Física Nuclear Explicada

Faça um tour pela física nuclear, tendo um vislumbre da rica variedade de tópicos e conceitos que você abordará neste curso. O professor Weinstein explica os constituintes do núcleo; o que mantém o núcleo unido, sua função na determinação da identidade atômica; e a natureza dos isótopos. Ele apresenta duas ferramentas importantes: a tabela periódica de elementos e a tabela de nuclídeos.

Veja como as forças forte e eletromagnética moldam os núcleos de todos os átomos. Observe a curva de energia de ligação, que explica por que núcleos pesados liberam energia ao se fissionar, enquanto os leves liberam ao se fundir. Explore equipamentos de laboratório para entender os princípios que regem os aceleradores de partículas e a estrutura da matéria nuclear.

Agora, passe para os núcleos instáveis e o processo de decaimento radioativo. Rastreie três tipos de decaimento - alfa, beta e gama - estudando as partículas envolvidas, sua carga (ou falta dela) e faixas de energia. Meça a radioatividade com um contador Geiger e considere o que seria necessário para se proteger contra cada tipo de radiação.

Estude fontes de radiação no mundo ao nosso redor, bombardeando-nos do céu (raios cósmicos), encontradas no solo (urânio e outros elementos radioativos naturais), nos afetando em procedimentos médicos e presentes em bens de consumo. Veja alguns produtos radioativos há muito descontinuados, como a fluoroscopia em calçados e o Radithor, um tônico de saúde à base de rádio, um produto desaconselhável.

A radiação assusta muita gente, mas até que ponto devemos temê-la? Explore a diferença entre radiação ionizante e não ionizante, focando nos efeitos das emissões de alta energia no DNA. Veja várias fontes de radiação, de celulares e linhas de energia a explosões nucleares. Por fim, aprenda o que fazer se você for exposto à precipitação nuclear.

Agora abra a tampa e veja como o núcleo funciona. Comece com o átomo de hidrogênio, cujo núcleo tem um próton orbitado por um elétron. A partir daí, adicione nêutrons e mais prótons, formando elementos e isótopos, e veja como o núcleo se comporta como uma gota de líquido. Use o modelo de gás de Fermi para aprimorar sua compreensão da estrutura nuclear.

A aula de química do Ensino Médio apresenta aos alunos o modelo da camada atômica, que descreve a distribuição de elétrons ao redor do núcleo. Nesta aula, aprenda o modelo análogo da camada nuclear e os números mágicos que constituem as camadas completas de prótons e nêutrons dentro do núcleo. Descubra também como um núcleo inteiro pode soar como um sino ou girar como um pião.

Faça um tour pelos bastidores do Thomas Jefferson National Accelerator Facility em Newport News, Virgínia, onde o professor Weinstein e seus colegas usam feixes de elétrons de alta energia para investigar a estrutura do núcleo. O Dr. Weinstein também explica outros tipos de aceleradores de partículas e suas finalidades, incluindo o Large Hadron Collider na Europa.

Partículas subatômicas são incrivelmente pequenas e rápidas. Mas como detectá-las? Visite um laboratório onde detectores são construídos. Comece com o simples circuito de um contador Geiger, inventado nos anos 1920, e avance para ferramentas modernas milhões de vezes mais sensíveis, como cintiladores e câmaras de fios.

Continue sua visita ao Jefferson Lab aprendendo como cientistas planejam um experimento, o aprovam, o executam e analisam os resultados. Descubra por que interpretar colisões nucleares é como reconstruir acidentes de carro. Uma ferramenta usa a onda de choque de partículas que se movem mais rápido que a luz, possível em meios que não o vácuo.

Concentre-se em experimentos específicos no maior salão de pesquisa do Jefferson Lab, onde máquinas gigantescas esmagam elétrons em núcleos e medem os elétrons dispersos e outras partículas. O objetivo é entender as órbitas quânticas nas camadas nucleares. O professor Weinstein mostra como os físicos nucleares pensam ao projetar experimentos para descascar as camadas da cebola nuclear.

Descubra as partículas fundamentais que dão vida a prótons e nêutrons — quarks e glúons. Saiba por que quarks nunca aparecem isolados e por que a massa dos quarks de valência representa apenas uma pequena fração da massa total. A resposta está nos 'quarks do mar', o enxame de pares quark-antiquark dentro de prótons e nêutrons, que podem ser infinitos.

Estude as reações de fusão que ocorrem no Sol. Primeiro, considere a barreira que núcleos de hidrogênio devem superar para formar hélio. Depois, veja como a massa e a temperatura de uma estrela determinam os tipos de reações possíveis. Um produto dessas reações são os neutrinos, partículas fantasmas que atravessam a Terra (e nós) em enormes quantidades

Veja como o hidrogênio, o hélio e alguns outros núcleos leves foram forjados no rescaldo ardente do Big Bang. Em seguida, rastreie a formação de núcleos mais pesados no interior das estrelas, nas explosões de supernovas e nas colisões de estrelas de nêutrons. É dada atenção especial à sequência de reações e às condições necessárias que nos deram a tabela periódica completa dos elementos.

A descoberta do nêutron em 1932 levou à percepção de que os nêutrons podem incitar certos elementos pesados à fissão (quebra), liberando mais nêutrons e uma quantidade prodigiosa de energia. Nesta aula, estabeleça as bases para a compreensão das armas nucleares e da energia nuclear investigando os núcleos que são propensos à fissão, como iniciar a fissão e os "núcleos filhos" resultantes.

Frequentemente chamadas de "bombas atômicas", as armas de fissão detonadas em 1945 são, na verdade, armas nucleares - assim como as 'H-bombs' de fusão. Estude seu funcionamento básico, a enorme dificuldade de obter material físsil, as tentativas históricas de elevar rendimento e reduzir o tamanho das ogivas, e por que buscas por aplicações "pacíficas" se mostraram infrutíferas.

Aprenda os fundamentos do projeto de um reator nuclear, que tem a tarefa de sustentar reações nucleares em uma taxa controlada para ferver água, produzir vapor e acionar um gerador. Explore por que um reator nuclear não pode explodir como uma bomba e considere as vantagens e desvantagens dos projetos de reatores mais comuns em uso.

Em circunstâncias específicas, é possível que um reator nuclear falhe de forma catastrófica. Revisite os graves acidentes nucleares em Three Mile Island, nos EUA, Chernobyl, na União Soviética, e Fukushima, no Japão, tirando lições sobre a falibilidade dos recursos de segurança e dos operadores humanos. Acompanhe a sequência em cascata de falhas em cada acidente.

Explore o estado atual da energia de fissão, já na terceira geração desde o início da era nuclear, com a quarta em desenvolvimento. As usinas modernas geram energia de forma mais barata, segura, com menos resíduos e menor risco de proliferação. Conheça tecnologias recentes, de reatores avançados de água leve a reatores de sal fundido e tório

O Santo Graal da energia nuclear é a fusão, que tem estado tentadoramente fora de alcance há décadas. Saiba por que a energia de fusão é tão desejável e tão difícil de ser obtida. Estude as diferentes estratégias para obter uma reação termonuclear contida e autossustentável, concentrando-se no tokamak, que confina um plasma de alta temperatura em um poderoso campo magnético toroidal.

A radiação de alta energia tem sido usada contra tumores cancerígenos desde a descoberta dos raios X em 1895. Descubra o poderoso arsenal de fontes de radiação e procedimentos utilizados pelos radio-oncologistas atualmente. Visite o Instituto de Terapia de Prótons da Universidade Hampton e aprenda sobre uma técnica que atinge células cancerígenas com precisão notável, poupando o tecido circundante

A capacidade da radiação de penetrar o corpo e mapear densidade e atividade metabólica gerou diversos recursos de imagem médica, como mamografia, PET, tomografia, densitometria óssea, ressonância magnética e outras tecnologias. Aprenda como funcionam, o que revelam e quando, se houver, as doses de radiação podem representar risco significativo.

A taxa constante de decaimento de isótopos instáveis, chamada meia-vida, torna-os ideais para datar objetos. Descubra os isótopos mais usados, como carbono-14 para restos orgânicos históricos e urânio-238 para formações geológicas de bilhões de anos. Veja também como isótopos estáveis ajudam a detectar fraudes e estudar climas antigos

Conclua o curso explorando os diversos usos da radiação na Terra e além. Detectores passivos identificam contaminação radioativa e testes nucleares secretos. Raios cósmicos permitem 'radiografar' construções antigas e revelar seus segredos. Veja também por que alguns cientistas especulam que a vida humana prospera graças a uma antiga radiação de supernova.