Física Atômica e Nuclear: conceitos e aplicações

A Física Nuclear e a Física Atômica são as áreas da Física mais desenvolvidas atualmente, devido a sua vasta aplicabilidade nas áreas da saúde, da engenharia, do clima, da produção de energia, entre tantas outras. Por isso, devemos ter cuidado e trabalhar este conteúdo para sua prova do ENEM, mesmo que a incidência dele não seja constante.

Definimos a Física Nuclear como sendo o estudo do átomo de forma mais geral, investigando as interações do núcleo atômico e seus principais fenômenos, como decaimento radioativo, fissões e fusões nucleares. 

Por essa razão, nosso estudo também considera a estrutura atômica apresentada pela mecânica quântica, levando em consideração todo o formalismo matemático necessário para o desenvolvimento das teorias.

O que é Física Nuclear

A Física Nuclear tem como principal objeto de estudo os fenômenos físicos dos núcleos atômicos (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, assim como as aplicações da energia nuclear em tratamentos médicos, desenvolvimento de tecnologias para a detecção de radiação, novas fontes de energia, etc.

As aplicações no campo das tecnologias podem ser observadas nos  processos industriais, explorações astronômicas, eficiência energética, etc. 

Conceitos da Física Nuclear

A Física Nuclear tem como objetivo investigar e estudar o núcleo atômico e suas propriedades. Podemos classificar essas propriedades de duas maneiras:

• Dinâmica: reações nucleares, radioatividade, estados excitados, etc. 
• Estática: energia de ligação, tamanho, carga, forma, massa, etc.

Quando os físicos nucleares descobriram que os nucleons são sistemas compostos, seus interesses passaram a ser a pesquisa dos graus de liberdade dos quarks.

A construção de toda esta estrutura nasceu da ideia principal do átomo e, a partir dela, dos modelos atômicos montados desde a antiguidade até os dias atuais, passando por Dalton, Thompson, Rutherford, Bohr, entre outros. 

O que estuda a Física Nuclear

Com isso, o estudo das interações fundamentais entre a Física Nuclear e a Física de Partículas surgiu, tendo como destaque as interações como a gravitacional, eletromagnética, nuclear fraca e forte.

• A interação gravitacional é aquela que ocorre devido a massa dos corpos, sendo a mais fraca entre elas, ocorre ao longo alcance e através da atração, sendo construída principal pela mecânica newtoniana;
• A interação eletromagnética ocorre devido às cargas elétricas, propriedade intrínseca da matéria, gerando uma vasta de fenômenos eletromagnéticos;
• A interação nuclear fraca é a que ocorre no processo de decaimento atômico;
• A interação nuclear forte é aquela que mantém o núcleo atômico reunido, com a interação entre os quarks e glúons.

Principais Teorias da Física Nuclear

Diante deste contexto, apresentamos também a evolução do princípio da conservação que, com Einstein, foi generalizado na famosa expressão: 

E = m.c²

onde massa e energia são conservadas. 

A partir da evolução dessa teoria foi creditado a Einstein a culpa da construção e dos danos gerados pelas bombas atômicas, já que, a partir dos estudos e desdobramentos de sua equação, a ciência bélica avançou consideravelmente. Contudo, Einstein nunca participou diretamente do projeto da bomba.

Para um melhor entendimento sobre as bombas atômicas, podemos definir que processo de fissão nuclear é dado quando forçamos uma divisão de átomos mais leves, liberando energia e um nêutron. 

Já no processo de fusão nuclear, a colisão de dois átomos tem o objetivo de formar um terceiro, também liberando energia.

História da Física Nuclear

Os estudos da Física Nuclear iniciaram-se a partir da descoberta da radioatividade feita pelo físico francês Antoine Henri Becquerel, em 1896. 

A partir disso, a Física Nuclear foi se desenvolvendo e passando por várias teorias e figuras importantes como o químico e físico Ernest Rutherford, o físico dinamarquês Niels Bohr e muitos outros.

Destacamos ainda outras duas figuras essenciais para o desenvolvimento da Física Nuclear: Marie Currie e seu esposo, Pierre Currie. 

Juntos, eles descobriram que os “raios urânicos” também podiam ser emitidos por elementos como o Tório, por exemplo. Além disso, eles fizeram a descoberta de dois novos elementos radioativos: Polônio e Rádio.

Física Nuclear na saúde

Por meio da chamada “medicina nuclear”, a Física Nuclear possibilitou o surgimento de tecnologias de grande impacto à saúde humana. 

Exames de imagens com diferentes tipos de radiação e partículas, tratamentos oncológicos por aceleradores de partículas ou fontes naturais de radiação (césio-137, iodo-131, entre outros) etc.

Física Nuclear e meio ambiente

No meio ambiente os problemas que podem ser gerados a partir da Física Nuclear vão desde vazamentos nas usinas, com o risco de acidentes e exposição de material radioativo, lixo atômico no meio ambiente etc.

Física Nuclear e indústria

Já nas indústrias, muitas técnicas derivadas da Física Nuclear passaram a ser usadas para aumentar a eficiência dos processos industriais.

Um exemplo disso são os detectores usados para determinar a composição de materiais semicondutores, utilizados como matéria-prima para chips de computadores, celulares e até simples conexões elétricas. 

Física Nuclear e Produção de energia elétrica

Outra área muito importante de aplicação da Física Nuclear é a produção de energia, já que, atualmente, 11% da energia elétrica global é produzida por, aproximadamente, 450 reatores nucleares. 

As usinas nucleares realizam reações em cadeia com elementos como o radioisótopo, urânio-238. Esses elementos emitem ondas eletromagnéticas que elevam a temperatura e a pressão da água nos reatores. Quando essa água é liberada, uma grande turbina (dínamo) é acionada, gerando corrente elétrica.

Física Nuclear no Enem

Na nossa prova do ENEM, os assuntos principais que podem ser cobrados na prova de Ciências da Natureza são os de fissão e a fusão nuclear. Veja o exemplo:

ENEM 2016

A telefonia móvel no Brasil opera com celulares cuja potência média de radiação é cerca de 0,6 W. Por recomendação do ANSI/IEEE, foram estipulados limites para exposição humana à radiação emitida por esses aparelhos. Para o atendimento dessa recomendação, valem os conselhos: segurar o aparelho a uma pequena distância do ouvido, usar fones de ouvido para as chamadas de voz e utilizar o aparelho no modo viva voz ou com dispositivos bluetooth. Essas medidas baseiam-se no fato de que a intensidade da radiação emitida decai rapidamente conforme a distância aumenta, por isso, afastar o aparelho reduz riscos.

COSTA, E. A. F Efeitos na saúde humana da exposição aos campos de radiofrequência. Disponível em: www.ced.ufsc.br. Acesso em: 16nov. 2011 (adaptado).   Para reduzir a exposição à radiação do celular de forma mais eficiente, o usuário deve utilizar   a) fones de ouvido, com o aparelho na mão.

b) fones de ouvido, com o aparelho no bolso da calça.

c) fones bluetooth, com o aparelho no bolso da camisa.

d) o aparelho mantido a 1,5 cm do ouvido, segurado pela mão.

e) o sistema viva voz, com o aparelho apoiado numa mesa de trabalho.   Considerando que a intensidade da radiação decai com distância aumenta o item que apresenta o menor risco

Item: e