O Neutron, Notas de estudo de Física

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARA´

INSTITUTO DE CIˆENCIAS EXATAS E NATURAIS

FACULDADE DE F´ISICA

TRABALHO DE F´ISICA NUCLEAR

Bel´em-Par´a

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARA´

INSTITUTO DE CIˆENCIAS EXATAS E NATURAIS

FACULDADE DE F´ISICA

O Nˆeutron

Hugo Ara´ujo Machado

Bel´em-Par´a

1 Descoberta do Nˆeutron

Em 1930, os f´ısicos alem˜aes W. Bothe e H. Becker produziram uma radia¸c˜o muito penetrante ao bombardearem n´ucleos de 94 Be com part´ıculas α de 5, 3 M eV. Uma vez que a radia¸c˜ao podia facilmente penetrar v´arios cent´ımetros de chumbo e n˜ao era desviada por campos el´etricos e magn´eticos, supuseram que consistiam de raios altamente energ´eticos. Com a inten¸c˜ao de medir os coeficientes de absor¸c˜ao, Irene Curie-Joliot e seu marido Frederic Joliot colocaram absorventes entre a fonte de radia¸c˜ao e uma cˆamara de ioniza¸c˜ao, como : Ag, Cu e P b. Observaram que os absorventes tinham pouco e at´e mesmo nenhum efeito sobre essas radia¸c˜oes. Por´em, quando usavam absorventes ricos em hidrogˆenio (´agua, parafina,celofane) a ioniza¸c˜ao tinha maior intensidade. Ao colocarem uma chapa delgada de alum´ınio, esses raios eram absorvidos facilmente, isto os levaram a considerar que esses raios nada mais era do que raios γ e que tambem eram espalhados por pr´otons da chapa de aluminio semelhante ao efeito compton.

Figura 1: Raios γ espalhados por pr´otons semelhante ao efeito Compton.

Ent˜ao os Juliot supuseram que as part´ıculas α ao bombardearem o 94 Be produziam raios γ e que espalhados novamente por um pr´oton os raios γ adquiriam uma nova frequˆencia ν 1 , e os pr´otons desviados eram absorvidos pela chapa de alum´ınio. A vari¸c˜ao do comprimento de onda compton ´e dado por: ∆λ = (^) mhpc(1 − cosθ) (1)

onde mp ´e a massa de repouso do pr´oton. Outra forma de escreve-l´a ´e:

λ′^ − λ = (^) νc′ − (^) νc = (^) mhpc(1 − cosθ) (2)

fazendo algumas manipula¸c˜oes alg´ebricas temos:

mpc^2 (hν − hν′) = hνhν′(1 − cosθ) (3)

onde E = hν ´e a energia do f´oton incidente, E′^ = hν′^ ´e a energia do f´oton espalhado, e K = hν − hνprime^ ´e a energia transferida ao pr´oton, e a energia de repouso do pr´oton ´e mpc^2 = 938M eV. Agora escreveremos essa equa¸c˜ao como:

mpc^2 K = EE′(1 − cosθ) (4)

caso a colis˜ao seja de frente (θ = 180o), logo temos:

mpc^2 K = 2E(E − K) (5)

Da´ı e vem que a energia total do f´oton incidente deve ser:

E =^12 K

1 +^2 mpc

2 K

K

por´em, essa equa¸c˜ao s´o exige o valor positivo da raiz pois a energia deve ser positiva. Sendo assim, encontraram que a energia cin´etica dos pr´otons desviados era de 5, 7 M ev. De modo que a energia do f´oton incidente ser em torno de 55 M ev , ou seja, um valor considerado muito alto para concordar com qualquer evidˆencia experimental. Devido a isso calcularemos agora o d´eficit de massa na equa¸c˜ao:

(^42) He + 94 Be → 136 C + γ (7)

para ver quanta energia ´e liberada nessa rea¸c˜ao. Assim , a energia dispon´ıvel ser´a: onde

(^42) He = 4,002604 uam (^94) Be = 9,012186 uam Total 13,014790 uam (^136) C = 13,003354 4uam 0,011436 uam

a energia liberada ´e 0, 0114 uam em M eV ser´a de 10, 6 M eV. Por´em, o espalhamento

os feixes de nˆeutrons n˜ao s˜ao monoenerg´erticos , j´a que se produzem nˆeutrons de diferen¸ca de energias.

2.2 Part´ıculas Aceleradas

Quando o dˆeuteron de alta velocida bombardeia o tritio, produz-se nˆeutrons de acordo com: (^21) H + 31 H → 42 He + 10 n (10)

Esta rea¸c˜ao tem uma vantagem, devido conhecer-se a energia do nˆeutron emitido. J´a que um nˆeutron ´e mais r´apido que uma part´ıcula α, levar´a a maior parte da energia dispon´ıvel na rea¸c˜ao em forma de energia cin´etica e com a conserva¸c˜ao da energia e do momento a energia poder´a ser calculada a partir do angulo a qual s˜ao emitidos os nˆeutrons com rela¸c˜ao a part´ıcula incidente.

2.3 Fotodesintegra¸c˜ao

A intera¸c˜ao dos raios γ com os n´ucleos tamb´em ´e um meio para produzir nˆeutrons. A exemplo considere a rea¸c˜ao:

γ + 94 Be → 84 Be + 10 n (11)

como podemos notar ocorre um deficit de massa no sentindo negativo. Esta rea¸c˜ao ´e conhecida como rea¸c˜ao endoergica.

2.4 Rea¸c˜ao de Separa¸c˜ao

E poss´^ ´ ıvel produzir nˆeutrons altamente energ´eticos quando um dˆeuteron de alta en- ergia colide com um alvo. A energia de liga¸c˜ao do nˆeutron ao dˆeuteron ´e de 2, 2 M eV. Quando o dˆeuteron atinge o alvo, o nˆeutron ´e separado e continua viajando com uma energia cin´etica aproximadamente igual a metade da energia do dˆeuteron.

3 Detec¸c˜ao de Nˆeutrons

Devido o nˆeutron n˜ao possuir carga, ele n˜ao pode ser desviado por campos el´etricos e magn´eticos e n˜ao pode ser produzido por ioniza¸c˜ao. Os nˆeutrons n˜ao provocam flu- orencˆencia, nem produzem trajet´orias em cˆamaras de nuvem e nem nas emuls˜oes, t˜ao pouco s˜ao registradas pelos contadores Geiger. Uma forma de detectar nˆeutrons ´e atrav´es da ioniza¸c˜ao produzida por part´ıculas car- regadas criadas em uma rea¸c˜ao nuclear, quando os nˆeutrons s˜ao usados como feixes de bombardeamento. Os nˆeutrons incidentes sobre os n´ucleos de Boro produzem part´ıculas α de acordo com a rea¸c˜ao: (^10) n + 105 B → 73 Li + 42 He (12)

e as part´ıculas α s˜ao detectadas pela cˆamara de ioniza¸c˜ao e assim ela indica indiretamente a presen¸ca de nˆeutrons.

4 Captura Neutrˆonica

Um nˆeutron lento tem a probabilidade de interagir com o n´ucleo e ser absorvido, pelo processo denominado captura radioativa de nˆeutrons. A captura do nˆeutron por um n´ucleo ´e sinalizada pela emiss˜ao de raios γ, confira:

(^10) n + 2713 Al → 2813 Al + γ (13)

assim, ´e poss´ıvel detectar a presen¸ca de um nˆeutron. Nˆeutrons com energia em torno de 1, 0 M eV ir˜ao interagir com um n´ucleo provavel- mente atrav´es do processo de espalhamento at´e que sua energia diminu´a na ordem de kT , onde k ´e a constante de Boltzman e T ´e a temperatura absoluta. Os nˆeutrons com a energia da ordem kT s˜ao chamados de nˆeutrons t´ermicos.