A física nuclear é uma área de pesquisa com grande relevância para a compreensão das leis da natureza. Tem como objetivos estudar a estrutura dos núcleos atômicos, bem como os mecanismos de reações nucleares.
Os conhecimentos adquiridos em física nuclear resultam em uma grande variedade de aplicações práticas, como em: produção de energia elétrica (em usinas nucleares), esterilização de alimentos ou embalagens (por irradiação), engenharia de materiais (identificando a composição de materiais por irradiação ou modificando suas propriedades por implantação de íons), na indústria de petróleo (onde técnicas nucleares são utilizadas para a caracterização de biodiesel e estudos de estabilidade do fundo oceânico), medicina nuclear (tanto em diagnóstico, através de raios X, ressonância magnética, etc, como em terapias, como tratamento de câncer por irradiação de prótons), etc.
Além disso, os conhecimentos de física nuclear são utilizados em pesquisas relacionadas a outras áreas, como em: arqueologia (por exemplo, através de datação por radiocarbono), botânica (por exemplo, usando elementos radioativos como marcadores), arte (por exemplo, utilizando radiação para determinar os elementos presentes em uma obra), agricultura (criando novas variedades de plantas melhoradas por processo de mutação), telecomunicações (na investigação de danos de radiação em satélites), etc.
A importância da física nuclear para o conhecimento básico da natureza e a ampla gama de aplicações práticas, a torna uma área de extrema relevância estratégica para o país. Assim, a formação de recursos humanos na área de física nuclear é de grande importância para que o Brasil continue a dominar a tecnologia. Estudantes trabalhando em laboratórios instalados em universidades, especializam-se através de um conjunto de atividades relacionadas com a física nuclear.
Cada núcleo atômico contém certos números de prótons e de nêutrons. Chamamos de estrutura nuclear a forma como esses prótons e nêutrons se distribuem no núcleo. No seu estado fundamental, um núcleo atômico pode ser permanentemente deformado (ou seja, tem uma forma fixa, não esférica), ou pode vibrar (sua forma varia no tempo). Além disso, um mesmo núcleo pode existir em diferentes estados (correspondentes aos diferentes níveis de energia). A estrutura nuclear determina as propriedades do núcleo.
No campo de reações nucleares, procura-se entender o que ocorre numa colisão entre dois núcleos atômicos. Vários processos podem resultar dessas colisões. Um deles é o espalhamento elástico, onde os núcleos que emergem da colisão são os mesmos que inicialmente colidiram, sendo que existe conservação de energia cinética. Outro possível processo é o espalhamento inelástico. Aqui, de novo os núcleos emergentes são os mesmos dos iniciais, mas não há conservação da energia cinética. Isso ocorre porque um (ou os dois) núcleo muda de estado, variando a sua energia interna. Um terceiro processo ocorre através de reações de transferência. Nesse processo, um próton, ou um nêutron, ou mesmo um grupo deles são transferidos de um núcleo para outro. Ocorre, assim, uma transmutação de elementos químicos. Outro importante processo é o da fusão nuclear, quando os dois núcleos que colidem se fundem, tornando-se um único núcleo, que eventualmente pode “evaporar” partículas e raios gama. Além desses, outros processos ainda podem ocorrer, como por exemplo, o processo de quebra, onde um núcleo se parte em dois ou mais pedaços ao colidir com o outro.
Linhas de Pesquisa
Nosso grupo realiza pesquisas tanto no campo de estrutura nuclear, como em reações nucleares. De fato, esses dois campos são interligados, pois as propriedades estruturais dos núcleos influem fortemente na forma como eles reagem com outros núcleos. Temos dado contribuições tanto teóricas como experimentais nessas áreas de pesquisa.
No campo teórico, temos desenvolvido modelos novos e aprimorado modelos existentes, de forma a descrever a estrutura dos núcleos, a interação (força) nuclear entre dois núcleos que colidem, e os mecanismos envolvidos nos diferentes processos de reação.
No campo experimental, temos utilizado o acelerador Pelletron, do Laboratório Aberto de Física Nuclear (LAFN) do IFUSP, para realizar experimentos científicos. Nessas experiências, um feixe contendo núcleos atômicos acelerados no Pelletron colide com um alvo constituído de outro tipo de núcleos. Os núcleos que emergem dessas colisões são detectados utilizando algum sistema de detecção. Desta forma, medimos reações de espalhamento elástico, espalhamento inelástico, transferência, fusão e quebra. Os resultados dos experimentos são comparados com previsões de modelos teóricos, o que permite confirmar (ou não) as previsões, obtendo informações que possibilitam aprimorar esses modelos.
Medidas de diferentes processos normalmente necessitam de diferentes equipamentos de detecção. Assim, nosso grupo também desenvolve e aprimora os sistemas de detecção que são utilizados em nossos experimentos. Atualmente, possuímos instrumentação nuclear suficiente para realizar diversos experimentos no LAFN, de forma a obtermos medidas para diferentes processos de reação.
Nosso arranjo experimental é composto por uma câmara de espalhamento, na canalização 30B do LAFN, onde se encontram dois sistemas de detecção de partículas, conhecidos como: SATURN (Silicon Array & Telescopes of USP for Nuclear Reactions and Nuclear applications) e STAR (Silicon Telescopes Array for Reactions). O SATURN é formado por até 18 detectores de barreira de superfície, montados em dois suportes distintos. Em um dos suportes, os detectores são montados em um prato giratório, a cada 5o, cobrindo uma região angular total de 40o. No outro suporte, os detectores são montados de maneira fixa na base da câmara, a cada 10o, cobrindo uma região angular de 80o. O sistema STAR é composto por 3 detectores E-ΔE (telescópios). Um deles é formado por um detector com espessura de 20 μm, com 16 strips verticais (ΔE), e um detector de 500 μm (E). Outros dois são compostos por detectores de 40 μm, com 16x16 strips (ΔE), seguidos de detectores com espessura de 1000 μm (E). Esse sistema é frequentemente utilizado para separar diferentes produtos de reação, uma vez que cada partícula, ao incidir no telescópio, perde uma fração da sua energia no primeiro detector (ΔE), e o restante no segundo (E). Isso permite identificar o número de prótons do núcleo detectado.
Fotos do interior da câmara de espalhamento localizada na canalização 30B do LAFN podem ser vistas na figura abaixo. No lado esquerdo da figura, é possível visualizar a montagem experimental em 2016, onde apenas parte do sistema SATURN existia. Além disso, é possível visualizar também a torre de alvos e o colimador instalado na entrada da câmara. No lado direito da figura, é possível visualizar o sistema SATURN em sua versão completa, além de parte do sistema STAR. Esse é o arranjo experimental disponível em 2018.
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| Fotos de sistemas de detecção na câmara de espalhamento da canalização 30B do LAFN. |
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Os pulsos dos detectores são processados por um conjunto de módulos eletrônicos (veja figura abaixo) e resultam em espectros a serem analisados fora de linha. Esses espectros podem variar dependendo do tipo de experimento (veja um exemplo na figura abaixo).
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| A figura mostra parte da câmara e da eletrônica modular montados na canalização 30B do LAFN. |
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| Espectro de contagens como função da energia, obtido na reação 10B + 120Sn. É possível observar picos correspondentes aos processos de espalhamento elástico, espalhamento inelástico (com excitação de projétil ou alvo) e transferência de um nêutron do 120Sn para o 10B (que se torna 11B). |
