Nucleossíntese

Teoria Completa

Olá, tudo bom? 😊

Vamos dar uma olhadinha nessa reação aqui:

N 7 14 + α 2 4 → O 8 17 + p 1 1  

A gente já sabe que quando um elemento sofre uma reação nuclear que altera seu número de prótons, como na reação acima, ele se transforma em outro e que esse tipo de reação se chama transmutação nuclear, né?

A transmutação nuclear é mais importante do que a gente pensa. No começo do universo, só o hidrogênio e o hélio foram produzidos, todos os outros elementos descendem deles! Uma loucura, né? Além disso, várioooos elementos não naturais são produzidos em laboratório para serem estudados.

Todos esses processos de formação de novos elementos são chamados de nucleossíntese.

Mas a pergunta que não quer calar é: como isso é possível?

Nucleossíntese: partículas aceleradas colidindo com o núcleo

Já dei um spoiler, mas vamos voltar para a reação do N 7 14 : para que a transmutação seja possível a gente precisa que o nitrogênio e a partícula α reajam, não é?

Você tem que lembrar que as reações nucleares acontecem no núcleo, que é um meio de carga positiva! Mas como eu faço uma partícula positiva (já que a partícula α tem 2 prótons, 2 nêutrons e nenhum elétron) entrar num núcleo positivo?

Se a partícula positiva tenta entrar no núcleo lentamente, ela vai ser fortemente repelida. Maaaaas, se ela chega com uma velocidade muiiito alta, essa partícula consegue superar a barreira de energia e consegue colidir com o núcleo!

Obs: Quando a gente faz uma partícula radioativa colidir com um núcleo, a gente diz que esse núcleo foi bombardeado por uma partícula radioativa.

Ou seja, o segredo para conseguir formar novos elementos é bombardear os núcleos com partículas extremamente aceleradas, que vão conseguir vencer a energia de repulsão ao redor do núcleo.

Esse processo é comum nas estrelas, e por isso do hidrogênio e do hélio surgiram tantos outros elementos presentes na Terra. Já para a síntese em laboratório, os cientistas aceleram as partículas com um aparelho chamado acelerador de partículas.

Alguns núcleos são transmutados quando bombardeados por nêutrons. Como nêutrons não tem carga, eles não precisam ser acelerados para provocar reações nucleares. Assim, as reações com nêutrons podem acontecer em um reator nuclear normal, sem necessidade de um acelerador de partículas.

Nomenclatura das transmutações

Na maioria das reações de transmutação em que um núcleo é bombardeado com alguma partícula produz um núcleo filho + uma outra partícula radioativa, como, por exemplo:

A l 13 27 + n 0 1 → N a 11 24 + α 2 4  

A gente pode representar essas reações de outra forma, escrevendo:

A l 13 27   n ,   α N a 11 24

Calma, vamos ver mais um exemplo pra ver se você percebe o padrão na nomenclatura:

N 7 14 + α 2 4 → O 8 17 + p 1 1

o u   N 7 14   α , p O 8 17

Ou seja, na forma geral é:

n ú c l e o   a l v o   p a r t í c u l a   i n c i d e n t e ,   p a r t í c u l a   e j e t a d a   p r o d u t o

Lembrando que as reações se escrevem por:

n ú c l e o   a l v o + p a r t í c u l a   i n c i d e n t e   → p r o d u t o + p a r t í c u l a   e j e t a d a

Elementos transurânio

Os elementos transurânio são os elementos que seguem o urânio na tabela periódica! Eles são todos radioativos e são sintetizados a partir de reações nucleares com outros átomos, por exemplo, o cúrio-242 ( C m 242 ) , que é formado a partir do bombardeamento alfa do plutônio-239 ( P u 2 39 ) :

P u 94 239 +   α 2 4 → C m 96 242 + n 0 1

Vamos praticar isso tudo? 😊

Expandir

Exercício Resolvido #1

Lista de exercícios UFPB – Prof Ary da Silva Maia

O cúrio foi sintetizado pela primeira vez pelo bombardeamento de um elemento por uma partícula alfa. Os produtos obtidos foram o Cúrio 242 e um nêutron. Qual o elemento alvo?

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Passo 1

Vamos tentar reconstruir a equação de obtenção do cúrio-242! A gente tem um elemento X que foi bombardeado por uma partícula alfa, gerando o cúrio-242 e um nêutron, então:

X Z A + α 2 4 → C m 96 242 + n 0 1

Usando a conservação do número de massa e do número de prótons, a gente consegue calcular Z e A!

A + 4 = 242 + 1

A = 239

Z + 2 = 96

Z = 94

Se a gente olhar na tabela periódica, descobre que o elemento de Z = 94 é o plutônio!

Assim, a reação final seria:

P u 94 239 + α 2 4 → C m 96 242 + n 0 1

E o elemento alvo é o plutônio-239!

Resposta

Exercício Resolvido #2

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, Exercício 17.17

Complete as seguintes equações nucleares:

a) N 7 14 +   ? → O 8 17 + p 1 1

b)   ? +   n 0 1 → B k 97 249 + e - 1 0

c) A m 95 243 + n 0 1 → C m 96 244 +   ?   + γ 0 0

d) C 6 13 + n 0 1 →   ?   +   γ 0 0

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Passo 1

Para completar essas equações, precisamos usar 2 conceitos bem importantes, que é o conceito de conservação de massa e conservação do número de prótons.

Isso quer dizer que o número de massa e o número de prótons deve ser o mesmo dos dois lados da equação!

a)

N 7 14 +   x Z A → O 8 17 + p 1 1

Usando a conservação de massa...

14 + A = 17 + 1

A = 4

Pela conservação do número de prótons:

7 + Z = 8 + 1

Z = 2

Logo, a gente precisa de uma partícula alfa para completar essa equação!

N 7 14 +   α 2 4 → O 8 17 + p 1 1

Passo 2

b) X Z A +   n 0 1 → B k 97 249 + e - 1 0

Pela conservação do número de massa e do número de prótons...

A + 1 = 249 + 0

A = 248

Z + 0 = 97 + - 1

Z = 96

Quando a gente olha na tabela periódica, a gente descobre que o elemento faltando na equação é o cúrio-248!

C m 96 248 +   n 0 1 → B k 97 249 + e - 1 0

Passo 3

c) A m 95 243 + n 0 1 → C m 96 244 + X Z A + γ 0 0

Usando a conservação do número de massa e de prótons...

243 + 1 = 244 + A

A = 0

95 = 96 + Z

Z = - 1

Esse núcleo, portanto, ao ser bombardeado por um nêutron, emite uma partícula beta e uma gama!

A m 95 243 + n 0 1 → C m 96 244 + β - 1 0 + γ 0 0

Passo 4

d)   C 6 13 + n 0 1 →   X Z A +   γ 0 0

Usando a tour das conservações:

13 + 1 = A

A = 14

Z = 6

Logo, essa é a equação que representa como o carbono-13 se transforma no carbono-14!

  C 6 13 + n 0 1 →   C 6 14 +   γ 0 0

Resposta

a) N 7 14 +   α 2 4 → O 8 17 + p 1 1

b) C m 96 248 +   n 0 1 → B k 97 249 + e - 1 0

c)

A m 95 243 + n 0 1 → C m 96 244 + β - 1 0 + γ 0 0

d)

C 6 13 + n 0 1 →   C 6 14 +   γ 0 0

Exercício Resolvido #3

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.21

Por que as transmutações nucleares envolvendo nêutrons são mais fáceis de acontecer do que as que envolvem prótons ou partículas alfa?

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Passo 1

As reações nucleares em geral (as transmutações inclusas) acontecem no núcleo – a parte carregada positivamente do átomo. Por isso, os prótons e as partículas alfa (que também são carregadas positivamente) precisam se mover muito rápido para vencer as forças eletrostáticas repulsivas entre cargas de mesmo sinal.

Já os nêutrons são eletricamente neutros e não são repelidos pelo núcleo alvo e, então, fica mais fácil que a reação ocorra!

Resposta

Exercício Resolvido #4

Peter Atkins & Loretta Jones. Princípios da Química, 5ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2012, Exercício 17.23

Escreva uma equação nuclear para cada um dos seguintes processos:

a) oxigênio-17 produzido pelo bombardeamento de nitrogênio-14 com partículas alfa;

b) amerício-240 produzido pelo bombardeamento do plutônio-239 com nêutrons.

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Passo 1

a) Para começar, vamos escrever o que a gente sabe sobre essa reação:

N 7 14 + α 2 4 → O 8 17 + x z a

A partícula ejetada, x , não sabemos ainda qual é, então vamos usar a conservação de massa e de número de prótons!

14 + 4 = 17 + a

a = 1

7 + 2 = 8 + z

z = 1

Ou seja, a partícula ejetada vai ser um próton!!! A equação completa fica:

N 7 14 + α 2 4 → O 8 17 + p 1 1

Passo 2

b) Como na letra b, vamos no que a gente sabe!

P u 94 239 + n 0 1 → A m 95 240 + x z a

Usando a conservação de número de massa e de prótons...

239 + 1 = 240 + a           ∴ a = 0

94 + 0 = 95 + z                   ∴ z = - 1

Assim, conseguimos descobrir que a partícula ejetada vai ser uma partícula beta. A equação fica:

P u 94 239 + n 0 1 → A m 95 240 + β - 1 0

Resposta

Exercício Resolvido #5

BROWN, Theodore; LEMAY, H. Eugene; BURSTEN, Bruce E. Química: a ciência central. 9 ed. Prentice-Hall, 2005, Exercício 21.25

Escreva as equações balanceadas para cada uma das reaçãoes nucleares:

a) U 92 238 ( n ,   γ ) U 92 239

b)   N 7 14 p , α C 6 11

c) O 8 18 ( n , β ) F 9 19

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Passo 1

Antes de mais nada, a gente tem que lembrar como que é essa nomenclatura para resumir as equações:

n ú c l e o   a l v o   p a r t í c u l a   i n c i d e n t e ,   p a r t í c u l a   e j e t a d a   p r o d u t o

Como as reações nucleares se escrevem por:

n ú c l e o   a l v o + p a r t í c u l a   i n c i d e n t e   → p r o d u t o + p a r t í c u l a   e j e t a d a

É só identificar cada coisa e escrever a equação!

Vambora:

a) U 92 238 n ,   γ U 92 239

Identificando quem vai ser núcleo alvo (o urânio-238), a gente percebe que ele vai absorver um nêutron e vai se transformar no urânio-239 e emitir uma particula gama!

U 92 238 + n 0 1 → U 92 239 + γ 0 0

Sempre bom dar uma conferida se a equação está respeitando a conservação do número de massa e de prótons 😊

Passo 2

b)   N 7 14 p , α C 6 11

Mesma coisa da letra a! A gente sabe que é o nitrogênio-14 que vai ser bombardeado por um próton e vai se transformar no carbono-11 e emitir uma partícula alfa...

N 7 14 + p 1 1 → C 6 11 + α 2 4

Se a gente soma os números de massa e de prótons de cada lado, a gente vê que eles são iguais (a conservação tá sendo respeitada) e, então, a equação tá certinha!

Passo 3

c)   O 8 18 n , β F 9 19