Radiotividade - Decaimento Beta

Espectroscopia Beta


Introdução
O decaimento radioativo mais simples é a emissão de raios gama, que representam uma transição nuclear de um estado excitado para um estado de mais baixa energia.
Radiação pode ser separada por campos magnéticos e elétricos:
Interação com a matéria:

·         α e β interagem fortemente com a matéria, curto alcance
·         γ radiação muito penetrante.

Em 1914, James Chadwick foi o primeiro a observar experimentalmente, através de medidas realizadas com espectrômetros magnéticos, que os núcleos podiam emitir elétrons. Essas primeiras observações levaram a crer que os elétrons fossem, assim como os prótons, os constituintes do núcleo, o que mais tarde foi refutado com a descoberta do nêutron. Trata-se, a exemplo do decaimento alfa, de um processo de transição radioativa entre estados instáveis de alguns núcleos com a emissão de elétrons de alta energia, o qual foi denominado decaimento beta. A teoria inicial do decaimento beta tinha sérios problemas, pois não dava conta do espectro de energia observado experimentalmente e que não podia ser comportado por um único elétron.
Em 1930, Wolfgang Pauli postulou a existência do neutrino, outra partícula que também era emitida no decaimento, sem carga e sem massa e spin 1/2; a existência de uma partícula desprovida de massa, de carga nula e momento de spin 1/2 era necessária para a preservação dos princípios de conservação de energia e momento angular. Uma teoria mais precisa só foi proposta em 1934 por Enrico Fermi, na qual se chegou à conclusão de que se tratava de um novo tipo de interação, a interação fraca.
Anos mais tarde essa teoria foi aprimorada com os trabalhos de R. Feynman e M. Gell-Mann , sendo utilizado na descrição da interação de Fermi um tratamento relativístico coerente a partir da equação de Dirac. No interior do núcleo, o decaimento beta pode ser expresso pelas seguintes reações:




As equações mostram o decaimento beta positivo e negativo com a emissão de um pósitron e um neutrino ou a emissão de um elétron e um anti-neutrino, respectivamente.
As partículas β são selecionadas no espectroscópio β com base na sua energia obrigando-os a seguir uma órbita fixa usando diafragmas em um campo magnético homogêneo.

Nessa órbita a força de Lorentz, devido ao campo magnético cruzado, e a força centrífuga estão em equilíbrio. Fazendo com que pelo módulo do campo magnético, um tipo de partícula B definida pelo sua energia seja escolhida e direcionada ao detetor. Com um raio conhecido, é possível fixar a energia de uma partícula para cada intensidade de corrente que está relacionada com a intensidade do campo magnético.


Aparato e parte experimental:

·         O experimento consiste em uma liberação radioativa através de duas fontes (Na-22 e Sr-90).
·         O aparato é composto por um contador, uma bobina, um medidor de campo magnético, um disco metálico de raio conhecido e uma fonte de tensão.
·         Primeiro coloca-se uma das fontes ligadas ao disco metálico.
·         Em seguida coloca-se o contador conectado ao outro lado do disco.
·         Conectam-se os cabos ligando os a fonte para que gere uma corrente tal que possa ser medido o campo magnético e ajustado para uma certa intensidade fazendo a escolha das partículas de decaimento por causa da energia que elas serão liberadas da fonte radioativa.
·         Em monta-se uma tabela com três valores de contagem fazendo a média entre eles.
·         Após feito, repete-se todo o experimento para a segunda fonte. 

Dados Experimentais:

Decaimento β
Raio da orbita (m) =
0,05
c (m/s) =
2,99E+08
Elemento: Estrôncio (Sr)
me (Kg)=
9,109E-31
 Carga e (C) =
1,60E-19
I (A)
B (mT)
Contagem média (Δt)
1ª Contagem
2ª Contagem
3ª Contagem
Energia (KeV)
0,0517
7,92
39,3
42
33
43
1,357E+01
0,1224
14,77
68,7
70
64
72
4,576E+01
0,1658
19,08
67,3
71
67
64
7,436E+01
0,28
31,3
115,7
106
134
107
1,821E+02
0,5
53,7
249,3
248
249
251
4,409E+02
0,67
71,2
313,3
303
316
321
6,698E+02
0,87
94,6
297,7
295
293
305
9,925E+02
0,97
107,7
269,0
248
276
283
1,178E+03
1,11
125,1
238,0
234
239
241
1,427E+03
1,22
135
196,7
201
192
197
1,570E+03
1,43
156,5
127,7
125
134
124
1,882E+03

Elemento: Sódio (Na)
mp (Kg)=
1,67E-27
 Carga e (C) =
1,60E-19
I (A)
B (mT)
Contagem média (Δt)
1ª Contagem
2ª Contagem
3ª Contagem
Energia (KeV)
0,0518
-6,78
84,0
84
82
86
5,49E-03
0,1536
-15,51
115,7
121
115
111
2,87E-02
0,2100
-27,40
168,3
165
168
172
8,96E-02
0,2900
-35,50
177,3
176
183
173
1,50E-01
0,3400
-41,00
188,7
188
200
178
2,01E-01
0,4700
-52,90
138,0
125
147
142
3,34E-01
0,6400
-72,60
76,3
77
70
82
6,29E-01
0,7700
-84,70
41,3
44
37
43
8,56E-01
0,8800
-98,30
44,7
31
59
44
1,15E+00
0,9600
-106,30
47,0
42
55
44
1,35E+00
1,0800
-120,10
39,0
38
44
35
1,72E+00
1,1600
-129,10
45,7
43
52
42
1,99E+00
1,2600
-140,20
46,0
43
50
45
2,35E+00
1,2800
-144,70
46,0
42
50
46
2,50E+00
1,3700
-152,90
41,3
46
42
36
2,79E+00

                Gráficos:

Estrôncio

Sódio


                Discussão dos resultados:
Como na teoria observamos que o elemento Estrôncio apresenta uma energia frequente maior (~750KeV), enquanto o sódio apresenta a energia de frequência menor (~250KeV). Claro que esses gráficos não apresentam dados ideais devido ao experimento não ter sido realizado de com dados refinados e também por não possuir grande controle na trajetória das partículas, dependendo de um tratamento estatístico para obter valores mais precisos.

                Já para os gráficos de energia por campo elétrico é observada uma plotagem característica desse tipo de plotagem, sendo bem aproximado da teoria. Verificamos também que eles apresentação simetria se colocado lado a lado o gráfico do estrôncio com gráfico do sódio. No caso do estrôncio o campo magnético aumenta conforme o campo magnético porque neste caso estamos lidando com partículas negativas chamadas elétrons. Já para o sódio o campo magnético aumenta conforme o campo magnético diminui porque neste caso estamos lidando com partículas positivas chamadas pósitrons.

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Este blog é produzido pelos alunos da matéria experimental de quântica com o intuito demonstrar através de alguns experimentos e discussões a beleza da natureza quântica. by: Victor, Bruno

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