Material_de_apoio_AULA_DE_RADIOATIVIDADE[1]

Prévia do material em texto

RADIOATIVIDADE
QUÍMICA PARA ENGENHARIA
Prof. Emmanuel Lima
A natureza do núcleo
• A descrição de um determinado núcleo é dada em 
termos de seu número atômico Z e de seu número 
de massa A, que é a soma de seus nêutrons e 
prótons.
A = Z + N
Representação simbólica dos núcleos
A estrutura do núcleo
O número atômico identifica um elemento químico, 
comandando seu comportamento em relação aos outros 
elementos. O elemento natural mais simples, o hidrogênio, 
possui apenas um próton; o mais complexo, o urânio, tem 92 
prótons, sendo o elemento químico natural mais pesado.
Isótopos
O número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles 
não têm carga elétrica. Com isso, um mesmo elemento 
químico pode ter massas diferentes. Átomos de um mesmo 
elemento químico com massas diferentes são denominados 
isótopos.
O hidrogênio tem 3 isótopos: o hidrogênio, o deutério e o 
trítio.
O urânio, que possui 92 prótons no núcleo, existe na 
natureza na forma de 3 isótopos:
• U-234, com 142 nêutrons (em quantidade desprezível);
• U-235, com 143 nêutrons, usado em reatores PWR, 
após enriquecido (0,7%);
• U-238, com 146 nêutrons no núcleo (99,3%).
Isótopos
Faixa de estabilidade dos isótopos
Não há isótopos estáveis para 
elementos de número atômico maior 
que 83 (Bi)!
Isótopos instáveis se decompõem 
espontaneamente através de uma 
reação nuclear denominada decaimento 
radioativo ou radioatividade!
PROPRIEDADES GERAIS DO NÚCLEO
O tamanho do núcleo
O experimento utilizado por Rutherford (dispersão de partículas por núcleos) foi a base 
de numerosas experiências para determinar o tamanho do núcleo. Algumas destas 
experiências se constituíram na dispersão de nêutrons de alta energia, quando se 
comprovou que o raio dos núcleos são proporcionais a raiz cúbica do número de 
núcleos, isto é,
R = r
o
A
1/3
onde R = raio do núcleo; A = número de núcleos; r
o
~ 1,2.10
-13
cm (esse valor depende, 
de certa forma, do tipo de experiência). Logo, o volume de um átomo é proporcional ao 
número de núcleos que o constituem.
As medidas das massas e raios nucleares conduziram a resultados surpreendentes 
sobre a densidade dos núcleos, obtendo-se valores tais como: bilhões de toneladas por 
polegada cúbica!!!
PROPRIEDADES GERAIS DO NÚCLEO
Energia potencial de uma partícula alfa 
em função da sua distância ao centro do 
núcleo.
Energia potencial de um nêutron em 
função da sua distância ao centro do 
núcleo.
A Energia de Ligação e Forças Nucleares
É um fato comprovado que ao comparar as massas dos núcleos dos átomos com a 
soma das massas dos prótons e nêutrons que os constituem, sempre existe uma 
pequena diferença. A massa do núcleo é menor que a soma das massas das partículas 
que o constituem. Esta diferença de massa é liberada na forma de energia ao formar-se 
o núcleo, de acordo com a equação de Einstein (equivalência massa energia): E = mc2.
Definiremos a energia de ligação do núcleo como a energia que deve ser cedida ao 
núcleo para rompe-lo nas partículas que o constituem. Se indicarmos por M a massa do 
núcleo, m
p
a massa do próton, m
n
a massa do nêutron, a energia de ligação será dada 
por:
E
ligação
= (Zm
p
+ Nm
n
- M) c
2
onde Z é o número de prótons e N é o número de nêutrons.
Podemos escrever esta expressão da seguinte forma:
E
ligação
= (ZM
hidrogênio
+ Nm
n
- M
átomo
).c
2
onde M
hidrogênio
= Z (m
p
+ m
e
); M
átomo
= massa do núcleo + massa dos elétrons.
PROPRIEDADES GERAIS DO NÚCLEO
A energia de ligação é devida a dois tipos de forças: as forças nucleares que mantém 
as partículas dos núcleos unidas e as devidas as forcas eletrostáticas repulsivas entre 
os prótons.
PROPRIEDADES GERAIS DO NÚCLEO
As forças nucleares, de 
curto alcance (2.10
-13
cm), 
são extraordinariamente 
intensas e sempre de 
atração, capazes de manter 
os nucleons ligados: 
nêutrons a prótons, prótons 
a prótons e nêutrons a 
nêutrons.
Radioatividade
O esquecimento de uma rocha de urânio sobre um filme fotográfico virgem 
levou à descoberta de um fenômeno interessante: o filme foi velado 
(marcado) por “alguma coisa” que saía da rocha, na época denominada 
raios ou radiações. Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter 
excesso de partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas 
partículas ou ondas eletromagnéticas.
Radioatividade
Radioatividade
O alcance das partículas alfa é muito pequeno, o que faz que elas sejam facilmente 
blindadas. Uma folha fina de alumínio barra completamente um feixe de partículas de 5 MeV. 
A inalação ou ingestão de partículas alfa é muito perigosa!
ThHeU
234
90
4
2
238
92 +→
Radioatividade
Tem maior penetração que as partículas alfa. Se um emissor beta é ingerido, como 
acontece nos casos de diagnóstico e terapêutica, os efeitos são muito mais extensos.
PaeTh
234
91
0
1
234
90 +→−
Radioatividade
As substâncias radiativas emitem continuamente calor e têm a capacidade de ionizar o ar e
torná-lo condutor de corrente elétrica. A radiação gama tem um poder de penetração muito 
grande e sua emissão é obtida pela maioria dos nuclídeos radioativos habitualmente 
empregados. Quando a fonte de material radioativo for beta ou gama é necessário colocação 
de uma barreira entre o operador e fonte.
Radioatividade
Velocidade de decaimento radioativo
A velocidade de decaimento de um material radioativo pode ser medida 
contando-se o número de partículas liberadas por unidade de tempo.
Lei de velocidade de 1ª ordem
“A velocidade de decaimento é diretamente proporcional à quantidade de 
isótopo radioativo”.
30,2
log
0
10
kt
X
X
=
2/1
693,0
t
k =
onde:
X
0
= quantidade de material radioativo no tempo zero;
X = quantidade de material após o tempo t;
t
1/2
= tempo de meia vida;
k = constante de primeira ordem.
kt
eXX
−
⋅= 0onde:
Velocidade de decaimento radioativo
Desintegração (decaimento) 
de uma amostra com N
0
átomos iniciais.
2
mcE ∆=∆
Relação Massa-Energia:
Aplicações - Exemplos
Idade de Rochas: 
 
eHePbU
0
1
4
2
206
82
238
92 68 −++→ 
9
2/1 105,4 ⋅=t anos (rocha que contém urânio) 
 
Idade de material orgânico: 
 
HCn�
1
1
14
6
1
0
14
7 +→+ Produção do carbono-14 
 
O carbono-14 se incorpora ao CO2 na proporção de 1:10
12
 carbono-12 (planta viva) 
 
e�C
0
1
14
7
14
6 −+→ 57202/1 =t anos A relação C-14/C-12 cai (planta morta) 
 
Aplicações - Exemplos
Fissão �uclear: 
 
 nCsRb 10
144
55
90
37 2++ 
 
→+ Un
235
92
1
0 nLaBr
1
0
146
57
87
35 3++ 
 
 nSmZn 10
160
62
72
30 4++ 
 
Para o rubídio-90 atingir a estabilidade são necessárias 3 etapas: 
 
eSrRb
0
1
90
38
90
37 −+→ t1/2 = 2,8 min 
 
eYSr
0
1
90
39
90
38 −+→ t1/2 = 29 anos 
 
eZrY
0
1
90
40
90
39 −+→ t1/2 = 64 horas 
Fusão �uclear: 
 nHeHH 10
4
2
3
1
2
1 +→+ 
HeHH
4
2
2
1
2
1 →+ ou em duas etapas: HeLiH
4
2
6
3
2
1 2→+ 
HHenLi
3
1
4
2
1
0
6
3 +→+ 
FIM