Física nuclear, descubra o que é e o que estuda esse ramo da física moderna

A física nuclear é o ramo da física que investiga os processos que ocorrem nos núcleos atômicos . Estuda as propriedades, as interações entre elas e as aplicações que podem ter em diferentes campos da ciência, como tecnologia ou biologia.

A física nuclear é usada em usinas nucleares em todo o mundo para gerar energia e fornecer eletricidade a grandes cidades. Fenômenos derivados da física nuclear, como a radioatividade, também podem ser usados ​​na biologia para rastrear as moléculas dentro do organismo e entender melhor como funciona o nosso metabolismo.

A física nuclear moderna investiga inúmeras áreas e aspectos do núcleo atômico e suas interações. Algumas das principais áreas e tópicos incluem:

As primeiras investigações sobre as propriedades dos núcleos foram realizadas por Henri Becquerel, Marie Curie e Pierre Curie. com o estudo da radioatividade presente na natureza.

Alguns anos depois, Niels Bohr propôs o modelo atômico que descrevia como os átomos eram constituídos por um núcleo composto de nêutrons e prótons e várias camadas externas de partículas carregadas negativamente chamadas elétrons.

Na década de 30 do século passado Irène Juliot-Curie e Jean Frédéric Joliot-Curie descobriram a radioatividade artificial bombardear boro e alumínio com partículas alfa para gerar átomos instáveis ​​de nitrogênio e fósforo.

A física nuclear foi finalmente definida com a descoberta da fissão nuclear pelos cientistas alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann, usada em usinas nucleares para geração de energia e em armas nucleares durante guerras.

Radioatividade é a perda de energia de um núcleo atômico instável. Essa energia pode ser uma partícula ou radiação eletromagnética. Podemos dividir os tipos de radiação em radiação alfa, radiação beta e radiação gama.

Partículas alfa são núcleos de hélio que são compostos de dois prótons e dois nêutrons. A capacidade de penetração deste tipo de radiação é pequena.

Existem dois tipos de partículas na radiação beta. As partículas liberadas podem ser elétrons e pósitrons. A emissão de elétrons vem do decaimento do nêutron de um núcleo atômico instável em um próton, um elétron e um antineutrino.

O outro tipo é o decaimento de pósitrons, onde um próton se transforma em nêutron, pósitron e neutrino.

As partículas beta são mais penetrantes que as partículas alfa, mas não tão penetrantes quanto a radiação gama.

A radiação gama, ao contrário das duas anteriores, não emite partículas fermiônicas, mas sim radiação eletromagnética (fótons).

É o mais penetrante dos 3 e é capaz de atingir o núcleo das células, afetando seu material genético e proteínas.

As partículas gama são capazes de ionizar a matéria interagindo com ela através de processos como o efeito fotoelétrico ou o efeito Compton.

A fissão nuclear é a parte da física nuclear que estuda a divisão de um núcleo atômico em subprodutos.

A partir desta fissão, é liberada radiação alfa ou gama, além de uma enorme quantidade de energia.

Este processo nuclear pode ser induzido por vários métodos. Uma partícula, geralmente um próton, colide com a energia apropriada de modo que outro núcleo atômico se torna instável.

Este novo núcleo instável fragmenta e liberta outros neutrões que, por sua vez, desestabilizarão mais núcleos atómicos.

Este é um processo em cadeia e é a base para a obtenção de energia nas usinas nucleares e na grande energia liberada pelas bombas atômicas.

A fusão nuclear é o processo pelo qual vários núcleos atômicos se unem para formar um novo núcleo atômico.

Esta fusão libera grandes quantidades de energia. Para chegar a este ponto, é necessária muita energia para superar a repulsão eletromagnética entre os prótons e conseguir aproximá-los a uma distância suficiente para que a interação nuclear forte comece a agir.

A fusão nuclear ocorre dentro de estrelas como o Sol, onde o hidrogênio se funde para gerar hélio. Isso acontece graças às altas temperaturas atingidas no interior das estrelas.

Esses tipos de reações são chamadas de reações termonucleares.

Todos os fenômenos que ocorrem na física nuclear são devidos às duas forças que atuam dentro do núcleo do átomo: a interação nuclear fraca e a interação nuclear forte.

A força nuclear fraca é responsável pela ocorrência de fenômenos como o decaimento radioativo. Na teoria quântica de campos, essa força que causa o decaimento nuclear é consequência da troca dos bósons W e Z.

A força nuclear forte ou interação forte é o que mantém os nêutrons e prótons firmemente ligados no núcleo do átomo.

Tem que ser forte o suficiente para superar a repulsão gerada pelas cargas dos prótons.

Segundo a teoria quântica de campos, essa interação ocorre graças à troca de bósons chamados glúons.

O Lagrangiano que descreve o campo de glúons é um campo de calibre com simetria SU(3) interna. Como diz o princípio de Noether, as simetrias têm uma magnitude conservada associada a elas e neste caso esta magnitude é chamada de carga de cor.

Cada quark possui uma carga de cor diferente (vermelho, azul ou verde). Quando se unem para formar um próton ou nêutron, a cor resultante da união deve ser sempre branca (magnitude conservada e invariante).