Graduação
  1. Mecânica clássica  1.1. dinâmica  1.1.1. Movimento em uma dimensão  1.1.2. Movimento em duas dimensões  1.1.3. movimento de projétil  1.1.4. Velocidade relativa  1.1.5. Movimento circular uniforme  1.1.6. Movimento circular não uniforme  1.1.7. Sistemas de referência e transformações  1.2. Leis de Newton do Movimento  1.2.1. Primeira lei do movimento  1.2.2. Segunda lei do movimento  1.2.3. Terceira Lei do Movimento  1.2.4. Aplicações das Leis de Newton  1.2.5. Atrito e seus tipos  1.2.6. Diagrama de Corpo Livre  1.2.7. Restrições e pseudo-forças  1.3. Trabalho e Energia  1.3.1. trabalho realizado pela força  1.3.2. Teorema trabalho–energia  1.3.3. Energia Cinética  1.3.4. Energia potencial na mecânica clássica  1.3.5. Forças conservativas e não conservativas  1.3.6. Conservação de Energia  1.3.7. Potência e eficiência  1.4. Velocidade e colisões  1.4.1. Momento linear  1.4.2. Conservação do Momento  1.4.3. Impulso e força de impacto  1.4.4. Colisão elástica e inelástica  1.4.5. Centro de massa e velocidade  1.4.6. Propulsão de Foguetes  1.5. Movimento rotacional  1.5.1. Torque e Momento Angular  1.5.2. Momento de inércia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energia Rotacional  1.5.5. Movimento de Rolamento  1.5.6. Precessão e movimento giroscópico  1.6. Força gravitacional  1.6.1. Lei da gravitação universal de Newton  1.6.2. Energia potencial gravitacional  1.6.3. Mecânica orbital  1.6.4. Leis do movimento planetário de Kepler  1.6.5. Campo gravitacional e potencial  1.7. Fluid mechanics  1.7.1. Pressão e Princípio de Pascal  1.7.2. Flutuabilidade e o Princípio de Arquimedes  1.7.3. Dinâmica dos Fluidos e Princípio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidade e Lei de Poiseuille  1.7.5. Tensão superficial e capilaridade  1.8. Oscilações e ondas  1.8.1. Movimento Harmônico Simples  1.8.2. Oscilações amortecidas e forçadas  1.8.3. Oscilações acopladas e modos comuns  1.8.4. Propriedades e tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras e o Efeito Doppler  1.8.6. Interferência de ondas e superposição
  2. Eletromagnetismo  2.1. Eletrostática  2.1.1. Carga elétrica e propriedades  2.1.2. Lei de Coulomb  2.1.3. Campo elétrico e potencial elétrico  2.1.4. Lei de Gauss  2.1.5. Capacitância e Dielétrico  2.1.6. Dipolo elétrico e energia potencial  2.2. Circuitos Elétricos  2.2.1. Corrente e Resistência  2.2.2. Lei de Ohm  2.2.3. Leis de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuits de CA e Reatância  2.2.6. Energia e potência elétrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos e Forças Magnéticas  2.3.2. Lei de Ampère  2.3.3. Momento de dipolo magnético  2.3.4. Lei de Biot-Savart  2.3.5. Materiais Magnéticos e Histerese  2.4. Indução eletromagnética  2.4.1. Lei de Faraday  2.4.2. Lei de Lenz  2.4.3. Autoindução e indução mútua  2.4.4. Transformadores e circuitos indutivos  2.5. Equações de Maxwell  2.5.1. Lei de Gauss para eletricidade  2.5.2. Lei de Gauss para o magnetismo  2.5.3. Lei da indução de Faraday  2.5.4. Lei de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas eletromagnéticas
  3. Termodinâmica  3.1. Leis da Termodinâmica  3.1.1. Lei Zero da Termodinâmica  3.1.2. Primeira lei da termodinâmica  3.1.3. Segunda Lei  3.1.4. Terceira Lei  3.2. Calor e trabalho  3.2.1. Transferência de calor (condução, convecção, radiação)  3.2.2. Expansão térmica  3.2.3. Motores térmicos e refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot e eficiência  3.3. Mecânica estatística  3.3.1. Distribuição de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropia e Probabilidade  3.3.3. Função de partição  3.3.4. Estatísticas de Fermi–Dirac e Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexão e Refração  4.1.2. Espelhos e lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. Princípio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferência em óptica de ondas  4.2.2. Difração  4.2.3. Polarização  4.2.4. Coerência e holografia
  5. Mecânica quântica  5.1. Dualidade onda-partícula  5.1.1. Radiação de corpo negro na dualidade onda-partícula em mecânica quântica  5.1.2. Efeito Fotoelétrico  5.1.3. Espalhamento Compton  5.1.4. Comprimento de onda de De Broglie  5.2. Equação de Schrödinger  5.2.1. Equação de Schrödinger independente do tempo  5.2.2. Partícula em uma caixa  5.2.3. Túnel Quântico  5.2.4. Poços e barreiras de potencial  5.3. Estados Quânticos  5.3.1. Função de onda  5.3.2. Operadores quânticos  5.3.3. Princípio da incerteza de Heisenberg  5.3.4. Momento angular e spin
  6. Relatividade  6.1. Relatividade especial  6.1.1. Transformações de Lorentz  6.1.2. Expansão do tempo e contração do comprimento  6.1.3. Energia relativística e momento  6.2. Relatividade Geral  6.2.1. Princípio da Equivalência  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionais  6.2.4. Buracos negros e horizontes de eventos
  7. Física do estado sólido  7.1. Estrutura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difração de raios X  7.1.3. Teoria das bandas  7.1.4. Fónons e vibrações da rede  7.2. Propriedades Elétricas e Magnéticas  7.2.1. Condutores, Semicondutores e Isolantes  7.2.2. Supercondutividade  7.2.3. Efeito Hall
  8. Física nuclear e de partículas  8.1. Estrutura Atômica  8.1.1. Modelo Atômico  8.1.2. Energia de ligação nuclear  8.2. Radioatividade  8.2.1. Decaimento alfa, beta, gama  8.2.2. Meia-vida  8.2.3. Fissão e Fusão Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Padrão  8.3.2. Quarks e Léptons  8.3.3. antimatéria  8.3.4. Interações fundamentais
  9. Astrofísica e cosmologia  9.1. Evolução estelar  9.1.1. Formação estelar  9.1.2. Buracos negros e estrelas de nêutrons  9.1.3. Anãs brancas e supernovas  9.2. Cosmologia  9.2.1. The Big Bang Theory  9.2.2. Matéria escura e energia escura  9.2.3. Fundo cósmico de micro-ondas

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Radioatividade


Radioatividade é um aspecto fascinante e importante da física nuclear e de partículas. Refere-se à emissão espontânea de partículas ou radiação eletromagnética do núcleo de um átomo instável. Esse decaimento radioativo é um processo natural que resulta na transformação de um elemento em outro. Compreender a radioatividade fornece informações sobre as forças que mantêm os núcleos atômicos juntos e tem implicações importantes em vários campos, como produção de energia, medicina e arqueologia.

O conceito do átomo

Antes de adentrar na radioatividade, é necessário entender a estrutura do átomo. Um átomo é composto por três principais partículas:

  • Próton: Partícula carregada positivamente localizada no núcleo.
  • Nêutrons: Partículas neutras que também são encontradas no núcleo.
  • Elétrons: Partículas carregadas negativamente que orbitam o núcleo em diferentes níveis de energia.

O núcleo, que contém tanto prótons quanto nêutrons, é mantido junto pela força nuclear forte, que é suficientemente forte para superar a força eletrostática repulsiva entre os prótons carregados positivamente.

Tipos de decaimento radioativo

Existem três principais tipos de decaimento radioativo, cada um envolvendo diferentes partículas e mudanças no núcleo:

1. Decaimento alfa (α-decay)

No decaimento alfa, o núcleo emite uma partícula alfa, que consiste em dois prótons e dois nêutrons (semelhante a um núcleo de hélio). Este processo diminui o número atômico em 2 e o número de massa em 4.

^A_ZX -> ^{A-4}_{Z-2}Y + ^4_2He

Exemplo: O urânio-238 passa por decaimento alfa para se tornar o tório-234.

^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^4_2He

2. Decaimento beta (β-decay)

O decaimento beta é um processo em que o núcleo emite uma partícula beta. Existem dois tipos de decaimento beta:

  • β - decaimento: um nêutron no núcleo é convertido em um próton, e uma partícula beta negativa (elétron) e um antineutrino são emitidos. 
    ^A_ZX -> ^A_{Z+1}Y + e^- + bar{ν}_e

    Exemplo: Desintegração do carbono-14 em nitrogênio-14.

    ^{14}_{6}C -> ^{14}_{7}N + e^- + bar{ν}_e
  • β + decaimento: Um próton decai em um nêutron, liberando uma partícula beta positiva (pósitron) e um neutrinho. 
    ^A_ZX -> ^A_{Z-1}Y + e^+ + ν_e

    Exemplo: Desintegração do sódio-22 em neônio-22.

    ^{22}_{11}Na -> ^{22}_{10}Ne + e^+ + ν_e

3. Decaimento gama (γ-decay)

O decaimento gama envolve a emissão de raios gama, que são fótons de alta energia. Este processo de decaimento geralmente ocorre após um decaimento alfa ou beta, à medida que o núcleo filho se transforma em um estado de energia mais baixo.

^A_ZX^* -> ^A_ZX + γ

O decaimento gama não altera o número atômico ou o número de massa, mas sim traz o núcleo para um estado de equilíbrio de energia mais baixo.

Meia-vida e lei do decaimento radioativo

Um dos conceitos fundamentais na radioatividade é a meia-vida de um elemento radioativo. A meia-vida é o tempo necessário para que metade dos núcleos radioativos de uma amostra se desintegre.

A taxa de decaimento é descrita pela lei do decaimento exponencial:

N(t) = N_0 * e^{-λt}

Onde:

  • N(t) é o número de núcleos não desintegrados no tempo t.
  • N_0 é o número inicial de núcleos.
  • λ é a constante de decaimento.
  • t é o tempo decorrido.

A relação entre a meia-vida T_{1/2} e a constante de decaimento é dada por:

T_{1/2} = frac{ln(2)}{λ}

Esta equação mostra que a meia-vida é inversamente proporcional à constante de decaimento.

Aplicações da radioatividade

A radioatividade tem muitas aplicações em diversos campos:

1. Medicina

Isótopos radioativos são usados no diagnóstico e tratamento médico. Por exemplo, o iodo-131 é usado no tratamento de distúrbios da tireoide, e o tecnécio-99m é usado em técnicas de imagem avançadas.

2. Produção de energia

Usinas de energia nuclear utilizam o processo de fissão nuclear controlada, muitas vezes utilizando urânio-235, para produzir energia. Este processo é uma aplicação direta dos princípios do decaimento radioativo.

3. Arqueologia

A datação por radiocarbono usa o decaimento radioativo do carbono-14 para determinar a idade de materiais orgânicos. Este método é essencial para determinar a idade de artefatos antigos e fósseis.

Visualização do decaimento radioativo

Vamos representar visualmente um modelo simplificado de decaimento radioativo usando formas e setas:

Núcleo pai Partículas Alfa Núcleos Filhos

Este diagrama simplificado mostra como durante o decaimento alfa o núcleo pai reage para formar um núcleo filho e uma partícula alfa.

Questões de segurança e resíduos radioativos

A radioatividade às vezes libera energia por um curto período, o que pode apresentar riscos potenciais à saúde. Manipular materiais radioativos requer seguir rigorosos protocolos de segurança para prevenir exposição e contaminação.

Resíduos radioativos são outra preocupação séria, especialmente na produção de energia nuclear. O armazenamento e descarte seguros desses resíduos são essenciais para proteger o meio ambiente e a saúde pública. Cientistas estão constantemente trabalhando em melhores maneiras de gerenciar e reduzir os perigos associados aos resíduos radioativos.

Conclusão

A radioatividade desempenha um papel vital na compreensão do mundo subatômico e tem muitas aplicações práticas que beneficiam a sociedade. Aproveitar o poder do decaimento radioativo de forma segura e eficaz continua sendo uma área dinâmica de pesquisa na física nuclear e de partículas, apresentando tanto desafios quanto oportunidades para avanços na tecnologia e na ciência.


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