Física Nuclear

Física Nuclear é o estudo das partículas constituintes dos núcleos atômicos, como prótons e nêutrons, e das interações existentes entre elas. Essas interações são capazes de manter as partículas unidas em distâncias extremamente pequenas, da ordem de poucos nanômetros (10^-9 m). Alguns exemplos de fenômenos estudados pela Física Nuclear são decaimentos radioativos, fissões nucleares, fusões nucleares, etc.

Tópicos deste artigo

• 1 - Introdução à Física Nuclear
• 2 - O curso de Física Nuclear
• 3 - Fórmulas utilizadas pela Física Nuclear
• 4 - História da Física Nuclear
  • Física Nuclear na saúde
  • Física Nuclear e meio ambiente
  • Física Nuclear e indústria
  • Produção de energia elétrica
• 5 - Física Nuclear no Brasil

Introdução à Física Nuclear

A Física Nuclear estuda os fenômenos físicos relativos aos núcleos atômicos, como transições de energia, decaimentos radioativos, fissão e fusão nuclear, entre outros. O estudo da Física Nuclear envolve o desenvolvimento de modelos que expliquem o funcionamento dos núcleos atômicos e sua constituição, aplicações da energia nuclear em tratamentos médicos, desenvolvimento de tecnologias para a detecção de radiação, novas fontes de energia, etc.

A fissão nuclear é uma reação em cadeia que ocorre quando um núcleo atômico pesado captura um nêutron lento.

As aplicações tecnológicas diretamente relacionadas ao estudo da Física Nuclear estão relacionadas a processos industriais, eficiência energética, explorações astronômicas, etc. Além disso, esse estudo promove melhorias à saúde, meio ambiente e agricultura.

Física Nuclear na saúde

Nos últimos anos, a Física Nuclear tem possibilitado, por meio da medicina nuclear, o surgimento de tecnologias de grande impacto à saúde humana. Um crescente número de exames de imagem tem sido realizado com uso de diferentes tipos de radiação e partículas. Além disso, um enorme número de pacientes recebe tratamento oncológico por meio da radiação produzida por aceleradores de partículas ou fontes naturais de radiação, como os radioisótopos césio-137, iodo-131, entre outros encontrados na natureza. Atualmente, existem tratamentos de câncer avançados, com menos efeitos colaterais, que são capazes de destruir os tecidos afetados pelo câncer por meio da emissão de prótons, nêutrons, íons pesados e radiação eletromagnética ionizante.

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Alguns exames de imagem baseiam-se em conhecimentos originados de pesquisas desenvolvidas pela Física Nuclear, como tomografias computadorizadas, ressonâncias magnéticas nucleares, tomografias por emissão de pósitrons, tomografias computadorizadas de emissão de fótons simples. Esses exames fornecem imagens ricamente detalhadas de órgãos e estruturas delicados sem que haja necessidade de intervenções cirúrgicas e com segurança relativamente alta aos pacientes.

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Física Nuclear e meio ambiente

A Física Nuclear também é largamente aplicada aos estudos do meio ambiente: a datação dos núcleos radioativos presentes nas rochas e no solo, por exemplo, é de importância vital para a determinação do passado da Terra e para a definição de padrões climáticos.

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A atmosfera terrestre é constantemente bombardeada por raios cósmicos altamente energéticos, cujas interações com as moléculas de carbono presentes no ar produzem o isótopo carbono-14. Esse elemento raro tem uma meia vida extremamente longa: a cada 5700 anos, o número desse tipo de radioisótopo presente em seres vivos, como plantas e animais, cai pela metade. Dessa forma, é possível estudar a idade de fósseis e, até mesmo, determinar a época em que grandes florestas ou ecossistemas inteiros deixaram de viver.

Física Nuclear e indústria

Muitas técnicas derivadas da Física Nuclear, mais explicitamente de aceleradores de partículas, passaram a ser usadas em processos industriais, promovendo aumento de sua eficiência e grande impacto econômico.

Os aceleradores de partículas podem ser usados para produzir radiação eletromagnética altamente energética.

Uma das aplicações mais importantes para a indústria são os detectores utilizados na determinação da composição de materiais semicondutores. Os semicondutores figuram como a matéria-prima de todos os componentes eletrônicos usados, desde chips presentes nos computadores e celulares até simples conexões elétricas. Para que esses componentes funcionem perfeitamente, é de fundamental importância que sua pureza seja garantida. Dessa forma, técnicas de caracterização de elementos químicos, como a PIXE (emissão de raios X induzida por partículas), medem a emissão de raios X de amostras bombardeadas por prótons durante a colisão do feixe de prótons com os núcleos atômicos. Essas técnicas medem também a emissão de ondas eletromagnéticas para determinar características, como massa atômica e carga elétrica, de algum material.

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A técnica PIXE e outras técnicas, como a PIGE (emissão de raios gamas induzida por prótons), são capazes de determinar a exata composição de diversos tipos de amostras. São também utilizadas em museus para determinar-se a originalidade de uma obra e em sondas espaciais, como a Mars Rover, que tem o intuito estudar a composição do planeta Marte.

Produção de energia elétrica

Atualmente, cerca de 11% de toda a energia elétrica produzida no mundo vem de aproximadamente 450 reatores nucleares. Toda energia nuclear é gerada a partir da fissão de núcleos atômicos pesados, como o urânio, que se tornam instáveis após a captura de um nêutron lento emitido em sua direção.

O urânio é encontrado na natureza em forma de minério. Acima, há a imagem de uma autunita, um mineral radioativo que contém urânio.

Desde 2016, existem cerca de 60 reatores nucleares em construção em todo o mundo e outros 150 planejados. Quando implementadas, essas usinas nucleares serão responsáveis por 50% da geração mundial de energia.

Veja também: Como funciona uma usina nuclear?

Dezesseis países dependem da energia nuclear para produzir pelo menos 25% de toda sua demanda energética. A França, por exemplo, tem 75% de toda sua energia produzida por usinas nucleares em decorrência da escassez de recursos energéticos naturais, como potencial hídrico, eólico, geotérmico, etc.

As usinas nucleares operam por meio das reações em cadeia promovidas por elementos físseis, como o radioisótopo urânio-238. Além da emissão de partículas, esses elementos emitem ondas eletromagnéticas que aquecem a água a altíssimas pressões e temperaturas. Quando liberada, essa água move uma grande turbina (chamada de dínamo), gerando corrente elétrica por meio do fenômeno de indução eletromagnética.

O baixo custo e a alta produção energética são alguns pontos fortes da energia nuclear.

O curso de Física Nuclear

Para estudar a fundo sobre Física Nuclear, normalmente, é necessário graduar-se em Física para, em seguida, especializar-se com um mestrado ou doutorado na área. No entanto, durante o curso de graduação, estudam-se fenômenos de origem nuclear nos conteúdos regulares (isso pode variar de acordo com a ementa de cada curso). Além disso, é possível aprender sobre Física Nuclear por meio de pesquisas realizadas em programas de iniciação científica.

Os conteúdos relacionados à Física Nuclear mais comuns nos cursos de Física tratam sobre modelos nucleares modernos, transições de níveis de energia de núcleos atômicos, emissão de radiação, decaimentos radioativos, etc.

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Fórmulas utilizadas pela Física Nuclear

Confira algumas das principais fórmulas usadas no estudo da Física Nuclear e suas utilizações:

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História da Física Nuclear

A história da Física Nuclear começou no final do século XIX e vem sendo construída até os dias recentes. Confira uma breve linha do tempo com alguns dos marcos mais importantes da Física Nuclear:

1896 – Henri Becquerel, um físico francês, descobriu que sais de urânio são capazes de manchar placas fotossensíveis, descobrindo, assim, os “raios urânicos”.

1897 – Ernest Rutherford fez pesquisas sobre os “raios urânicos” de Becquerel e descobriu as radiações alfa e beta, classificando-as quanto às suas cargas elétricas e ao seu poder de penetração na matéria.

1898 – Marie Currie e seu esposo, Pierre Currie, descobriram que os “raios urânicos” também são emitidos por outros elementos (tório) e propuseram o termo “radioatividade”. Descobriram e batizaram dois novos elementos radioativos: polônio e rádio.

1903 – Ernest Rutherford propôs a medição da idade geológica da Terra por meio da detecção de elementos radioativos em seu interior. Além disso, sugeriu que a Terra é muito mais antiga do que se acreditava. Alguns anos depois, descobriu-se que a Terra tem cerca de 4,2 bilhões de anos. Na época, acreditava-se em algumas centenas de milhões de anos.

1906 – Ernest Rutherford descobriu que a radiação alfa é, na verdade, o núcleo de um átomo de hélio.

1909 – Os estudantes de graduação Eugene Mardsen e Hans Geiger realizaram o experimento da folha de ouro, no qual uma fina película aurífera é bombardeada por partículas alfa, que são refletidas, indicando a grande densidade do núcleo atômico.

1930 – Paul Dirac reuniu os campos da relatividade especial de Albert Eistein à teoria quântica e elaborou a equação de Dirac, prevendo, assim, a existência da antimatéria.

1931 – Físicos debateram possibilidades para a não conservação da energia durante os decaimentos beta. Nessa época, o físico italiano Enrico Fermi propôs que, nesse tipo de decaimento, ocorria a emissão de duas partículas neutras praticamente indetectáveis, as quais ele batizou de neutrinos.

1932 – Carl Anderson detectou a existência dos pósitrons, partículas com carga elétrica oposta e massa igual à dos elétrons.

1935 – O físico japonês Hideki Yukawa propôs que os prótons e nêutrons presentes no núcleo dos átomos são ligados por uma força nuclear forte, muito mais intensa que a própria repulsão elétrica.

1938 – Otto Hahn e Lise Meitner descobriram a fissão nuclear ao bombardearem núcleos de urânio com nêutrons.

1942 – Enrico Fermi foi nomeado o principal cientista responsável pelo projeto Manhattan, intencionado em produzir a primeira reação nuclear artificial em cadeia.

1945 – Em 16 de julho, a primeira bomba nuclear foi detonada no Novo México. Três meses depois, duas bombas atômicas foram lançadas nas cidades de Hiroshima e Nagasaki, no Japão, deixando mais de 100 mil mortos.

Física Nuclear no Brasil

Um dos precursores da pesquisa científica na área da Física no Brasil foi o físico ucraniano Gleb Wataghin. Wataghin ingressou na USP em 1934, onde iniciou suas pesquisas sobre raios cósmicos e sobre Física Nuclear. Na época, investia-se pouco nesse tipo de pesquisa, então, os primeiros instrumentos necessários para o estudo da Física Nuclear foram construídos pelos alunos da primeira turma de Física daquela universidade: Marcelo Damy e Oscar Sala. A partir dessa época, a pesquisa em Física Nuclear no Brasil cresceu até atingir visibilidade internacional.

Por Rafael Helerbrock
Mestre em Física