou o desfalque de elétrons num átomo modifica o raio do sistema restante, que é o íon. O íon positivo, denominado de cátion, possui elétrons a menos. O íon negativo, o ânion, tem excesso de elétrons. O desfalque de elétrons faz com que a carga nuclear atue mais intensamente sobre os elétrons restantes, reduzindo o raio.
Energia de ligação eletrônica:
- Cada elétron está vinculado ao átomo pela atração entre a sua carga negativa e a carga positiva do núcleo e 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. A energia consumida neste acoplamento se denomina energia de ligação.
- Para elementos de número atômico elevado, a energia de ligação dos elétrons próximos ao núcleo é bastante grande, atingindo a faixa de 100 keV (ver Tabela 1.2), enquanto que a dos elétrons mais externos é da ordem de alguns eV. 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.
- Quanto maior o raio atômico, mais distante os elétrons estarão do núcleo e, portanto, mais fraca será a atração sobre eles. Assim, quanto maior o raio atômico, menor o potencial de ionização. Os valores máximos correspondem a de elementos com a última camada eletrônica completa.
Estrutura nuclear:
O núcleo atômico é constituído de A nucleons, sendo N nêutrons e Z prótons. Os prótons são carregados positivamente e determinam o número de elétrons do átomo, uma vez que este é eletricamente neutro. Os nêutrons possuem praticamente a mesma massa que os prótons, mas não têm carga elétrica. Prótons e nêutrons são chamados indistintamente de nucleons. O número de nucleons A = N + Z é denominado de número de massa e Z de número atômico. Os nucleons se movem com uma velocidade média da ordem de 30.000 km.s-1 , num volume obtido por 4/3.π.R3 , onde R = r0A1/3 (10-13 cm) é o raio nuclear, com r0 = 1,15. A densidade nuclear tem um valor em torno de ρ = 1015 g.cm-3 , com uma densidade de ocupação de 1,6.1038 nucleons.cm-3 .
Organização nuclear:
Os prótons e nêutrons se organizam em orbitais, em níveis de energia, 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. A base da organização dos nucleons no espaço nuclear é o Princípio de Exclusão de Pauli. Estas forças são denominadas de 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 valor médio da energia de ligação dos núcleos é cerca de 7,5 MeV, muito maior que a energia de ligação dos elétrons. Esses conceitos podem ser representados pelas Figuras 1.3 e 1.4
Preenchimento das camadas eletrônicas:
Para distribuir os elétrons nos níveis e subníveis de energia, é preciso adotar o Diagrama criado por Linus Pauling, obedecer ao Princípio de Exclusão de Pauli e 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. 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. Nesta visão do átomo, os elétrons se distribuem ao redor do núcleo, em regiões privilegiadas, denominadas camadas, sendo que em cada camada só podem habitar orbitais bem definidos pelos denominados números quânticos. Assim, cada elétron possui um conjunto de números que o identificam.
Cite os números que identificam o elétron:
- Número Quântico Principal: O número quântico principal n, representa o nível principal de energia que, para os elétrons, corresponderia a “distância” deles em relação ao núcleo. Isto porque a intensidade da força de atração entre as cargas positiva (Ze) do núcleo e negativa (e) do 11 elétron, varia com o inverso do quadrado da distância (d) entre elas. Como esta força deve ser equilibrada pela força centrífuga do elétron com determinada velocidade, a distância (d) fixa o valor de sua energia cinética, no estado estacionário. Os valores de n são: 1, 2, 3, 4, 5, 6 e 7, e correspondem aos denominados níveis energéticos K, L, M, N, O, P e Q.
- Número Quântico Orbital l: O número quântico orbital ou secundário l, equivale aos orbitais dos subníveis energéticos e descreve a forma dos orbitais. Para cada valor de n, l varia 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: l = 0 subnível s l = 1 subnível p l = 2 subnível d l = 3 subnível f Como para os diversos valores de n, pode haver valores de l iguais, a notação utilizada para diferenciá-los é a seguinte: para n =1, 1s; n =2, 2s e 2p; n = 3, 3s, 3p, 3d.
- Número Quântico Magnético m: O número quântico magnético m, indica o número de orbitais dos subníveis e a orientação em relação a uma direção estabelecida no espaço. Ele varia, em número inteiro, de (-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. Por exemplo, para l=2, existem -2, -1, 0, 1 e 2.
- Spin: O quarto número quântico é denominado de spin. Corresponde, na visão geométrica clássica, ao sentido de rotação do elétron em torno de seu próprio eixo. Constitui um momento magnético intrínseco do elétron. Pode assumir somente dois valores: + ½ e - ½, correspondentes às orientações “para cima” e “para baixo”, respectivamente. Resumindo todos estes conceitos, vê-se que 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. Na Figura 1.9 é apresentado o diagrama de Linus Pauling, onde em 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. Assim, quanto mais negativo, mais próximo do núcleo estará o elétron, e maior será sua energia de ligação.
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. 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. No choque, 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. 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 eletrônicas:
É possível classificar as transições eletrônicas em dois tipos. O primeiro tipo envolve as transições de baixa energia (luz) que ocorrem entre os níveis ou subníveis de energia próximos do contínuo. O segundo, envolvendo os níveis ou subníveis mais internos, originando os raios X característicos, de alta energia, conforme são ilustrados nas Figuras 1.10 e 1.11. Na Tabela 1.2 são dadas as energias e as intensidades relativas dos raios X característicos emitidos pelos elementos de número atômico de 20 a 109.
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
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 seu valor depende da variação do momento angular e paridade do orbital do estado excitado, energia e tipo de transição eletromagnética. Em geral, seu valor é muito pequeno, variando entre 10^-6 a 10^- 15 segundos, principalmente para elétrons. 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.
Origem da radiação:
As radiações são produzidas por processos de ajustes que ocorrem no núcleo ou nas camadas eletrônicas, ou pela interação de outras radiações ou partículas com o núcleo ou com o átomo. Exemplos: radiação beta e radiação gama (ajuste no núcleo), raios X característico (ajuste na estrutura eletrônica), raios X de freamento (interação de partículas carregadas com o núcleo) e raios delta (interação de partículas ou radiação com elétrons das camadas eletrônicas com alta transferência de energia).
Fotons:
A radiação eletromagnética é constituída por vibração simultânea de campos magnético e elétrico, perpendiculares entre si, originados durante a transição, pela movimentação da carga e momento magnético da partícula, quando modifica seu estado de energia, caracterizado pelo momento angular, spin e paridade. As radiações eletromagnéticas ionizantes de interesse são os raios X e a radiação gama. Para compreender como surge uma onda eletromagnética a partir da transição entre dois estados de uma partícula ligada num orbital eletrônico ou nuclear, uma explicação detalhada será dada a seguir. Pelo Eletromagnetismo, sabe-se que quando uma carga elétrica se move num orbital fechado, ela gera um campo magnético �⃗⃗ , perpendicular ao seu plano de rotação. Da mesma forma, uma carga magnética, gera um campo elétrico �⃗⃗ . Quando uma partícula, que possui cargas elétrica e magnética (spin), faz uma transição de estado, a sua energia varia de um valor inicial (Ei) para um valor final (Ef) ou seja, libera uma energia E = Ei - Ef. Como os estados inicial (i) e final (f) possuem frequências de rotação de valores (Qi) e (Qf), à transição estará associada a uma diferença de frequências Q = Qi - Qf, que constitui a frequência da transição de energia (E), expressa quanticamente por E = hQ, onde h é a constante de Planck. Na transição, houve simultaneamente uma mudança nos valores dos campos elétrico (�⃗ ) e magnético (�⃗ ) associados aos estados inicial e final da partícula. Isto significa que as diferenças de valores de campos (∆�⃗ ) e (∆�⃗ ) serão simultaneamente carregadas pelas diferenças de energia (E) e frequência (Q) da transição, ou seja, por uma onda eletromagnética ou fóton (E=hQ).
Raio X:
Raio X é a denominação dada à radiação eletromagnética de alta energia que tem origem na eletrosfera ou no freamento de partículas carregadas no campo eletromagnético do núcleo atômico ou dos elétrons.
Meia-vida e vida-média:
- O intervalo de tempo, contado a partir de um certo instante, necessário para que metade dos átomos radioativos decaiam é denominado de meia-vida
- O intervalo de tempo necessário para que a atividade de uma amostra decresça de um fator 1/e, onde e é a base do logaritmo neperiano, é denominado de vida-média
Radiações nucleares:
Radiação nuclear é o nome dado às partículas ou ondas eletromagnéticas emitidas pelo núcleo durante o processo de restruturação interna, para atingir a estabilidade. Devido à intensidade das forças atuantes dentro do núcleo atômico, as radiações nucleares são altamente energéticas quando comparadas com as radiações emitidas pelas camadas eletrônicas. É bom salientar que as radiações não são produtos da desintegração nuclear, como se os núcleos instáveis estivessem se quebrando ou desmanchando. Ao contrário, elas são indicadores do resultado das transformações do núcleo instável, na busca de estados de maior estabilidade e perfeição, ou seja, são produtos da otimização de sua estrutura e dinâmica.
Unidade de energia da radiação:
A energia da radiação e das grandezas ligadas ao átomo e ao núcleo é geralmente expressa em elétron-volt (eV). Um eV é a energia cinética adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial elétrica de 1 volt. 1 MeV = 106 eV = 1,6.10-1313 Joule.
Radiação Beta:
Radiação beta (β) é o termo usado para descrever elétrons de origem nuclear, carregados positiva (β+) - pósitrons - ou negativamente (β- ) - negatrons. Sua emissão constitui um processo comum em núcleos de massa pequena ou intermediária, que possuem excesso de prótons ou de nêutrons em relação à estrutura estável correspondente. A Figura 1.13 ilustra o processo de decaimento beta.
Emissão: ß-
Quando um núcleo tem excesso de nêutrons em seu interior e, portanto, falta de prótons, o mecanismo de compensação ocorre através da transformação de um nêutron em um próton mais um elétron, que é emitido no processo de decaimento. A única alteração é o aumento de uma carga positiva no núcleo.
O neutrino e o anti-neutrino:
A necessidade de conservação de energia e de paridade no sistema durante o processo de decaimento beta levou Pauli à formulação da hipótese da existência de uma partícula, que dividiria com o elétron emitido, a distribuição da energia liberada pelo núcleo no processo de decaimento. A teoria foi posteriormente confirmada, sendo verificada a presença do neutrino, na emissão β+ e do anti-neutrino, na emissão β- . O neutrino é uma partícula sem carga, de massa muito pequena em relação ao elétron, sendo, por esse motivo, de difícil detecção.
Equação da transformação do neutron em ß-:
A transformação do nêutron em um próton pelo processo da emissão β- pode ser representada pela figura abaixo. A energia cinética resultante da diferença de energia entre o estado inicial do núcleo e o estado do núcleo resultante é distribuída entre o elétron e o anti-neutrino. Após o processo pode haver ainda excesso de energia, que é emitido na forma de radiação gama.
Emissao ß+:
A emissão de radiação tipo β+ provém da transformação de um próton em um nêutron, mostrada na figura abaixo. O pósitron tem as mesmas propriedades de interação que o elétron negativo, somente que, após transferir sua energia cinética adicional ao meio material de interação, ele captura um elétron negativo, forma o positrônio, que posteriormente se aniquila, gerando duas radiações gama de energia 0,511 MeV cada, emitidas em sentidos contrários.
Características da emissão beta:
Nas transições beta, que abrangem a emissão ß-, ß+ e captura eletrônica (EC), ocorrem mudanças de um estado do núcleo-pai para um ou mais estados do núcleo-filho. Tais estados são caracterizados por seus parâmetros como: energia, momento angular total e paridade. Assim, as transições carregam diferenças de energia, momento angular e paridade
Distribuição de energia na emissao ß:
- A energia da transição é bem definida, mas como ela é repartida entre elétron e o neutrino, a energia da radiação beta detectada terá um valor variando de 0 até um valor máximo, denominado de Emax. Assim, o espectro da radiação beta detectada será contínuo, iniciando com valor 0 e terminando em Emax
- O espectro β+ tem forma semelhante à do espectro β- , porém um pouco distorcido para a direita, devido à repulsão da carga elétrica positiva concentrada no núcleo.
- O espectro β - detectado, difere um pouco do emitido, devido à atração elétrica do núcleo e repulsão dos elétrons atômicos, que o distorce para a esquerda, no sentido da região de baixa energia.
- A energia de radiação beta é normalmente representada por seu valor máximo, embora uma melhor caracterização seja dada pelo seu valor médio e pela moda da distribuição
Emissão de mais de uma radiação ß no decaimento:
- No processo de decaimento, a busca do estado fundamental pode ocorrer por meio de processos alternativos, com probabilidades de ocorrência de acordo com o grau de facilidade ou de dificuldade para realizar a transformação.
- A probabilidade de transição beta depende da diferença de energia e das características físicas (números quânticos) entre os estados inicial e final. Para alguns nuclídeos é possível ocorrer a transição beta diretamente para o estado fundamental do núcleo-filho. São os denominados emissores beta puros.
- Na maioria dos casos, a transição beta gera o núcleo-filho em estado excitado e o estado fundamental é atingido por meio de transições gama, conforme é ilustrado na figura 1.15.
- O espectro beta observado na medição de uma amostra constitui a soma dos espectros das diversas transições beta ocorridas e a sua energia máxima corresponde à da transição de maior Emax
Emissores ß puro:
Captura eletrônica:
Radiação alfa:
Energia da radiação alfa:
- A partícula alfa pode ser emitida tanto dos estados fundamental ou excitado do núcleo-pai, gerando o núcleo-filho em diversos estados excitados, que decaem por emissão gama para o seu estado fundamental. Isto gera também radiações alfa de várias energias.
- A emissão α representa transições com energias bem definidas e, portanto, com valores discretos (não contínuo).
- De modo semelhante ao decaimento beta, o processo de decaimento pode ocorrer por caminhos alternativos, emitindo partículas alfas com diferentes energias. O espectro da contagem das partículas em função da energia apresenta, então, vários picos, cada um correspondendo a uma transição alfa.
- Na figura 1.18, é apresentado o espectro das radiações alfa emitido pelo 241Am e obtido por um detector de barreira de superfície. Sendo a energia de ligação da partícula α extremamente alta (28 MeV) quando comparada à dos nucleons (6 a 8 MeV) na maioria dos núcleos, pode-se entender a razão pela qual o núcleo excitado, com A > 150 não emite separadamente prótons e nêutrons por emissão espontânea.
- Como a maior parte das partículas α são emitidas com energia entre 3 e 7 MeV, a sua velocidade é da ordem de um décimo da velocidade da luz. Obs.: a energia da partícula α chega a 11,65 MeV no 212Po.
Emissores alfa:
Emissão Gama:
Quando um núcleo decai por emissão de radiação alfa ou beta, geralmente o núcleo residual tem seus nucleons fora da configuração de equilíbrio, ou seja, estão alocados em estados excitados. Assim para atingir o estado fundamental, emitem a energia excedente sob a forma de radiação eletromagnética, denominada radiação gama (γ), conforme é ilustrado na Figura 1.19
Energia da radiação gama:
- A energia da radiação gama é bem definida e depende somente dos valores inicial e final de energia dos orbitais envolvidos na transição, ou seja: EJ Ei - Ef =hv
- onde h é a constante de Planck (6,6252.10-34 J.s) e v é a frequência da radiação.
- Na Tabela 1.5 são apresentados os principais radionuclídeos, cujas energias e intensidades relativas das radiações gama são bem estabelecidas e, assim, muitas vezes utilizados como fontes de calibração de detectores e obtenção de suas curvas de eficiência de detecção. Na Tabela 1.5, Iabs(%) é o percentual de decaimento absoluto para cada radiação gama, e o termo entre parênteses é o seu desvio padrão.
Conversão interna:
- O processo de conversão interna compete com a emissão de radiação gama e consiste na transferência da energia de excitação nuclear para elétrons das primeiras camadas (K e L), por meio da interação coulombiana, retirando-os dos orbitais.
- Estes elétrons são denominados de elétrons de conversão, são monoenergéticos e permitem identificar o elemento químico. Devido à vacância deixada pelo elétron, ocorrerá subsequentemente a emissão de raios X característico (ver Figura 1.24). Assim, no espectro de radiações observa-se a presença de picos de contagem correspondentes aos elétrons de conversão, raios X característicos e radiação gama. A energia dos elétrons emitidos pelo processo de conversão interna é igual à energia da radiação gama concorrente, menos a energia de ligação do elétron ao átomo. Varia, portanto, de dezenas de keV a alguns MeV. Seu espectro de distribuição de energia é discreto.
Radiação de freamento (Bremsstrahlung):
- Quando partículas carregadas, principalmente elétrons, interagem com o campo elétrico de núcleos de número atômico elevado ou com a eletrosfera, elas reduzem a energia cinética, mudam de direção e emitem a diferença de energia sob a forma de ondas eletromagnéticas, denominadas de raios X de freamento ou bremsstrahlung.
- A energia dos raios X de freamento depende fundamentalmente da energia da partícula incidente. Os raios X gerados para uso médico e industrial não passam dos 500 keV, embora possam ser obtidos em laboratório raios X até com centenas de MeV. Como o processo depende da energia e da intensidade de interação da partícula incidente com o núcleo e de seu ângulo de saída, a energia da radiação produzida pode variar de zero a um valor máximo, com espectro contínuo em energia.
- Nota: Na produção de raios X são produzidos também raios X característicos referentes ao material com o qual a radiação está interagindo (alvo ou anodo). Esses raios X característicos somam-se ao espectro de raios X de freamento e aparecem com picos destacados nesse espectro, conforme mostra a Figura 1.25 (espectro de raios X de freamento com raios X característicos)
Produção de pares:
- Quando fótons de energia superior a 1,022 MeV passam perto de núcleos de elevado número atômico, ao interagir com o forte campo elétrico nuclear, a radiação desaparece e dá origem a um par elétron-pósitron (2mec2 = 1,022 MeV), por meio da reação mostrada abaixo.
- A energia cinética do elétron e do próton criados é igual à energia do fóton incidente menos 1,022 MeV necessários para a criação das partículas. A distribuição dessa energia entre as duas partículas não tem predominância, variando de 20 a 80% da energia disponível. O espectro de distribuição de energia das partículas formadas é, portanto, contínuo, variando entre essas duas faixas.
- meletron= 0,000548 x 931 = 0,511 MeV (Lindo isso!)
Radiação de aniquilação:
- Quando um pósitron, após perder sua energia cinética, interage com um elétron, a matéria é toda transformada em energia, sendo emitidos dois fótons, em sentidos opostos, com energia de 0,511 MeV (2 u 0,511 MeV= 2mec2 ). Seu espectro de distribuição de energia é, portanto, discreto.
- Essa radiação é também denominada de radiação gama, embora não seja de origem nuclear.
Característica do foton em função de sua origem:
Característica do elétron em função de sua origem:
Característica da radiação alfa:
Características do neutron:
Emissores ß puro:
