Física nuclear

A física nuclear é a ciência que estuda não apenas o núcleo atômico como tal (desenvolvimento de um modelo teórico), mas também como ele interage quando uma partícula se "aproxima" (a ordem de magnitude é 10 - 12 cm é comumente referida em a física nuclear como uma seção transversal , cuja unidade é o celeiro, ou seja , 10 -24 cm 2 ) do núcleo (obtenção de resultados experimentais). Após um breve lembrete histórico, este artigo é dedicado a descrever:

a estrutura nuclear , que visa compreender como os núcleons ( prótons e nêutrons ) interagem para formar o núcleo;
os mecanismos das reações nucleares , cujo objetivo é descrever as diferentes formas como os núcleos interagem: fissão , fusão , difusão (elástica, inelástica), radioatividade , etc. ;
os campos de aplicação da física nuclear , da medicina à astrofísica , incluindo a produção de energia , todos esses campos de atividade exploram a física das interações radiação-matéria ;
as organizações de pesquisa em física nuclear, na França e no mundo.

Introdução

A matéria é feita de moléculas , cristais ou íons, eles próprios feitos de átomos . Esses átomos são formados a partir de um núcleo central rodeado por uma nuvem eletrônica. A física nuclear é a ciência que se interessa por todos os fenômenos físicos que envolvem o núcleo atômico. Devido ao seu tamanho microscópico, as ferramentas matemáticas utilizadas enquadram-se essencialmente no quadro do formalismo da mecânica quântica .

O núcleo atômico é formado por núcleons , que se dividem em prótons e nêutrons . Os prótons são partículas com carga elétrica elementar positiva, enquanto os nêutrons são partículas neutras. Eles têm apenas um momento magnético e, portanto, não são muito sensíveis ao campo eletromagnético , ao contrário dos prótons. Se assimilássemos o núcleo atômico a uma esfera dura, o raio desta esfera seria de alguns fermis, sendo 1 fermi igual a 10 -15 metros (1 fermi = 1 femtômetro ). Os núcleos com o mesmo valor Z, ou seja, o mesmo número de prótons, e não tendo o mesmo número de nêutrons, são chamados de isótopos .

O núcleo da história

Até ao virar do XX th século, acreditava-se que os átomos eram os constituintes fundamentais do material. A descoberta da radioatividade em 1896 por Henri Becquerel e os estudos que se seguiram, em particular pelos Curie , começaram a sugerir que os próprios átomos talvez fossem objetos compostos. De que outra forma a matéria poderia emitir partículas espontaneamente como no caso da radioatividade alfa?

Foi em 1911 que Rutherford descobriu que os átomos pareciam ser objetos compostos. Ao analisar a difusão de partículas alfa emitidas por uma fonte radioativa através de uma folha de ouro, ele chegou à conclusão de que "a mais simples parece supor que o átomo contém uma carga [elétrica] central distribuída em um volume muito pequeno." ( " Parece mais simples supor que o átomo contém uma carga central distribuída por um volume muito pequeno ... " ). O modelo de Rutherford do átomo era, portanto, um núcleo central com uma carga elétrica rodeada por elétrons mantidos em órbita por interação eletromagnética. Já havia sido proposto em 1904 por Hantarō Nagaoka .

Em 1919, Rutherford ainda descobriu a existência no núcleo do próton , uma partícula possuindo carga elementar positiva e , mas possuindo uma massa muito maior que a do elétron (que possui carga elétrica elementar negativa). Em 1932, Chadwick destacou a existência do nêutron, partícula muito semelhante ao próton, exceto pelo fato de não possuir carga elétrica (daí seu nome). Ao mesmo tempo, Heisenberg propõe que o núcleo atômico é de fato composto por um conjunto de prótons e nêutrons.

Estrutura nuclear

A forte interação mantém a coesão dos núcleos dentro do núcleo. É a mais intensa das quatro forças fundamentais da natureza (daí seu nome). Caracteriza-se pelo fato de ser fortemente atraente a curta distância (quando os núcleos se aproximam muito), repelente a "média" distância e anulado a longa distância. Como os prótons são partículas carregadas, eles também interagem por meio da interação de Coulomb . Se o número de prótons no núcleo for grande, o último tem precedência sobre a interação forte e os núcleos se tornam instáveis. A quantidade de energia que mantém o núcleo unido é chamada de energia de ligação ao núcleo .

Reações nucleares

Uma reação é dita nuclear quando há uma modificação do estado quântico do núcleo. Os núcleos que constituem o núcleo participam da reação, mas também outras partículas, como e - elétrons , e + pósitrons, etc.

As reações nucleares podem ser de vários tipos. Os mais importantes modificam a composição do núcleo e, portanto, também são transmutações ; na natureza, observamos:

a fissão : um núcleo pesado se divide em vários fragmentos. É esse tipo de reação que se implementa nas bombas atômicas do tipo A e nas usinas nucleares ;
a fusão : vários núcleos leves se fundem. É o modo de produção de energia da estrela. A fusão nuclear é a fonte da nucleossíntese que explica a gênese de todos os elementos da tabela periódica de Mendeleïev e seus isótopos . Esse também é o tipo de reação usado nas chamadas bombas de hidrogênio ( bomba H ). O uso da fusão para a produção de energia civil ainda não foi dominado. O seu domínio é objeto do projeto internacional ITER ;
a radioatividade : um núcleo transmite uma ou mais partículas espontaneamente. Nós distinguimos:
- a radioatividade $\alfa$ onde um núcleo de hélio 4 é emitido,
- a radioatividade $\beta$ que é emitida por um elétron e um anti-neutrino eletrônico ( ) ou um pósitron e um neutrino eletrônico ( ) $\ beta ^ {{-}}$ $\ beta ^ {{+}}$
- a radioatividade $\gama$ pela qual um núcleo perde energia por radiação eletromagnética de alta energia;

Com a chegada de aceleradores de partículas e núcleos pesados, novos tipos de reações têm sido estudados:

reações de transferência onde um (ou alguns) nucleon (s) são trocados entre os núcleos do feixe e os do alvo
a fragmentação ( reação de nocaute do inglês ) partículas de luz ( nêutrons , por exemplo) é enviada a um núcleo alvo e expele um ou mais núcleos desse núcleo;
colisões entre núcleos pesados onde a quantidade de energia cinética disponível é muito grande e leva a núcleos muito excitados (núcleos quentes, ou mesmo energias muito altas para a formação de plasma quark-gluon )
a multifragmentação decompõe um núcleo de mais de dois núcleos;

Outras interações não alteram a composição do núcleo, mas transferem energia de excitação para ele:

reações de difusão : o projétil (um fóton, um núcleon ou um conjunto de núcleons) vê sua trajetória modificada. Falamos de difusão elástica quando há conservação da energia cinética do sistema {projétil-alvo}. Caso contrário, falamos de difusão inelástica: uma energia potencial adicional (que vem do núcleo) é liberada no momento da interação. Quando a partícula incidente é um fóton, o espalhamento é denominado de forma diferente, dependendo do fenômeno físico envolvido:
- O espalhamento de Thomson diz respeito a um fóton que interage com um elétron livre. Falamos de espalhamento coerente porque o comprimento do fóton espalhado é o mesmo do incidente (veja o próximo ponto). O espalhamento Thomson é um espalhamento elástico que geralmente ocorre entre algumas dezenas de keV e 100 keV ,
- quando o fóton tem uma energia incidente mais alta (além de aproximadamente 100 keV ), a energia do fóton reemitido é menor do que a do fóton incidente. Falamos do efeito Compton (variação do comprimento de onda). O espalhamento Compton também é um espalhamento elástico (a diferença de energia entre a gama incidente e a reemitida é transmitida ao elétron). O espalhamento Thomson é um caso especial de espalhamento Compton (quando a energia do fóton incidente é muito menor que 511 keV ). O espalhamento Thomson, portanto, não é estritamente falando um espalhamento coerente, mas a diferença no comprimento de onda entre a partícula emitida e o incidente é muito pequena para ser medida,
- quando o fóton incidente interage com um elétron emparelhado (mais precisamente com uma molécula tendo um momento de dipolo como N2 ou O2 que é encontrado no ar - o baricentro da nuvem de elétrons de um (dos 2) átomos não coincide com o núcleo ), falamos de espalhamento de Rayleigh. O espalhamento de Rayleigh é perfeitamente consistente. Ela predomina para fótons de alguns eV. Explica em particular a cor azul do céu;
o efeito fotoelétrico: o fóton incidente "desaparece" ao transmitir sua energia na forma de energia cinética a um elétron. Fenômeno predominante para fótons com energia inferior a algumas dezenas de keV.

Aplicações da física nuclear

Astrofísica

A nucleossíntese diz manufatura no universo dos diversos núcleos que atualmente constituem. No entanto, dois processos muito distintos são necessários para explicar a abundância de diferentes elementos químicos no universo:

em uma primeira fase, durante o Big Bang , os núcleos de 2 H ( deutério ), 3 He , 4 He e 7 Li são formados a partir do hidrogênio . Nenhum elemento mais pesado é sintetizado, porque esta fase é relativamente curta. Porém, para formar elementos mais pesados que o lítio, é necessário recorrer a uma reação envolvendo três núcleos de hélio, conhecida como reação alfa tripla . Esse tipo de reação é extremamente difícil de se obter e só pode ser feito em períodos muito mais longos do que os poucos minutos da nucleossíntese primordial;
o resto da nucleossíntese ocorre, portanto, no coração das estrelas . Em seguida, falamos de nucleossíntese estelar . Também se divide em dois processos: a nucleossíntese lenta, que ocorre nas estrelas, que sintetiza elementos mais leves que o ferro , e a nucleossíntese explosiva, produzida apenas durante as explosões estelares, chamadas supernovas . Isso é chamado de nucleossíntese explosiva.

Arqueologia

Medicamento

A medicina nuclear baseia-se no uso de fontes radioativas e na interação dessas fontes com o tecido humano. Essa interação é usada para fins de diagnóstico ( por exemplo, radiologia ) ou tratamento ( radioterapia ). A partir da década de 1980, foram desenvolvidas técnicas de imagem por ressonância magnética nuclear (MRI) que usam as propriedades magnéticas dos núcleos.

Produção de energia

A produção de energia nuclear pode ter duas origens: a fissão de um núcleo pesado (família dos actinídeos como o urânio) ou a fusão de núcleos leves (como o deutério , trítio ).

A produção de energia pode ser:

breve e intenso: é o princípio de uma bomba nuclear ;
controlada (para produção civil, mas também militar).

Produção de energia controlada

Atualmente, os fabricantes só podem usar a energia que vem da fissão de núcleos pesados. A energia é então usada:

seja para produzir eletricidade, é o caso das usinas nucleares

seja para movimentar um veículo, principalmente no setor marítimo (porta-aviões, submarinos de propulsão nuclear) e aeroespacial

O uso da fusão para a produção de energia civil ainda não foi dominado. O seu domínio é objeto do projeto internacional ITER .

Aplicação militar (bomba nuclear)

Indústria alimentar: esterilização de alimentos

Consulte Irradiação de alimentos .

Análise de ativação

O princípio é irradiar, sob fluxo de nêutrons, um objeto para criar produtos de ativação que são radioisótopos formados a partir dos elementos presentes na matriz a ser analisada. Cada radioisótopo emite linhas características X / gama. Dependendo da intensidade das linhas emitidas, é possível voltar à composição inicial, em proporções claramente inferiores às de uma análise química: enquanto o ppm ( parte por milhão ) é tipicamente o limite inferior de uma concentração resultante de uma medida química, é possível atingir, com a análise por ativação, concentrações de até 10 -12 .

Teste não destrutivo

Mesmo princípio da radiologia usada na medicina, mas as fontes de radiação são mais intensas e têm um espectro "mais duro" devido às espessuras e à natureza do material (aço, etc.) por onde passa.

Detecção e localização de uma explosão nuclear

Organizações de pesquisa em física nuclear

Notas e referências

Revista Filosófica , Série 6 , vol. 21, maio de 1911, p. 669-688.

Bibliografia

Livros de popularização

James M. Cork, Radioactivity & Nuclear Physics , Dunod, 1949.
Bernard Fernandez, Do átomo ao núcleo - Uma abordagem histórica da física atômica e da física nuclear , ed. Ellipses, 2006 ( ISBN 2729827846 ) .

Livros de iniciação

Luc Valentin, O mundo subatômico [ detalhe das edições ]
Luc Valentin, Noyaux et partículas - Modelos e simetrias , Hermann, 1997.
David Halliday, Introdução à física nuclear , Dunod, 1957.

Livros de física fundamental

Irving Kaplan, Nuclear physics , the Addison-Wesley Series in Nuclear Science & Engineering, Addison-Wesley, 1956.

A. Bohr & B. Mottelson , Nuclear Structure , 2 vols. Benjamin, 1969-1975. Volume 1: Movimento de partícula única ; volume 2: Deformações nucleares . Reimpresso por World Scientific Publishing Company, 1998 ( ISBN 981-02-3197-0 ) .

P. Ring e P. Schuck, The nuclear many-body problem , Springer Verlag, 1980 ( ISBN 3-540-21206-X ) .

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C. Cohen-Tannoudji, B. Diu, F. Laloë, Quantum Mechanics , 2 vol. , Hermann, coleção “Science education” ( ISBN 2-7056-6074-7 e 2-7056-6121-2 ) .