Forças fundamentais da natureza

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
Instituto de Física
Departamento de Física
Disciplina: Física do Século XX B
Prof. César Augusto Zen Vasconcellos
LISTA TEMÁTICA E DE PROBLEMAS No.9 Propriedades dos Núcleos. Designação dos Núcleos. Número Relativo de
Prótons e Nêutrons em Núcleos. O Núcleo como uma Esfera. Energia de Ligação Nuclear.

As Forças da Natureza. Há quatro forças fundamentais atuando no interior dos átomos, forças estas que determinam as
interações entre as partículas individuais e o comportamento, em larga escala, de toda a matéria no universo. Estas são
a força nuclear forte e a força nuclear fraca, a força eletromagnética e a força de gravidade. A Gravidade é uma força de
atração que atua entre todas as partículas no universo, sendo de natureza sempre atrativa, nunca repulsiva. Esta força,
que agrega a matéria, é responsável pelo peso dos corpos, por manter a Lua em sua órbita em volta da Terra, pelo
confinamento dos planetas em suas órbitas ao redor do Sol, e por agregar as galáxias, entre muitos outros fenômenos
da natureza. A força eletromagnética determina como ocorrem as interações entre partículas eletricamente carregadas e
com campos magnéticos. Esta força pode ser atrativa ou repulsiva. Cargas elétricas com o mesmo sinal repelem-se;
com sinais diferentes, atraem-se. A força eletromagnética é responsável por manter os elétrons em orbitais atômicas,
sendo portanto a força responsável ela existência dos átomos. A força eletromagnética também controla o
comportamento de plasmas (um plasma é, por exemplo, uma mistura de quantidades iguais de íons positivos e elétrons)
como em proeminências solares, laços coronais, e outros tipos de atividade solar. A força eletromagnética também
governa a emissão e a absorção de luz e outras formas de radiação eletromagnética. Luz é emitida quando uma
partícula com carga elétrica é acelerada (por exemplo, quando um elétron passa na proximidade de um íon ou interage
com um campo magnético) ou quando um elétron atômico sofre transição de um nível mais alto de energia para outro de
menor energia. Já a interação forte, também chamada de força forte, corresponde a dois níveis de interação. No
primeiro nível, a força forte corresponde à interação entre os núcleons por meio da troca de mésons, confinando prótons
e nêutrons em núcleos atômicos. No segundo nível, a força forte corresponde à interação entre quarks, --- partículas
massivas com valores semi-inteiros de spin e de carga elétrica ---, por meio da troca de glúons, partículas não-
massivas, sem carga elétrica mas que carregam a chamada carga de cor. A interação forte entre os quarks é descrita
pela cromodinâmica quântica. A interação forte é a fonte básica das vastas quantidades de energia que são libertadas
pelas reações nucleares que alimentam as estrelas. A força nuclear fraca causa o decaimento radioativo de certos
núcleos atômicos. Em particular, esta força governa o processo de emissão (decaimento) beta no qual um nêutron
divide-se espontaneamente em um próton, um elétron e um anti-neutrino. Se um nêutron no interior de um núcleo
atômico decair deste modo, o núcleo emite um elétron (partícula beta) e o nêutron transforma-se em um próton. Isto
aumenta em uma unidade o número de prótons desse núcleo, mudando assim o seu número atômico e transformando-o
no núcleo de um elemento químico diferente. A força nuclear fraca é responsável por sintetizar elementos químicos no
interior de estrelas e em explosões de supernovas, através de processos que envolvem a captura e o decaimento de
nêutrons. Um nêutron é estável (não é radioativo), e tem vida longa, quando confinado dentro do núcleo atômico. Uma
vez removido do núcleo atômico, um nêutron livre sofrerá decaímento beta, tipicamente em cerca de 886,7 ± 1,9 s. O
processo de decaimento beta inverso ocorre nos interiores de estrelas em colapso de supernova, quando prótons e
elétrons se fundem para criarem as vastas quantidades de nêutrons que abundam, como produto final do colapso de
supernova, uma estrela de nêutrons. As interações nucleares fraca e forte, somente são efetivas para distancias
extremamente curtas. O alcance da força forte é de cerca de 10-15 metros e o da força fraca é de 10-17 metros. Em
contraste, as interações eletromagnética e gravitacional são forças de longo alcance, sendo a sua intensidade
inversamente proporcional ao quadrado da distância. Em princípio, a força gravitacional entre duas massas, ou a força
eletromagnética entre duas partículas carregadas eletricamente, não se reduz completamente a zero até que a
separação entre as massas ou as partículas se torne infinita. A gravitação é a mais fraca das forças em termos de
intensidade. As intensidades relativas dessas interações são dadas por: Nuclear Forte ~1; Eletromagnética ~10-2;
Nuclear Fraca ~10-14; Gravitacional ~10-37. No entanto, devido ao curto alcance da força nuclear e à tendência da
matéria, em escalas macroscópicas, ser elétricamente neutra, é a gravitação a força que governa o movimento de
corpos celestes como planetas, estrelas e galáxias. Maiores detalhes das principais características das partículas
elementares e das quatro interações da natureza serão examinadas mais adiante neste curso.

Modelos Atômicos na Antiguidade. Modelos Atômicos de John Dalton, Joseph John Thomson, Phillipp Eduard
Anton Lenard e Ernest Rutherford. Acreditava-se, na antiguidade, que dividindo a matéria em porções cada vez
menores, chegar-se-ia em um ponto onde as porções seriam invisíveis ao olho humano e até mesmo indivisíveis. A
palavra átomo caracteriza em grego exatamente esta última propriedade: etimologicamente, a palavra átomo significa
indivisível. Demócrito de Abdera (460 a.C. - 370 a.C.), discípulo e sucessor de Leucipo de Mileto, foi o mais importante
pensador grego da antiguidade no que concerne o chamado atomismo grego. De acordo com essa concepção, tudo o
que existe é composto por elementos indivisíveis chamados átomos. Demócrito concebeu também o conceito de
universo infinito e, baseado na intuição e no pensamento lógico, concebeu a constituição da matéria como sendo


descontínua, imersa no vácuo (o nada absoluto), e que todas as variedades de matéria resultariam da combinação de
átomos de quatro elementos: terra, ar, fogo e água. Sua concepção de que a constituição da matéria seria descontínua
foi porém contestada por Aristóteles (384 a.C. - 322 a.C.), que afirmava que, ao contrário, sua composição seria
contínua. Os argumentos apresentados por Aristóteles superaram, na aceitação dos pensadores da época, as
proposições de Demócrito e permaneceram até a Renascença. Em 1808, John Dalton (1766-1844) propôs um modelo
atômico, denominado de bola de bilhar, em que o átomo é representado por uma minúscula esfera maciça, impenetrável,
indestrutível, indivisível e sem carga. Todos os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos em seu modelo. O
modelo proposto por Joseph John Thomson (1856-1940) em 1897 tinha como suposição básica que o átomo não seria
maciço, como afirmava John Dalton, mas sim um fluído com carga positiva. A distribuição de carga positiva, no interior
do átomo de Thomson seria homogênea; e o átomo seria por sua vez, neste modelo, quase esférico, encontrando-se
dispersos em seu interior, com distribuição também homogênea, os elétrons. Os historiadores da física moderna
comumente referem-se a este modelo como modelo de pudim recheado de uvas passas, ou panetone, em que a massa
do panetone corresponderia à carga atômica positiva e as passas constituiriam as partículas negativas. Phillipp Eduard
Anton Lenard 1 (1862-1947) aperfeiçoou o modelo de J.J. Thomson. Uma vez que a matéria é em geral eletricamente
neutra, Lenard ponderou que as cargas negativas e positivas que compõem os átomos devem anular-se mutuamente.
Desta forma, propõs que o átomo seria constituído por pares de cargas negativas e positivas (dinâmidos). Em 1911,
Ernest Rutherford (1871-1937) propôs um modelo no qual o átomo seria constituído por um núcleo central e elétrons
orbitais, modelo este que encontra similaridade em movimentos planetários. O modelo atômico de Rutherford ficou
conhecido, por esta razão, como modelo planetário, pela sua semelhança com a constituição do Sistema Solar. Este
modelo foi estudado e aperfeiçoado por Niels Bohr.

Características Gerais do Núcleo. O núcleo atômico é composto de partículas chamadas núcleons: os prótons, com
carga elétrica positiva, e os nêutrons, sem carga elétrica. Prótons e nêutrons têm spin ½ h e obedecem ao Princípio de
Exclusão de Pauli. Um núcleo tem número atômico Z, sendo portanto constituído por Z prótons e N nêutrons. No átomo
neutro coexistem, ao redor desse núcleo, Z elétrons. O símbolo A, tal que A = N + Z, corresponde ao número de
núcleons em um núcleo, sendo A denominado de número de massa de um núcleo.

Massas Nucleares em Unidade de Massa Atômica. As massas nucleares são expressas em unidades de massa
atômica (uma). Uma unidade de massa atômica é definida, como vimos, como: 1 uma = (1/12) da massa de um átomo
de carbono 12. A massa de um átomo de carbono 12 corresponde portanto a exatamente 12 uma, tal que 1 uma =
1,6605 x10-27kg. Em termos da unidade de massa atômica, as massas do próton e do nêutron são, respectivamente: mp
= 1,007276 uma; mn = 1.008664 uma. Ademais, 1uma c2 = 931,4815 MeV e portanto, mec2 = 0,5110 MeV; mpc2 = 938,3
MeV; mnc2 = 939,6 MeV.

1
Prêmio Nobel de Física. Ano, Nomes e Tópicos. Década de 1900 a 1910: 1901 - Wilhelm Conrad Röntgen. Descoberta dos Raios X. 1902 - Hendrik
Antoon Lorentz e Pieter Zeeman. Descoberta e pesquisas da influência do magnetismo sobre as radiações. 1903 - Antoine Henri Becquerel.
Descoberta da radioatividade espontânea. Pierre Curie e Marie Curie. Pesquisas sobre o fenômeno da radioatividade espontânea. 1904 - John William
Strutt (Lord Rayleigh). Investigações sobre a densidade dos gases e descoberta do Argônio.1905 - Philipp Eduard Anton von Lenard. Pesquisas sobre
os raios catódicos.1906 - Joseph John Thomson. Investigações da condução elétrica dos gases.1907 - Albert Abraham Michelson. Instrumentação
ótica de precisão e pesquisas espectroscópicas e metrológicas.1908 - Gabriel Lippmann. Método de reprodução fotográfica de cores com base em
fenômenos de interferência. 1909 - Guglielmo Marconi e Carl Ferdinand Braun. Reconhecimento às contribuições para o desenvolvimento do telégrafo
sem fio. Década de 1910 a 1920: 1910 - Johannes Diderik van der Waals. Equações de estado para gases e líquidos. 1911 - Wilhelm Wien.
Descobertas das leis de irradiação do calor (Lei de Wien). 1912 - Nils Gustaf Dalén. Invenção de reguladores automáticos para reservatórios de gás de
iluminação. 1913 - Heike Kamerlingh-Onnes. Propriedades da matéria a baixas temperaturas e produção do hélio líquido. 1914 - Max von Laue.
Descoberta da difração dos raios-X pela matéria cristalina. 1915 - William Henry Bragg e William Lawrence Bragg. Análise da estrutura cristalina
através da difração de raios-X. 1916 - não houve premiação. 1917 - Charles Glover Barkla. Descoberta de emissões características de Raios Röntgen
pelos elementos. 1918 - Max Planck. Desenvolvimento da física quântica e descoberta dos quanta de energia. 1919 - Johannes Stark. Descoberta do
Efeito Doppler em Raios Canais e da difusão das linhas espectrais em campos elétricos. Década de 1920 a 1930: 1920 - Charles Edouard Guillaume.
Precisão de medições na Física e descoberta de anomalias em ligas de aço-níquel. 1921 - Albert Einstein. Efeito fotoelétrico. 1922 - Niels Henrik David
Bohr. Investigações sobre a estrutura de átomos e suas radiações. 1923 - Robert Andrews Millikan. Trabalhos sobre cargas elétricas elementares e o
efeito fotoelétrico. 1924 - Karl Manne Geogr. Siegbahn. Espectroscopia de Raios-X. 1925 - Jates Franca e Gustavo Ludwig Hertz. Leis que descrevem
o impacto de elétrons sobre os átomos. 1926 - Jean Baptiste Perrin. Estudos sobre a estrutura descontínua da matéria. 1927 - Arthur Holly Compton.
Descoberta do Efeito Compton. Charles Thomson Rees Wilson. Câmara de Wilson. 1928 - Owen Willans Richardson. Estudos sobre os fenômenos
termoiônicos e descoberta da Lei de Richardson. 1929 - Louis de Broglie. Descoberta da natureza ondulatória dos elétrons.


Isótopos, Isótonos e Isóbaros. Isótopos são átomos de um elemento químico cujos núcleos têm o mesmo número
atômico designado por Z, mas que contém diferentes números de massas atômicas, designados por A. Exemplos de
Isótopos do hidrogênio: 1H (prótio), 2H (deutério) e 3H (trítio). Isótopos do oxigênio: 16O, 17O e 18O. Assim, os isótopos de
um certo elemento contêm idêntico número de prótons. A diferença nos pesos atômicos resulta portanto das diferenças
no número de nêutrons nos núcleos atômicos. Isótonos são átomos que diferem no número atômico, Z, e no número de
massa, A, porém apresentam o mesmo número de nêutrons, N. Exemplo: o Boro e o Carbono apresentam, cada um, 6
nêutrons: Boro: Z=5 e A=11, contém 5 prótons e 6 nêutrons; Carbono: Z=6 e A=12, contém 6 prótons e 6 nêutrons. A
propriedade entre átomos de elementos químicos diferentes que apresentam o mesmo número de nêutrons é
denominada de isotonia. Isóbaros são átomos de diferentes elementos químicos e, portanto, de diferentes números
atômicos, Z, mas que apresentam o mesmo número de massa, A. Ex. - 6C14 (A=14 e Z=6) e 7N14 (A=14 e Z=7); 18Ar40
(A=40 e Z=18) e 20Ca40 (A=40 e Z=20). A propriedade de dois ou mais elementos apresentarem o mesmo número de
massa é denominada isobaria. Observa-se que mesmo os isóbaros apresentando o mesmo número de massa, isso não
significa que apresentem exatamente a mesma massa atômica.

Tamanho do Núcleo. Densidade Nuclear. O Núcleo como uma Esfera. A densidade nuclear para núcleos pesados é
aproximadamente constante. Supondo que possa ser adotada a aproximação da esfera rígida, o raio de um núcleo pode
ser expresso na forma

R = r0 A1/3 (1)

onde r0 é um coeficiente empírico (r0 = 1,4 fm para a distribuição de massa nuclear e r0 = 1,2 fm para a distribuição de
carga elétrica nuclear). Representando o núcleo como uma esfera, tendo em vista que o volume de uma esfera é dado
por V = 4πR3/3, o volume do núcleo pode ser escrito na forma:

V = 4πR3/3 = V = 4πAr03/3 = 11,488Afm3 (2)

A densidade da matéria nuclear fica:

ρ = A/V = 0,087 fm-3 (3)

Diferentes experimentos são realizados com o intuito de determinar o parâmetro r0. Métodos experimentais com este
objetivo envolvendo processos de colisão entre uma partícula incidente e o núcleo são categorizados como métodos
nucleares e elétricos, dependendo do tipo de partícula incidente no sistema nuclear. Os métodos nucleares determinam
a distribuição de matéria nuclear enquanto que os métodos elétricos medem a distribuição de carga em um núcleo.
Representando o núcleo ainda como uma esfera, com carga Zé uniformemente distribuída em seu interior, o núcleo terá
uma energia eletrostática dada por


EC = (3/5R) k Z(Z-1)e2 (4)

Esta relação possibilita, por meio do espalhamento de uma partícula eletricamente carregada por um núcleo, a
determinação das dimensões nucleares.

Densidade de matéria nuclear:

ρM = AM/V = 1,67×10 -27kg×0,087fm-3 = 0,1453×10-27×1045 kg m-3 = 1,453×1017 kg m-3 (5)

onde M = 1,67×10 -27kg representa a massa de um núcleon. Quanto à forma, alguns núcleos, cujos momentos de
quadrupolo elétrico são diferentes de zero, afastam-se significativamente da forma esférica e podem ser considerados,
em alguns casos, elipsoidais.

Número Relativo de Prótons e Nêutrons. Nos núcleos leves, o numero de prótons e nêutrons é aproximadamente
igual. Nos núcleos mais pesados, o numero de nêutrons excede o de prótons em núcleos estáveis. Os efeitos atrativos
da força nuclear, associados ao número maior de nêutrons, contrabalança os efeitos repulsivos da força Coulombiana
repulsiva entre os prótons nucleares.

Energia de Ligação Nuclear. Massa Nuclear. Dado um núcleo, a energia liberada quando da sua formação,
corresponde à energia de ligação nuclear. A energia de ligação de um núcleo com Z prótons e ( A - Z ) nêutrons, de
massa M(Z,A), pode ser expressa na forma

EL(Z,N) = Zmp c2 + Nmn c2 – M(Z,N) c2 (6)

A massa nuclear, por sua vez, pode ser escrita na forma

M(Z,N) = Zmp + Nmn – EL(Z,N)/c2 (7)

Experimentalmente, são as massas de íons atômicos ao invés das massas dos núcleos que são medidas tal que,
representando por Mneutro(Z,N) a massa neutra nuclear, então

M(Z,N) = Zmp + Nmn – EL(Z,N)/c2 – ELelétrons/c2 (8)

onde ELelétrons/c2 representa a energia de ligação dos elétrons atômicos. Segundo o modelo estatístico de Thomas-Fermi
(L.H. Thomas (1903-1992), Enrico Fermi (1901-1954)), desenvolvido em 1927

ELelétrons/c2 ≈ 20,8Z7/3eV (9)


Energia de Ligação por Núcleon. Uma indicação da estabilidade nuclear resultante das interações Coulombiana e
nuclear forte é dada pelo gráfico da energia de ligação por núcleon, EL(Z,N)/A (eixo das ordenadas), em função do
número de núcleons, A (eixo das abscissas). O gráfico de EL(Z,N)/A contra A inclui núcleos estáveis e núcleos
radioativos.

O núcleo com a menor energia de ligação por núcleon é o átomo de hidrogênio 2 (deutério) e o núcleo com a maior
energia de ligação por núcleon é o do ferro 56. Assim, esse gráfico apresenta um ponto de máxima em A = 56. Os
núcleons são mantidos coesos pela interação nuclear, de caráter atrativo, apesar do efeito contrário da interação
Coulombiana, de caráter repulsivo, entre os prótons.

Propriedades da Força Nuclear. Saturação. O gráfico de E/A contra A mostra que a energia de ligação por partícula é
aproximadamente constante para todos os núcleos, exceto os mais leves. Assim, a energia de ligação de um núcleo é
aproximadamente proporcional ao número de partículas desse núcleo. Se cada partícula do núcleo interagisse com
todas as outras partículas, a energia de ligação deveria ser proporcional ao número de pares de partículas, isto é,
proporcional a ½ A(A-1), e como, para A grande, pode-se desprezar A em comparação a A2, a energia de ligação
deveria ser, sim, proporcional a A2. Esse resultado está em contradição com o resultado experimental expresso no
gráfico E / A contra A. A contradição desaparece se supomos que cada partícula do núcleo interage apenas com um
número limitado de outras partículas. Assim, à força nuclear se atribui a propriedade de saturação. Curto Alcance e
Caroço Repulsivo. Se cada partícula do núcleo não interage com todas as outras partículas, mas apenas com algumas
partículas vizinhas, a força nuclear deve ser de curto alcance. Esse alcance é da ordem de 1 fm (10-15 m). Para
distâncias muito menores do que o alcance de 1 fm, a interação nuclear é repulsiva. A existência desse caroço repulsivo
explica, por exemplo, o fato de que a distância média entre núcleons é independente de A e o fato de que o volume
nuclear é proporcional a A. Independência de Carga Elétrica. A interação nuclear é independente da carga elétrica, isto
é, atua igualmente entre dois prótons (interação p-p), entre dois nêutrons (interação n-n) e entre um próton e um nêutron
(interação p-n). A estabilidade do deutério permite concluir que existe interação nuclear entre nêutrons e prótons. O
número de nêutrons cresce mais rapidamente que o número de prótons para núcleos estáveis não muito pequenos. Isto
permite concluir que existe interação nuclear entre nêutrons. Com o crescimento do número de prótons, cresce o efeito
anti-estabilizante da repulsão Coulombiana. Esse crescimento só pode ser contrabalançado pelo crescimento do efeito
estabilizante da interação nuclear. Como cada núcleon interage apenas com um número limitado de outros núcleons, o
excesso de nêutrons só pode contribuir para o crescimento do efeito estabilizante, se existe interação nuclear entre
nêutrons. Para núcleos estáveis leves, o número de nêutrons cresce junto com o número de prótons. Este fato, mais a
existência de interação nuclear entre nêutrons, permite concluir que existe interação nuclear também entre prótons e
com a mesma intensidade. Se não existisse interação nuclear entre prótons ou se a interação nuclear entre nêutrons
fosse mais intensa do que a interação nuclear entre prótons, os núcleos estáveis leves deveriam conter um número
maior de nêutrons do que de prótons e não um número aproximadamente igual de nêutrons e prótons como, realmente,


acontece. A independência da carga nas interações nucleares é, também, corroborada pelo fato de que os resultados
dos experimentos de espalhamento de prótons pelo núcleo são idênticos aos resultados dos experimentos de
espalhamento de nêutrons. Caráter Não Central. .

Problemas.

1. Determine os raios dos núcleos 16O e 208Pb.
2. Determine a densidade aproximada de um núcleo.
3. Determine que núcleo estável tem raio equivalente a 1/3 do raio do 189Os.
4. Um núcleo com A = 235 se desintegra em dois outros núcleos cujos números de massa estão na razão 2 : 1.
Encontre os raios destes dois novos núcleos.
5. Calcule a energia de ligação do núcleo 12652Te.
6. Qual é a energia necessária para remover o nêutron menos ligado do 4020Ca?
7. Determine a energia potencial eletrostática dos prótons em um núcleo supondo que a carga elétrica é
uniformemente distribuída no volume nuclear.
8. Calcule a energia Coulombiana do 7332Ge.
9. A fórmula semi-empírica de massa estabelece que a massa de um núcleo pode ser determinada pela
expressão
EL(Z,N) = aA – bA2/3 – sA-1(N-Z)2 – dA-1/3Z 2 – δA½ onde A = N+Z, a = 15,835 MeV, b = 18,33 MeV, s = 23,20
MeV, d = 0,714 MeV e δ = 11,2 MeV, para núcleons com Z e N ímpares, δ = - 11,2 MeV, Z e N pares e δ = 0,
para os demais. Determine os valores das massas dos seguintes núcleos: 21H, 42He, 63Li, 126C.
10. Determine os valores das energias de ligação dos seguintes núcleos: 21H, 42He, 63Li, 126C.
11. O raio do Ge é igual a duas vezes o raio do 94Be. Quantos elétrons existem no átomo neutro de Ge?
12. Qual é a energia necessária para remover o próton menos ligado do 4020Ca? Compare este resultado com
aquele obtido no problema 6 desta lista.
13. Calcule a razão entre o raio nuclear e o raio do elétron mais interno do 20882Pb, usando neste ultimo caso, o
modelo de Bohr.
14. Determine a energia Coulombiana do 168O e do 17571Lu.
15. Calcule a energia de ligação do 3919K.

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