A física atômica e nuclear descreve a física do muito pequeno. Ao trabalhar com objetos tão pequenos, sua intuição construída a partir de sua compreensão da mecânica clássica geralmente falha. Este é o reino da mecânica quântica, forças nucleares de curto alcance, radiação eletromagnética e o modelo padrão da física de partículas.
O que é física atômica?
A física atômica é o ramo da física que lida com a estrutura do átomo, estados de energia associados e a interação do átomo com partículas e campos. Em contraste, a física nuclear concentra-se especificamente nas atividades dentro do núcleo atômico, que são descritas com mais detalhes na próxima seção.
Existem vários itens de estudo em física de partículas. Em primeiro lugar, está a estrutura do próprio átomo. Os átomos consistem em um núcleo fortemente ligado, que contém prótons e nêutrons, e uma nuvem difusa de elétrons.
Dado que o núcleo é geralmente da ordem de 10-15 a 10-14 m de diâmetro, e os próprios átomos são da ordem de 10-10 m de diâmetro (e o tamanho dos elétrons é desprezível), verifica-se que os átomos são, em sua maioria, espaço vazio. Claro que não parecem que são e toda a matéria feita de átomos certamente parece substância.
A razão pela qual os átomos não parecem ser, em sua maioria, espaço vazio é que você também é feito de átomos, e todos os átomos interagem com a energia eletromagnética. Mesmo que sua mão, que é composta principalmente de átomos de espaço vazio, pressione contra uma mesa, também composta principalmente de espaço vazio, ele não passa pela mesa por causa das forças eletromagnéticas entre os átomos conforme eles entram contato.
O neutrino, partícula que não interage com a força eletromagnética, é capaz de passar pela maior parte do material atômico praticamente sem ser detectado. Na verdade, 100 trilhões de neutrinos passam por seu corpo a cada segundo!
Classificação Atom
Os átomos são classificados por número atômico na tabela periódica. O número atômico é o número de prótons que o átomo contém em seu núcleo. Este número define o elemento.
Embora um determinado elemento sempre tenha o mesmo número de prótons, ele pode conter diferentes números de nêutrons. Os diferentes isótopos de um elemento contêm diferentes números de nêutrons. Alguns isótopos são mais estáveis do que outros (o que significa menos probabilidade de decair espontaneamente em outra coisa), e esta estabilidade normalmente depende do número de nêutrons, razão pela qual, para a maioria dos elementos, a maioria dos átomos tende a ser de um específico isótopo.
O número de elétrons que um átomo contém determina se ele é ionizado ou carregado. Um átomo neutro contém o mesmo número de elétrons que prótons, mas às vezes os átomos podem ganhar ou perder elétrons e ficar carregados. A facilidade com que um átomo ganha ou perde elétrons depende de sua estrutura orbital de elétrons.
O átomo de hidrogênio é o átomo mais simples, contendo apenas um próton em seu núcleo. Os três isótopos de hidrogênio mais estáveis são o protium (não contendo nêutrons), o deutério (contendo um nêutron) e o trítio (contendo dois nêutrons), sendo o protium o mais abundante.
Diferentes modelos do átomo foram propostos ao longo dos anos, levando ao modelo atual. O trabalho inicial foi feito por Ernest Rutherford, Niels Bohr e outros.
Espectros de absorção e emissão
Conforme mencionado, os átomos interagem com a força eletromagnética. Os prótons em um átomo carregam carga positiva e os elétrons carregam carga negativa. Os elétrons no átomo podem absorver radiação eletromagnética e, como resultado, atingir um estado de energia superior ou emitir radiação e passar para um estado de energia inferior.
Uma propriedade chave dessa absorção e emissão de radiação é que os átomos absorvem e emitem radiação apenas em valores quantizados muito específicos. E para cada tipo diferente de átomo, esses valores específicos são diferentes.
Um gás quente de material atômico emitirá radiação em comprimentos de onda muito específicos. Se a luz proveniente desse gás for passada através de um espectroscópio, que espalha a luz em um espectro por comprimento de onda (como um arco-íris), linhas de emissão distintas aparecerão. O conjunto de linhas de emissão provenientes do gás pode ser lido quase como um código de barras que informa exatamente quais átomos estão no gás.
Da mesma forma, se um espectro contínuo de luz incide sobre um gás frio, e a luz que passa por esse gás é então passado por um espectroscópio, você veria um espectro contínuo com lacunas escuras nos comprimentos de onda específicos que o gás absorvido. Este espectro de absorção será semelhante ao inverso do espectro de emissão, as linhas escuras aparecem onde as linhas brilhantes estavam para o mesmo gás. Como tal, também pode ser lido como um código de barras que informa a composição do gás. Os astrônomos usam isso o tempo todo para determinar a composição do material no espaço.
O que é física nuclear?
A física nuclear se concentra no núcleo atômico, nas reações nucleares e na interação do núcleo com outras partículas. Ele explora decaimento radioativo, fusão nuclear e fissão nuclear e energia de ligação, entre outros tópicos.
O núcleo contém um aglomerado fortemente ligado de prótons e nêutrons. No entanto, essas não são partículas fundamentais. Prótons e nêutrons são feitos de partículas ainda menores chamadas quarks.
Quarks são partículas com carga fracionária e nomes meio idiotas. Eles vêm em seis sabores chamados: cima, baixo, cima, baixo, estranho e charme. Um nêutron é composto de dois quarks down e um quark up, e um próton é feito de dois quarks up e um quark down. Os quarks em cada núcleo são fortemente limitados pela forte força nuclear.
A força nuclear forte é mediada por partículas chamadas glúons. Você está sentindo um tema? Os cientistas se divertiram muito nomeando essas partículas! Os glúons, é claro, “colam” os quarks. A força nuclear forte atua em um alcance muito curto - a uma distância comparável ao diâmetro do núcleo de tamanho médio.
Energia de ligação
Cada nêutron isolado tem uma massa de 1,6749275 × 10-27 kg, e cada próton isolado tem uma massa de 1,6726219 × 10-27 kg; entretanto, quando unidos em um núcleo atômico, a massa atômica não é a soma de suas partes constituintes devido a algo chamado energia de ligação.
Ao se tornarem fortemente ligados, os nucleons alcançam um estado de energia inferior como resultado de parte da massa total que eles tinham como partículas individuais sendo convertida em energia. Essa diferença de massa que é convertida em energia é chamada de energia de ligação do núcleo. A relação que descreve quanta energia corresponde a uma determinada quantidade de massa é a famosa E = mc2 equação onde m é a missa, c é a velocidade da luz e E é a energia.
Um conceito relacionado é a energia de ligação por núcleo, que é a energia de ligação total de um núcleo calculada sobre suas partes constituintes. A energia de ligação por núcleo é um bom indicador de quão estável é um núcleo. Uma baixa energia de ligação por nucleon indica que um estado mais favorável de menor energia total pode existir para isso núcleo particular, o que significa que provavelmente vai querer se separar ou se fundir com outro núcleo sob o condições.
Em geral, os núcleos mais leves do que os de ferro tendem a atingir estados de energia mais baixos e energia de ligação mais alta por núcleo, por fusão com outros núcleos, enquanto os núcleos que são mais pesados que o ferro tendem a atingir estados de energia mais baixos, quebrando-se em mais leves núcleos. Os processos pelos quais essas mudanças ocorrem são descritos na próxima seção.
Fissão, Fusão e Decaimento Radioativo
O foco principal da física nuclear está no estudo da fissão, fusão e decadência de núcleos atômicos. Todos esses processos são movidos por uma noção fundamental de que todas as partículas preferem estados de energia mais baixos.
A fissão ocorre quando um núcleo pesado se divide em núcleos menores. Os núcleos muito pesados são mais propensos a fazer isso porque têm uma energia de ligação menor por núcleo. Como você deve se lembrar, existem algumas forças governando o que está acontecendo em um núcleo atômico. A força nuclear forte une fortemente os núcleons, mas é uma força de alcance muito curto. Portanto, para núcleos muito grandes, é menos eficaz.
Os prótons carregados positivamente no núcleo também se repelem por meio da força eletromagnética. Essa repulsão deve ser superada pela força nuclear forte e também pode ser mediada por ter nêutrons suficientes ao redor. Mas quanto maior o núcleo, menos favorável é o equilíbrio de forças para a estabilidade.
Conseqüentemente, núcleos maiores tendem a querer se separar por meio de processos de decaimento radioativo ou por meio de reações de fissão, como as que ocorrem em reatores nucleares ou bombas de fissão.
A fusão ocorre quando dois núcleos mais leves alcançam um estado de energia mais favorável combinando-se em um núcleo mais pesado. No entanto, para que a fissão ocorra, os núcleos em questão devem se aproximar o suficiente para que a força nuclear forte possa assumir. Isso significa que eles devem estar se movendo rápido o suficiente para que possam superar a repulsão elétrica.
Os núcleos se movem rapidamente em temperaturas extremas, portanto, essa condição costuma ser necessária. É assim que a fusão nuclear pode ocorrer no núcleo extremamente quente do sol. Até hoje, os cientistas ainda estão tentando encontrar uma maneira de fazer a fusão a frio ocorrer - isto é, a fusão em temperaturas mais baixas. Uma vez que a energia é liberada no processo de fusão e não deixa resíduos radioativos como os reatores de fissão tendem a fazer, seria um recurso de energia incrível se alcançado.
O decaimento radioativo é um meio comum pelo qual os núcleos sofrem mudanças para se tornarem mais estáveis. Existem três tipos principais de decaimento: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama.
No decaimento alfa, um núcleo radioativo libera uma partícula alfa (um núcleo de hélio-4) e se torna mais estável como resultado. O decaimento beta vem em algumas variedades, mas em essência resulta de um nêutron se tornar um próton ou um próton se tornar um nêutron e liberar um β- ou β+ partícula (um elétron ou pósitron). O decaimento gama ocorre quando um núcleo em um estado excitado libera energia na forma de raios gama, mas mantém seu número total de nêutrons e prótons.
O modelo padrão da física de partículas
O estudo da física nuclear se estende ao campo mais amplo da física de partículas, que visa compreender o funcionamento de todas as partículas fundamentais. O modelo padrão classifica as partículas em férmions e bósons e, em seguida, classifica os férmions em quarks e leptons, e os bósons em bósons calibre e escalar.
Os bósons não obedecem às leis de conservação dos números, mas os férmions sim. Também existe uma lei de conservação para os números de leptões e quarks, além de outras quantidades conservadas. As interações das partículas fundamentais são mediadas pelos bósons carregadores de energia.
Aplicações da Física Nuclear e Física Atômica
As aplicações da física nuclear e atômica são abundantes. Os reatores nucleares em usinas nucleares criam energia limpa, aproveitando a energia liberada durante os processos de fissão. A medicina nuclear faz uso de isótopos radioativos para imagens. Os astrofísicos usam a espectroscopia para determinar a composição de nebulosas distantes. A ressonância magnética permite que os médicos criem imagens detalhadas do interior de seus pacientes. Até a tecnologia de raios X faz uso da física nuclear.