Questões de Concurso sobre Física Atômica e Nuclear

Na segunda metade do século XVII, Isaac Newton passou a investigar o comportamento da luz solar. É atribuído a ele o experimento de, num aposento escuro, fazer passar um estreito feixe de luz que, depois de atravessar um prisma, dispersou-se em um feixe multicolorido indo projetar-se sobre um anteparo. Isso foi fundamental para Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen, mais tarde, explicarem e descreverem precisamente os espectros de linhas de emissão e de absorção das radiações emitidas ou absorvidas pela matéria. Assim,

Os espectros de energia de radiação podem ser caracterizados em dois principais grupos: aqueles que consistem em 1 (ou mais) energia(s) específica(s) – espectro discreto, e aqueles que consistem em uma distribuição de energia – espectro contínuo. Das emissões listadas a seguir, que podem ser feitas por uma fonte, assinale a que apresenta um espectro contínuo de energias.

A mecânica quântica é considerada por muitos físicos como a teoria científica mais próspera, pois suas previsões têm se mostrado muito firmes diante o crivo experimental. A partir das ferramentas dessa teoria, mais especificamente a equação de Schrödinger, tornou-se possível explicar muitos aspectos dos átomos. Um sistema que a mecânica quântica explicou muito bem foi o átomo de hidrogênio. Segundo a teoria quântica, os estados do átomo de hidrogênio são descritos por três números quânticos, quais sejam: o número quântico principal ݊, o qual está relacionado aos níveis de energia $E_n$ do átomo por meio da expressão $E_n=-\frac{13,60eV}{n^2}$ ; o número quântico orbital $l$ , relacionado aos valores possíveis do módulo do momento angular orbital $L$ por meio da equação $L=\sqrt{l\left(l+1\right)}\hslash$; e o número quântico magnético $m_l$, relacionado às componentes do momento angular orbital $L_z$ por meio da equação $L_z=m_l\hslash .$ Nessas expressões, a constante $\hslash$ é associada à constante de Planck e vale $\hslash =1,054.10^{-34}J.s.$ Considerando essas informações, conhecendo a relação entre os três números quânticos, e desconsiderando o spin do elétron, assinale a alternativa que apresenta a quantidade de estados distintos $\left(n,l,m_l\right)$ do átomo de hidrogênio que existe quando $n=3$.

Associe corretamente as colunas sobre a radiação eletromagnética.

Coluna 1

1. Radiação ionizante.

2. Radiação não ionizante.

Coluna 2

( ) Raios gama.

( ) Micro-ondas.

( ) Radiação ultravioleta.

( ) Raios-X.

( ) Infravermelho.

A ordem correta de preenchimento dos parênteses, de cima para baixo, é:

Considere-se a equação a seguir:

${}^{23}Ne\to {}^{23}Ne+e^{-}+\overline{v_e}$

A equação representa um modo de decaimento nuclear. O decaimento que a equação representa é:

A meia-vida de uma fonte radioativa precisa ser determinada. A fonte de radiação é medida duas vezes, com um tempo de medida de 600 segundos cada e um intervalo de 24 horas entre as medições. Na primeira medida 1683 contagens são obtidas, e na segunda 914, incluindo contagens de BG. As contagens para o BG foram 420, em uma medida de 20 minutos. Determine, em horas, a meia-vida da fonte.

Um detector de radiação de área sensível de 100 cm² está a 1 metro de uma fonte radioativa pontual e registra 120 contagens em 1 minuto. Considerando que cada decaimento gere uma partícula e esta partícula é sempre detectável se atingir o detector, qual é a atividade da fonte de radiação?

Uma análise típica em física de reatores nucleares é resolver a equação de difusão de nêutrons, em uma dimensão para um meio absorvedor e multiplicador, utilizando a técnica de separação de variáveis, sendo elas a variável temporal e a espacial. Pode-se definir, de tal modo, que o fluxo de nêutrons é dado por $\varphi$ ($x,t$) = $\psi$ (x). $\tau$ ($t$). Levando em conta essas informações, a equação diferencial que considera somente a parte espacial é:

Considere:

$v{\sum }_f$ é o termo conhecido como fonte de fissão

${\sum }_a$ é a seção de choque macroscópica de absorção

$\lambda$ é a constante de decaimento

$v$ é a velocidade

$D$ é o coeficiente de difusão

Sabe-se que a massa do próton e do nêutron é dada, por aproximadamente, 938 $MeV$ e 939 $MeV$, respectivamente. Qual das opções abaixo apresenta o valor aproximado para a energia de ligação para o núcleo de ${}_{92}^{235}U$, em $MeV$?

Dado: 1 uma = 931 $MeV$.

No processo de queima de um combustível nuclear, ocorrem inúmeras transformações em sua composição devido à fissão dos elementos físseis e das interações de captura de nêutrons. Essas transformações estão relacionadas à seção de choque dos elementos e ao grupo de energia dos nêutrons. A análise da concentração isotrópica do combustível nuclear tem um papel fundamental para a manutenção da criticalidade de um reator. A parte inicial da reação em cadeia para os actinídeos relativos à fissão do U-238 é dada abaixo:

${}^{238}U$ ^{$\underrightarrow{(n,\gamma )}$} ${}^{239}U$ ^{$\underrightarrow{({\beta }^{-})}$} ? ^{$\underrightarrow{({\beta }^{-})}$} ${}^{239}Pu\to \left(...\right)$

As informações com relação ao tempo foram suprimidas, entretanto, com as informações apresentadas, é possível determinar qual actinídeo ocupa a lacuna na reação em cadeia acima. Esse actinídeo é o:

Em 1923, Arthur Holly Compton confirmou a natureza corpuscular da radiação fazendo com que um feixe de raios X incidisse sobre uma amostra de grafite e observando o aumento do comprimento de onda dessa radiação (∆λ) em função do ângulo segundo o qual os raio X são espalhados (θ). Esse aumento, chamado deslocamento Compton, é calculado pela expressão $△\lambda =\frac{h}{m.c}.\left(1-\cos \theta \right)$, onde m é a massa dos elétrons livres da amostra-alvo.

Considere que um feixe de raios X com comprimento de onda 8,88 × 10^–11 m incida sobre uma amostra de carbono e os fótons desse feixe, espalhados pelos elétrons livres da amostra, sejam observados a 60º da direção de incidência. Adotando h = 6,6 × 10^–34 J · s para a constante de Planck, c = 3,0 × 10⁸ m/s e m = 9,1 × 10^–31 kg, a energia dos fótons dos raios X, após o espalhamento causado pela amostra de carbono, é

Quando uma partícula carregada eletricamente atravessa um meio isolante a uma velocidade superior à da luz neste meio, ela emite radiação eletromagnética que pode ser na faixa visível. Em geral, é aquela luz de cor azulada que se vê em piscinas com reatores nucleares. Essa é a chamada “radiação

O irídio-192 é produzido em reator nuclear pela reação (n,y)

${}_{77}^{191}Ir\left(n,\gamma \right){}_{77}^{192}Ir$

Tem meia-vida de 74,2 dias, decai por emissão XX e YY para um isótopo estável, Pt- 192. Os raios XX emitidos apresentam energia na faixa de 530keV a 670keV. Os principais raios YY emitidos têm, em média, uma energia de 370keV. No caso, as emissões XX e YY são, respectivamente:

Considerando-se um elétron em um poço quântico como uma partícula confinada em uma caixa rígida de comprimento L = 2 nm, a energia no terceiro estado quântico será de 0,3 eV.

O múon é uma partícula instável, produzida em laboratórios de física nuclear a partir do decaimento do méson - π. O tempo próprio de vida de múon é de 2 × 10^-6s . Um observador em terra vê o múon mover-se se com uma velocidade escalar de 0,6 c. Assinale a alternativa que contém, respectivamente, o tempo de vida média (em segundos) e a distância percorrida (em metros) registrados por esse observador antes do múon decair (c = 3 × 10⁸ m/s).

Os pesticidas organoclorados foram amplamente empregados na agricultura, contudo, em razão das suas elevadas toxicidades e persistências no meio ambiente, eles foram banidos. Considere a aplicação de 500 g de um pesticida organoclorado em uma cultura e que, em certas condições, o tempo de meia-vida do pesticida no solo seja de 5 anos.

A massa do pesticida no decorrer de 35 anos será mais próxima de

O comprimento de onda, na transição $1\to 2$ , que o elétron pode absorver é ${\lambda }_{1\to 2}=\frac{hc}{0,3}nm.$

No estudo da estrutura dos núcleos atômicos, uma grandeza fundamental para compreender os processos de fissão e fusão nuclear é a energia de ligação por núcleon. Considerando a massa do próton como 1,007 unidades de massa atômica ($u$), a massa do nêutron de 1,008 unidades de massa atômica e 1$u$ = 1,660 x 10^-27 kg, determine a energia de ligação por núcleon do Plutônio ${}^{239}Pu$. A massa do Plutônio vale 239,052 $u$, e no seu núcleo existem 94 prótons e 145 nêutrons. Considere c² = 931,5 x 10⁶ eV/$u$ (utilize todos os números das grandezas informadas).

O fenômeno do decaimento radioativo foi documentado no final do século XIX, quando cientistas notaram que alguns materiais espontaneamente produziam manchas em papel fotográfico. Em um dos experimentos clássicos desse período, Rutherford aplicou um campo magnético à radiação emitida por uma amostra e os diferentes tipos de radiação sofreram um desvio de acordo com suas cargas, conforme representado na figura a seguir. A amostra radioativa emitiu radiações dos tipos alfa, beta e gama, que apresentaram diferentes trajetórias.

Na figura apresentada, as trajetórias 1., 2. e 3. representam, respectivamente, radiações dos tipos

A seguinte reação:

${}_1^{2}H{+}_1^{3}H{\to }_2^{4}He{+}_0^{1}n$

é característica do processo de