Estrutura Atômica e Radioatividade

Prévia do material em texto

1 
1 
 
CAPÍTULO 6 - PARTE 2 
 
CONCEITOS DE FÍSICA QUÂNTICA E NUCLEAR 
 
 
6.3. ESTRUTURA ATÔMICA, RADIAÇÃO E RADIOATIVIDADE 
 
 
Toda a matéria do mundo ao nosso redor consiste de átomos. Estes são os 
blocos básicos da construção dos elementos tais como hidrogênio, oxigênio, 
hélio, carbono, ferro, chumbo e uranio. Como foi visto no cap. 4, cada átomo 
contém um núcleo positivamente carregado, onde se concentra a maior parte da 
massa do átomo, envolvidos por uma nuvem de elétrons carregados com cargas 
elétricas negativas que se movem em torno do núcleo. Os núcleos ocupam um 
espaço de cerca de 10.000 vezes menores do que as nuvens de elétrons, e os 
elétrons por sua vez são muito menores. Isto significa dizer que embora muito 
pequenos, invisíveis a olho nu ou mesmo de posse de potentes microscópios, os 
átomos, ironicamente falando estão cheios de espaços vazios. 
Para conhecer melhor a estrutura de um átomo, Ernest Rutherford sugeriu 
um experimento ilustrado nas Fig. 6-7 e Fig. 6-8, no qual as partículas- (alfa) 
foram atiradas em uma fina folha de ouro. Detectores foram usados para 
encontrar como as partículas- foram espalhadas pelo átomo de ouro: algumas 
partículas- foram espalhadas de volta na direção da fonte. Mais ou menos 
como disparar uma metralhadora no papel de seda e descobrir que algumas das 
balas saltam de volta. 
Em 1911, Rutherford mostrou que isto poderia ser explicado se cada átomo 
tem um núcleo minúsculo ou núcleo com uma carga positiva. Um núcleo 
positivo repele as partículas- de modo que eles são espalhados em direções 
diferentes. Quando Rutherford calculou o tamanho de um núcleo, ele encontrou 
que era muito pequeno mesmo comparado com um átomo muito pequeno. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Uma vez que o número de elétrons é igual ao número de prótons em um 
átomo eletricamente neutro, podemos especificar uma espécie atômica pelo 
número de prótons e nêutrons que este contém. Além disso, uma vez que o 
Detectores 
em 
diferentes 
posições 
Folha de 
ouro 
Fonte de 
alfa 
Fig. 6-7. Detectores de partículas alfa. 
Fig. 6-8. Partículas  atravessando o átomo de ouro. 
+ 
Núcleo de ouro 
Partículas  
 
 
 
3 
3 
número de prótons é único para cada elemento, podemos simplesmente usar o 
nome do elemento junto com o número de massa para especificar cada espécie 
ou nuclídeo. Então o carbono-12 é um nuclídeo com seis prótons e seis nêutrons. 
O chumbo-208, por comparação, é um nuclídeo com 82 prótons e 126 nêutrons. 
Vale a pena ressaltar que é comum representar um núcleo atômico na forma 
A
zXN. Sendo X, o símbolo representativo do núcleo representado; N, o número 
de nêutrons; Z, o número de prótons e A, a massa nuclear (A = Z+N). 
Embora muitos nuclídeos sejam estáveis a maioria não são. Núcleos com 
muitos nêutrons tendem a se transformar em estruturas mais estáveis pela 
conversão de um nêutron em um próton, resultando na emissão de um elétron 
negativamente carregado chamado partícula beta. Núcleos com muitos prótons 
convertem o excesso de prótons para nêutrons em uma forma diferente de 
decaimento beta. Eles perdem a carga positiva através da emissão de um 
pósitron, que é um elétron positivamente carregado. 
Essas transformações frequentemente deixam os núcleos com excesso de 
energia que perde como raios gama, isto é, fótons de alta energia, que são 
parcelas discretas de energia sem massa ou carga. A transformação espontânea 
de um núcleo é chamada de radioatividade, e o excesso de energia emitido é a 
forma de radiação. 
De outra forma, núcleos pesados decaem pela produção de uma partícula 
alfa consistindo de dois prótons e dois nêutrons, que equivale ao núcleo de 
hélio. O ato de transformação é denominado decaimento e o nuclídeo que muda 
e emite radiação é chamado de radionuclídeo. 
 
 
Substâncias Radioativas 
 
 Em 1896, o francês Henri Bequerel, descobriu que o elemento urânio 
naturalmente emite raios invisíveis que, como raios de luz, enegrece uma placa 
fotográfica e pode ser detectada por ela. Pesquisas posteriores mostraram que 
muitos outros elementos como tório, actínio, polônio e radio, emitem raios 
similares ou radioatividade. 
 A Fig. 6-9 ilustra um dispositivo contendo uma fonte com elemento 
radioativo capaz de emitir radiação. Quando os raios de diferentes elementos 
radioativos passam através de um intenso campo elétrico formado por duas 
placas paralelas opostamente carregadas, eles são separados em três tipos de 
radiação denominada alfa, beta e gama. A radiação alfa ou partículas alfa são 
partículas positivamente carregadas e são defletidas na direção da placa 
negativamente carregada. A radiação beta ou partículas beta são elétrons de alta 
velocidade defletidas na direção da placa positivamente carregada. Por fim, a 
radiação gama ou raio gama não tem carga e passa entre as duas placas sem 
defletir. 
 
 
 
 
4 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Característica das Radiações ,  e  
 
 
(1) Radiação alfa ou partícula alfa (). É um núcleo de átomo de hélio 
(constituído por dois prótons e dois nêutrons) positivamente carregado 
emitido por núcleos instáveis, com elevado número de prótons e nêutrons. 
Parece obvio que a partícula alfa massiva com sua carga +2 seria mais 
danosa. O que pode não ser obvio é que ela é a partícula menos penetrante 
devido a sua carga e tamanho relativamente grande, possuindo um 
pequeno alcance no ar (de 1 a 2 cm) e pode ser completamente absorvida 
por uma folha ou pele. Uma vez que a quantidade de radiação alfa 
penetrando na pele é pequena, seu maior efeito é devido a ingestão 
(respirada ou engolida). Neste caso, a radiação alfa ionizará os átomos nas 
células vizinhas. 
 
 
(2) Radiação beta ou partícula beta (). É um elétron emitido por um 
núcleo instável, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em 
relação a prótons. Então, um elétron com carga negativa (−1) é emitido, 
pela conversão de um nêutron em um próton, resultando em uma partícula 
beta negativa, ou simplesmente, partícula beta. 
No caso de existir excesso de caras positivas (prótons), é emitida uma 
partícula beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um 
próton em um nêutron. 
Partículas beta são muito menores do que partículas alfa e podem 
penetrar profundamente em materiais ou tecidos. A radiação beta pode ser 
Raios 
beta 
Raios 
gama 
Raios 
alfa 
Placa 
negativamente 
carregada 
Placa 
positivamente 
carregada 
Container de 
chumbo 
Substância 
radioativa 
Fig. 6-9. Fonte radioativa emitindo radiação alfa, beta e 
gama. 
 
 
 
5 
5 
absorvida completamente por folhas de plástico, vidro, ou metal. 
Normalmente não penetra além do topo da camada da pele. Entretanto 
grande exposição a emissores beta de alta energia pode causar 
queimaduras na pele. Tais emissores também pode ser perigoso se inalado 
ou ingerido. 
 
 
(3) Radiação gama (). Após a emissão de uma partícula alfa () ou beta (), 
o núcleo instável, ainda resultante desse processo com excesso de energia, 
procura estabilizar-se, emitindo esse excesso de energia na forma de onda 
eletromagnética, sem carga elétrica, mas com energia muito maior, 
denominada radiação gama (). A radiação gama produz ionização em 
átomos quando esta passa através da matéria, principalmente devido a 
interação com elétrons. Pode ser muito penetrante e somente uma 
substancia espessa de material denso tal como o aço ou chumbo pode 
produzir boa blindagem. A radiação gama pode, portanto, enviar doses 
significativas para órgãos internos sem inalação ou ingestão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Decaimento Radioativo 
 
Vimos anteriormente que um núcleo com excesso de energia tende a 
equilibrar-se,emitindo partículas alfa ou beta. 
Em cada emissão dessas partículas, há uma variação do número de prótons 
no núcleo, isto é, o elemento se transforma em outro, de comportamento 
químico diferente. 
 
 
 
aluminio chumbo 
Fig. 6-10. Diferentes barreiras na emissão de radiação , ,. 
 
 
 
6 
6 
Essa transformação ou transmutação também conhecida como decaimento 
radioativo, que sugere a diminuição gradual de massa e atividade. 
 
 
Atividade 
 
A atividade de uma amostra de qualquer material radioativo é definida 
como sendo o número de desintegrações dos núcleos de seus átomos 
constituintes por unidade de tempo, isto é, a velocidade de desintegração dos 
átomos. Contudo, as emissões de radiação são feitas de modo imprevisto e não 
se pode adivinhar o momento em que um determinado núcleo irá emitir 
radiação. 
Quando isso acontece, essa “taxa” de transformação é denominada 
atividade da amostra. 
A atividade A de uma amostra radioativa num dado instante pode ser 
expressa por 
 
 
 
 
 
 
 
 
sendo λ a constante de decaimento que é característica de cada radionuclídeo, e 
n0 o número inicial de átomos radioativos existentes na amostra. 
 
 
Meia-vida ( T1/2 ) 
 
Em uma fonte radioativa há muitos átomos e não tem como dizer quando 
um dado núcleo irá se desintegrar. 
O tempo levado para a atividade de um radionuclídeo ser reduzido à 
metade de seu valor é chamado de meia-vida e simbolizado por T1/2. 
Em outras palavras, 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 0
tA n e   
Meia-vida, é o tempo necessário para a atividade de um 
elemento radioativo ser reduzida à metade da atividade 
inicial. 
 
 
 
7 
7 
Cada radionuclídeo tem uma meia-vida única, que pode variar de frações de um 
segundo a bilhões de anos. A tabela abaixo ilustra alguns radioisótopos e sua 
área de atuação. 
 
 
Tabela 
Meia-vida de Alguns Radioisótopos e Seus Usos 
 
 
Isótopo Meia-vida Uso 
Carbono-11 20 min Agricultura 
Iodo-131 8 dias Terapia médica 
Kriptonio-85 11 anos Industria 
Cesio-137 
 
 
 
30 anos 
 
 
 
-Tratar de câncer 
-Calibrar equipamentos 
-Irradiar sangue para transfusões 
 
Carbono-14 
 
 
 
5730 anos 
 
 
 
-Testar novos medicamentos para 
subprodutos nocivos 
-Datação por carbono de artefatos 
antigos 
Iodo-129 
 
 
15,7 milhões de anos 
 
 
Verificar os contadores de 
radioatividade em laboratório de 
diagnostico in vitro 
Uranio-238 4,5 bilhões de anos Brilho da cor em aparelho dentário 
 
 
O gráfico ilustrado na Fig. 6-11 ilustra uma curva de decaimento para uma 
substancia radioativa. No gráfico é visto que depois de 1 meia vida, metade dos 
átomos se desintegram e metade sobrevivem. Depois de mais uma meia-vida, a 
atividade caiu pela metade novamente de modo que somente ¼ dos átomos 
sobreviveram. Depois de 3 meia-vidas outra vez caiu pela metade e somente ⅛ 
sobreviveram e assim sucessivamente a cada nova meia vida do seu valor 
inicial. Isto significa que se pode predizer a atividade remanescente em qualquer 
momento futuro. Quando a quantidade de um radionuclídeo diminui, a radiação 
emitida decresce proporcionalmente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
8 
8 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A radioatividade pode ser usada como um tipo de relógio para encontrar a 
idade de uma rocha. Isto é porque na meia-vida de um radioisótopo tem um 
período fixo de tempo. Por exemplo, a meia-vida do urânio-238 (U-238) 
tem uma meia-vida de 4500 milhões de anos. Ele se transforma lentamente em 
chumbo-206 (Pb-2106). Depois de uma meia-vida, metade dele fica imutável e a 
outra metade se transforma em chumbo. Depois de duas meia-vidas, ¼ do U-238 
é deixado e¾transformado em chumbo. Pela medida do total de U-238 em 
uma rocha se transformou em Pb-206, é possível calcular a idade da rocha. 
 
Outra relação de importância, é a relação entre a meia-vida de um 
radioisótopo e a constante de decaimento λ, ou seja, a probabilidade de 
desintegração por unidade de tempo, expressada matematicamente pela equação: 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 2 3 4 
meia-vida meia-vida meia-vida meia-vida 
tempo 
A
ti
v
id
ad
e 
(n
ú
m
er
o
 d
e 
át
o
m
o
s 
so
b
re
v
iv
en
te
s)
 
1 
1
2
 
1
4
 
1
8
 
1
16
 
Fig. 6-11. Gráfico do decaimento radioativo de um radioisótopo. 
 
 1/2
ln 2 0,693
 
 T
 
 
 
 
9 
9 
Decaimento-alfa 
 
 Vimos anteriormente que uma partícula -alfa é um núcleo de hélio, isto é 
4
2 eH . Ele tem 4 nucleons (nêutrons e prótons contidos em um núcleo atômico): 
sendo 2 prótons e 2 nêutrons. O radionuclídeo Radio-226 ( 226
88Ra ) decai pela 
emissão-. Quando este perde a partícula-, seu número de massa deve 
decrescer de 4 nucleons, passando de 226 para 222. Da mesma forma ocorre 
uma diminuição de seu número atômico com a perda de 2 prótons, passando de 
88 para 86, tornando-se um elemento químico diferente. Este agora passou a ser 
o radônio ( 222
86Rn ), um gás radioativo. 
 A equação que descreve essa mudança também conhecida como equação 
nuclear é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
Assim, por exemplo, 
 
 
226 222 4
88 86 2Ra Rn He  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
partícula  
222
86
( )
Radônio
núcleo filha 
4
2Hélio 
 
226
88
( )
Rádio
núcleo pai
 
Fig. 6-12. Decaimento pela emissão de uma partícula . 
 
4 4
2 2
A A
Z ZX Y He energia
  
 
 
 
 
10 
10 
Decaimento-beta 
 
 
 Se o núcleo tem excesso de nêutrons ou prótons em seu interior o 
mecanismo de compensação ocorre através da emissão de uma partícula-. 
A equação que descreve essa mudança também conhecida como equação 
nuclear é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Partindo da série anterior o Radônio-222 ainda é radioativo e decai por uma 
emissão-, resultando em Polônio-218 ( 218
84Po ) que pode decair por emissão-. 
Isto é a emissão de um elétron do núcleo. Mas sempre foi ensinado que não 
existem elétrons no núcleo. Então, o que é isso? 
 O que acontece é: um dos nêutrons, ou melhor, um dos 134 nêutrons do 
polônio muda para um próton (que permanece no núcleo) e um elétron, que é 
emitido como uma partícula-. 
 Isto significa que o número atômico aumenta de um, enquanto a massa total 
permanece a mesma. Deste modo o polônio muda para um outro elemento, 
chamado Astato (At). 
 A equação que descreve essa mudança também conhecida como equação 
nuclear é: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1
1
( )
( )
A A
Z Z
A A
Z Z
X Y energia excesso de nêutrons
X Y energia excesso de prótrons






  
  
 
 
 
 
11 
11 
 
 
 
218 218 0
84 85 1Po At e

  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Emissão-gama 
 
 Quando o núcleo decai pela emissão de uma partícula- ou partícula-, os 
nucleons são naturalmente deixados em um “estado excitado" ou com excesso 
de energia. Assim, para voltar ao estado acessível de mais baixa energia, 
conhecido como estado fundamental, emitem a energia excedente sob a forma 
de radiação eletromagnética, denominada radiação gama () ou raio-. 
 A equação que descreve a energia dessa radiação é dada por: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
218
84
84
134
Po
prótons
nêutrons
 
 
 
 
partícula  
218
85
85
133
At
prótons
nêutrons
 
 
 
 
0
1e 
Fig. 6-13. Decaimento pela emissão de uma partícula . 
i fE E E  
 
 
 
 
12 
12 
 
 
Outros Tipos de Radiação 
 
 
Raios X. A maioria dos tipos comuns de radiação vem de materiais 
radioativos, mas alguns tipos de radiação são produzidos de outra forma. O 
exemplo mais importante é o do raio X que são normalmente produzidos pelo 
disparo de um feixe de elétrons em um alvo de metal (normalmente tungstênio) 
como ilustrado na Fig. 6-14. Os elétrons nos átomos de metal absorvem energia 
de um feixe de elétrons  em termos científicos,os átomos de metal tornam-se 
“excitados”  e então liberam energia na forma de raios X quando eles 
“relaxam”. A radiação, portanto, vem dos átomos do metal, e não do núcleo, ao 
contrário da radioatividade. Por causa da forma de como eles são produzidos, 
não existe meia-vida para um raio X. No instante em que o feixe é desligado, o 
raio X desaparece. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Radiação de nêutron (n). É um nêutron emitido por um núcleo instável, 
em particular durante uma fissão atômica e uma fusão nuclear. Além de ser um 
componente dos raios cósmicos, nêutrons são normalmente produzidos 
artificialmente. Por serem partículas eletricamente neutras, os nêutrons podem 
ser muito penetrantes e quando interagem com a matéria ou tecido, eles causam 
a emissão de radiação beta e gama. A radiação de nêutron requer, portanto, 
blindagens pesadas para reduzir exposições. 
feixe de raios X 
chumbo 
alvo de tungstênio filamento 
incandescente 
 
Fig. 6-14. Tubo de emissão de raio X. 
 
 
 
13 
13 
 
Radiação Cósmica. É um tipo de radiação natural, que vem do espaço 
profundo e alcança a Terra. É uma mistura de diferentes tipos de radiação, 
incluindo prótons, partículas alfa, elétrons e outros mais exóticos tipos de 
partículas (alta energia). Todas essas partículas energéticas interagem 
fortemente com a atmosfera e, como resultado, a radiação cósmica ao nível do 
solo se torna principalmente múons, nêutrons, elétrons, pósitrons e fótons. A 
maior parte da dose no nível do solo vem de múons e elétrons. 
 
 
Radionuclídeos Naturais 
 
Muitos radionuclídeos ocorrem na natureza, tal como o carbono que se 
apresenta principalmente na forma de carbono-12, com seis prótons e seis 
nêutrons e é completamente estável. Contudo, ao interagir com os raios 
cósmicos na atmosfera podem produzir carbono-14, um radionuclídeo 
consistindo de seis prótons e oito nêutrons. O carbono-14 com seus nêutrons a 
mais, decai pela mudança de um nêutron para um próton e emite uma partícula 
beta. Desta forma, o nuclídeo se transforma no nitrogênio-14 estável, que 
consiste de sete prótons e sete nêutrons. A medição desses decaimentos em 
materiais de carbono é a base da técnica de datação do carbono. 
 
 
Radiação Natural – Séries Radioativas Naturais 
 
Sempre que ocorre uma desintegração e o núcleo não atinge uma 
configuração estável, ele executa outra desintegração para atingir o equilíbrio e, 
se ainda não obter a estabilidade, prossegue, até atingir a configuração de 
equilíbrio. 
 Em cada decaimento, os núcleos emitem radiações dos tipos alfa, beta e/ou 
gama. Essas sequencias de núcleos são denominadas: 
 
 
 
 
 
 
 
Existem apenas três séries ou famílias radioativas naturais, conhecidas 
como: série do uranio, série do actínio e série do tório. A série do actínio é na 
verdade uma série do uranio-235, pois se pensava que ela começava com o 
actínio-227. 
 
Séries radioativas naturais ou famílias radioativas naturais. 
 
 
 
14 
14 
Alguns elementos radioativos têm meia-vida muito longa, como, por 
exemplo, os elementos inicias de cada série radioativa natural (uranio-235, 
uranio-238 e tório-232). 
Devido a isso, é possível explicar, porque há uma porcentagem tão baixa de 
uranio-235 em relação à de uranio-238. Como a meia-vida do uranio-235 é de 
713 milhões de anos e a do uranio-238 é de 4,5 bilhões de anos, o uranio-235 
decai muito mais rapidamente e, portanto, é muito mais consumido que o 
uranio-238. 
Os principais elementos das séries acima mencionadas são apresentados no 
quadro abaixo. 
 
 
SÉRIES RADIOATIVAS NATURAIS 
Série do uranio Série do actínio Série do tório 
Uranio-238 Uranio-235 Tório-232 
4,5 bilhões de anos 
↓ 
713 milhões de anos 
↓ 
13,9 bilhões de anos 
↓ 
Tório-234 
24,6 dias 
↓ 
Tório-231 
24,6 horas 
↓ 
Rádio-228 
5,7 anos 
↓ 
Protatínio-234 
1,4 minutos 
↓ 
Protatínio-231 
32.000 anos 
↓ 
Actínio-228 
6,13 horas 
↓ 
Uranio-234 
270.000 anos 
↓ 
Actínio-227 
13,5 anos 13,5 anos 
  ↙ ↘ 
Tório-228 
1,9 anos 
↓ 
 Tório-230 
 83.000 anos 
Frânio-223 Tório-227 
27 min 18,9 dias 
 ↘ ↙ 
 
Rádio-224 
3,6 dias 
Rádio-226 
1600 anos 
↓ 
Rádio-223 
11,4 dias 
↓ 
 
Radônio-220 
54,5 segundos 
↓ 
 
... 
 
 
Radônio-222 
3,8 dias 
↓ 
Radônio-219 
3,9 segundos 
↓ 
  
 ... 
  
  
 ... 
  
 
 ↓ 
Polônio-210 
140 dias 
↓ 
Polônio-211 
0,005 segundos 
↓ 
Polônio-212 
0,0000003 segundos 
↓ 
Chumbo-206 (estável) Chumbo-207 (estável) Chumbo (estável) 
 
 
 
 
15 
15 
Como pode ser observado no quadro acima, as três séries naturais 
terminam em isótopos estáveis do chumbo, respectivamente: 
 
 
Chumbo-206, chumbo-207, chumbo-208 
 
 
Energia de Radiação 
 
 A energia de vários tipos de radiação, tais como partículas alfa, beta e raios 
gama, é naturalmente expressada na unidade de elétron-volt, simbolizado por 
eV. Por exemplo, a energia das partículas alfa emitidas pelo polônio-214 é em 
torno de 7,7 MeV (Mega eletron-volts). As partículas beta do chumbo-214, 
também formada na série de decaimento do urânio-238, tem uma energia 
máxima de 1,0 MeV, e raios gama produzido por ele tem energia de até 0,35 
MeV. 
 A atividade é expressada em uma unidade chamada becquerel, cujo 
simbolo é Bq, onde 1 Bq é igual a uma transformação por segundo. O becquerel 
tem o nome do fisico Frances Henri Becquerel. Como a unidade é muito 
pequena, é usado frequentemente seus multiploos, tais como o megabecquerel, 
MBq, que é 1 milhão de becquereis. Um grama de rádio-226, por exemplo, has 
uma atividade de aproximadamente 37000 MBq: isto emite em torno de 37000 
milhões de partículas alfa a cada segundo (uma unidade antiga de atividade, o 
curie, tem o nome da cientista Francesa de origem Polonesa Marie Curie, e foi 
definida originalmente como a atividade de um grama de radio). 
 
 Portanto, a atividade de uma amostra com átomos radioativos (ou fonte 
radioativa) é medida em: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Bq (Bequerel) = uma desintegração por segundo 
Ci (Curie) = 3,7  1010 Bq 
 
 
 
 
16 
16 
6.4 RADIAÇÃO E MATÉRIA 
 
Quando a radiação interage com a matéria, isto é, quando a radiação passa 
através da matéria, esta deposita energia no material afetado. As partículas alfa e 
beta, sendo eletricamente carregadas, depositam energia através de interações 
elétricas com elétrons no material. Raios gama e raios X perdem energia de 
várias formas, mas cada um envolve liberação de elétrons atômicos, que então 
depositam energia nas interações com outros elétrons. Nêutrons também perdem 
energia de várias formas, a mais importante sendo através de colisões com 
núcleos que contem prótons. Os prótons são então colocados em movimento e, 
sendo carregado, eles outra vez depositam energia através de interações 
elétricas. Em todos os casos, a radiação fundamentalmente produz interações 
elétricas no material. 
 
 
Ionização 
 
O processo pelo qual um átomo neutro ou molécula torna-se carregado é 
chamado ionização e a entidade resultante desse processo é denominado íon. Em 
outras palavras, se um átomo adquire muita energia e um de seus elétrons é 
capaz de se desligar completamente, o átomo está ionizado e é dito estar em seu 
nível de energia de ionização. Uma vez removido de um átomo, um elétron deve 
por sua vez ionizar outros átomos ou moléculas. Qualquer radiação que causa 
ionização, seja diretamente como no caso de partículas alfa e beta ou 
indiretamente como no caso deraios gama, raios X e nêutrons, é conhecido 
como radiação de ionização. Partículas carregadas passando através de átomos 
pode transferir energia para os elétrons atômicos sem de fato remove-los, nesse 
caso o processo é chamado de excitação, e o átomo está então em um estado 
excitado. 
 
 
Fontes de Radiação Ionizante 
 
A radiação ionizante entra em nossas vidas por diversos caminhos. Surge 
de processos naturais, tais como o decaimento de urânio na Terra, e dos 
procedimentos artificiais como o uso de raios X na medicina. Então podemos 
classificar radiação como natural ou artificial de acordo com sua origem. 
Fontes naturais incluem raios cósmicos, raios gama da Terra, produtos de 
decaimento de radônio no ar, e vários radionuclídeos encontrados naturalmente 
na comida e na bebida. 
 Fontes artificiais incluem raios X médicos, chuva radioativa dos testes de 
armas nucleares na atmosfera, descartes de rejeitos radioativos da indústria 
nuclear, raios gama industrial, e diversos itens tais como produtos de consumo. 
 
 
 
17 
17 
Ionização em Tecidos 
 
Cada vez que uma partícula carregada ioniza ou ‘excita’ um átomo, este 
perde energia até não ter mais energia suficiente para interagir. O resultado final 
dessa perda de energia é um aumento rápido na temperatura do material do qual 
o átomo é parte. Desta forma, toda a energia depositada no tecido biológico pela 
radiação de ionização é eventualmente dissipada como calor através do aumento 
das vibrações das estruturas atômica e molecular. É a ionização inicial e as 
mudanças químicas que causam efeitos biológicos prejudiciais. 
 Em alguns casos, um elétron no material pode receber energia suficiente 
para escapar de um átomo deixando o átomo ou molécula assim formado 
carregado positivamente. No caso de uma molécula de água, por exemplo, o 
H2O, tem ao todo dez prótons e dez elétrons, mas somente nove elétrons 
atômicos permanecem depois que uma partícula carregada atravessa a molécula, 
deixando-a com uma carga positiva em excesso. 
 A célula é a unidade básica de tecidos biológicos, que tem um centro de 
controle chamado de núcleo, que nesse caso não é a mesma coisa que o núcleo 
de um átomo. Cerca de 80% de uma célula é composta de água, os outros 20% é 
formado de um complexo composto biológico. Quando a radiação ionizante 
passa por um tecido celular, esta produz moléculas de água carregada. Em 
seguida, o tecido celular se divide em entidades chamadas de radicais livres, tais 
como o radical livre hidróxido (OH), que é composto de um átomo de oxigênio 
e um átomo de hidrogênio. Radicais livres são altamente reativos quimicamente 
e pode alterar importantes moléculas na célula. 
 Uma molécula particularmente importante é o ácido desoxirribonucleico, 
DNA, encontrado principalmente nos núcleos das células, como ilustrado na 
Fig. 6-15. O DNA controla a estrutura e função da célula e passa cópias de si 
mesmo: suas moléculas são grandes e as estruturas que os transportam, 
cromossomas, são visíveis através do microscópio. A radiação pode ionizar uma 
molécula de DNA conduzindo diretamente a uma mudança química, ou o DNA 
pode ser mudado indiretamente quando esse interage com um radical hidróxido 
livre produzido na água da célula pela radiação. No mesmo caso, a mudança 
pode causar um perigoso efeito biológico conduzindo ao desenvolvimento de 
cânceres ou defeitos genéticos hereditários (IAEA, 2004). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
18 
18 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A mais importante propriedade de vários tipos de radiação ionizante é sua 
habilidade de penetrar na matéria. A profundidade de penetração para um tipo 
particular de radiação aumenta com sua energia, mas varia de um tipo de 
radiação para outra para a mesma quantidade de energia. Para as partículas 
carregadas tais como as partículas alfa e beta, a profundidade da penetração 
depende também da massa da partícula e de sua carga. Para energias iguais, uma 
partícula beta penetrará muito mais profundo do que uma partícula alfa. 
Partículas alfa raramente penetram na camada morta, mais externa da pele 
humana. Consequentemente, radionuclídeos que os emitem não são perigosos a 
menos que eles sejam ingeridos pela respiração ou ingestão ou através de uma 
ferida na pele. Partículas beta penetram em torno de um centímetro do tecido, 
então radionuclídeos que os emitem são perigosos para tecidos superficiais, mas 
não para órgãos internos a menos que eles também sejam introduzidos no corpo. 
Para radiações ionizantes indiretamente, tais como raios gama e nêutrons, o grau 
de penetração depende da natureza de suas interações com o tecido. Raios gama 
podem passar através do corpo, então os radionuclídeos que os emitem podem 
ser perigosos seja do lado de fora ou de dentro. 
 
 
Quantidades de Dose 
 
Não se pode detectar radiação ionizante diretamente através dos sentidos, 
mas se pode detectar e medir por outros meios, tais como através de filmes 
fotográficos, tubos de Geiger-müller, e contadores de cintilação, assim como 
técnicas mais novas usando materiais termo luminescentes e diodos de silício. 
Pode-se interpretar as medidas feitas em termos da energia que a radiação em 
questão teria depositado através do corpo humano ou em parte específica do 
corpo. Quando medidas diretas não são possíveis, por exemplo, um 
radionuclídeo é depositado em um órgão interno pode-se calcular a dose 
Fig. 6-15. Ácido desoxirribonucleico (DNA). 
G 
A 
C 
T 
T 
A 
A 
C G 
A 
C 
G 
C T 
C 
T 
A 
C 
G 
T 
A 
T 
C 
T 
G 
 
 
 
19 
19 
absorvida por aquele órgão, desde que se saiba a quantidade de atividade retida 
no órgão. 
A quantidade de energia que a radiação ionizante deposita em uma unidade 
de massa de matéria, tal como o tecido humano, é chamada dose absorvida. É 
expressa em uma unidade chamada gray, cujo símbolo é Gy, onde 1 gray é igual 
a 1 joule por quilograma. Submúltiplos do gray são frequentemente usados, tal 
como o miligray, mGy, que é um milésimo de um gray. 
 
Portanto, no SI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Tipos de radiação ionizante interagem diferentemente com materiais 
biológicos, de modo que doses iguais absorvidas não tem necessariamente 
efeitos biológicos iguais, pois deposita diferentes quantidades de energia. Por 
exemplo, para o tecido, 1 Gy da radiação alfa é mais perigoso do que 1 Gy da 
radiação beta porque uma partícula alfa, sendo mais lenta e mais carregada, 
perde sua energia de modo muito mais concentrado ao longo de seu caminho. 
Portanto, a fim de colocar as diferentes radiações ionizantes na mesma base em 
relação ao seu potencial de danos, se faz necessário uma outra quantidade. Esta 
é a dose equivalente. Ela é expressa em uma unidade chamada o sievert, cujo 
símbolo é Sv. Submúltiplos do sievert são comumente usados, tal como o 
milisievert, mSv, que é um milésimo de um sievert. 
 
 
6.5 APLICAÇÕES DA ENERGIA NUCLEAR 
 
 A energia nuclear popularmente chamada de “energia atômica” é a energia 
liberada em uma reação nuclear, geralmente produzida nas usinas 
termonucleares, que utiliza principalmente o urânio como combustível. 
O termo energia atômica não é propriamente exato, pois poderia descrever 
igualmente qualquer espécie de energia derivada dos átomos, o que inclui a 
energia das transformações químicas, como a combustão da gasolina, por 
exemplo. Portanto, o termo adequado para as enormes quantidades de energias 
produzidas nas reações nucleares é de fato energia nuclear. 
Tudo em nosso mundo contém pequenas quantidades de átomos radioativos 
que são ou que sobraram da criação do universo (como Urânio e Rádio) ou é o 
 
joule( )
1 ( ) 1
quilograma ( )
J
gray Gy
kg

 
 
 
 
20 
20 
resultado de interações com radiação cósmica do espaço (como o Carbono 14 e 
o Trítio). Ao longo dos últimos cem anos, conhecemos mais sobre esta forma de 
energia graças ao trabalhode cientistas como Roentgen, Becquerel, os Curie, 
Rutherford e outros. No entanto, a radiação continua a ser um tema de interesse 
ou preocupação para muitas pessoas. Talvez porque é invisível e não podem ser 
detectados por nossos sentidos, as pessoas não estão familiarizadas com a 
radiação e as suas propriedades e não estão familiarizados com a avaliação de 
seus riscos. 
 A despeito dos erros e acertos experimentado pelo homem no uso da 
energia nuclear, segue alguns aspectos relevantes da aplicação desse fascinante 
manancial do desenvolvimento tecnológico protagonizado pelo homem nessa 
área. 
 
 
Fissão Nuclear 
 
 Na busca incansável do homem por fontes de energia, surge a possibilidade 
de aproveitar a energia armazenada em núcleos atômicos como uma fonte de 
energia de grande escala. Essa possibilidade surgiu após a descoberta da fissão 
nuclear pelos físicos alemãs Otto Hahn e Fritz Strassmann. A fissão nuclear é 
um processo pelo qual certos núcleos de átomos pesados se dividem em duas 
partes aproximadamente iguais quando eles são bombardeados por nêutrons. Por 
exemplo, se um átomo de Urânio-235 (U-235) é bombardeado com nêutrons 
lentos, se divide em dois átomos menores e três nêutrons rápidos, produzindo 
assim a fissão do U-235, conforme ilustra a Fig.6-16. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 6-16. Fissão do urânio-235. 
 
n 
 
n 
 
n 
 
n 
 
nêutron 
 
 
 
 
 
21 
21 
 
 Durante a fissão existe uma significante perda de massa durante cada 
reação de fissão. A massa que é perdida foi convertida numa grande quantidade 
de energia, que de acordo com a relação de Einstein é descrita como: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ou matematicamente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Uma forma de representar a reação de fissão é descrita do seguinte modo: 
 
 
 
1 235 141 92 1
0 92 56 36 0
3
235 3
n U Ba Kr n Energia
Nêutron U Bario Kriptônio nêutrons Energia
    
     
 
 
 
 Sempre que ocorre a fissão, a energia é liberada dos núcleos como raios 
gama, calor, e energia cinética dos rápidos fragmentos nucleares. 
 Quando um átomo de U-235 é dividido, três nêutrons são emitidos e esses 
devem colidir com outros três átomos de U-235, de modo que eles se dividem e 
emitem mais nêutrons, que por sua vez colidem com outros átomos e assim por 
diante. Esse processo é chamado de reação em cadeia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
2( ) ( ) ( )Energia E massa m velocidade da luz c
liberada perdida ao quadrado
 
 
 
 
2E mc 
 
 
 
22 
22 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Medicina Nuclear 
 
 A medicina nuclear é a área da medicina onde são utilizados os 
radioisótopos, tanto em diagnóstico tanto em terapia. 
 Procedimento envolve a administração de radionuclídeos a pacientes em 
uma substancia transportadora que é preferencialmente absorvido pelo tecido ou 
órgão em estudo. A administração pode ser por injeção, ingestão ou inalação. 
Detectores fora do corpo habilitados para captar a emissão de raios gama 
emitidos pelos radionuclídeos introduzidos no organismo, pode ser usado para 
observar como os órgãos estão funcionando. Os médicos usam esses 
procedimentos para fazer diagnóstico. 
Quando os radionuclídeos são usados para tratamento em vez de 
diagnostico, atividades muito maiores são dadas aos pacientes e doses muito 
mais altas são dadas aos tecidos ou órgãos alvo. O tratamento de uma glândula 
tireoide hiperativa – hipertireoidismo – é um exemplo prático bem conhecido do 
uso do radionuclídeo iodo-131 (I-131), que vai ser absorvido pela glândula. 
Passando um detector pela frente do pescoço do paciente, pode-se observar se o 
iodo foi muito ou pouco absorvido em relação ao normal (padrão) e como se 
distribui na glândula. 
Outro radionuclídeo de uso comum em procedimento de diagnóstico é o 
tecnécio-99m (Tc-99m). Ele tem uma meia-vida de 6 horas, emitindo raios gama 
pode ser convenientemente preparado nos hospitais, e prontamente rotula uma 
variedade de substâncias transportadoras. Um detector especial chamada câmera 
Fig. 6-17. Reação em cadeia do urânio-235. 
 
n 
 
 
 
 
23 
23 
de gama é usado para observar como os órgãos ou tecidos comportam-se ou 
como a rapidez com que os radionuclídeos se movem. O Tc-99m é utilizado 
para obtenção de mapeamentos (cintilografia) de diversos órgãos: 
 
 Cintilografia renal, cerebral, hepato-biliar (fígado), pulmonar e óssea; 
 Diagnostico de infarto agudo do miocárdio e em estudos circulatórios; 
 Cintilografia de placenta. 
 
 
Radioterapia 
 
A radioterapia teve origem na aplicação do elemento rádio pelo casal 
Curie. A técnica é usada para curar câncer ou pelo menos aliviar sintomas 
dolorosos, pela morte das células cancerosas. Posteriormente, outros 
radioisótopos passaram a ser usados, apresentando um maior rendimento. 
O fato de radiações penetrantes como raios X e gama, induzirem danos em 
profundidades diferentes do organismo humano e, com isso, causar a morte de 
células, pode ser utilizado para a terapia do câncer. Assim, tumores profundos 
podem ser destruídos ou regredidos sob ação de feixes de radiação gama 
adequadamente aplicados. 
Para tumores localizados em certas regiões do corpo é preferível utilizar 
fontes de radiação gama aplicadas diretamente sobre eles, numa técnica 
conhecida como braquiterapia. Dependendo da situação, podem-se embutir 
fontes perto do local afetado, como as antigas agulhas de rádio-226 (Ra-226) e 
as sementes de césio-137 (Cs-137), cobalto-60 (Co-60) e irídio-192 (Ir-192). 
 
 
Aplicações na Agricultura 
 
 Com o uso de traçadores radioativos é possível acompanhar o metabolismo 
das plantas, verificando o que elas precisam para crescer, o que é absorvido 
pelas raízes e pelas folhas e onde determinado elemento químico fica retido. 
 A técnica do uso de traçadores radioativos possibilita o estudo do 
comportamento de insetos, como abelhas e formigas. 
 Ao ingerirem radioisótopos, os insetos ficam marcados, porque passam a 
emitir radiação, o que pode ser acompanhado. No caso de formigas, descobre-se 
o formigueiro e, no caso de abelhas, as flores de sua preferência. 
 Da mesma forma, essa técnica também é usada para eliminação de pragas, 
identificando qual o predador se alimenta de determinado inseto indesejável, em 
substituição ao uso de inseticidas nocivos a saúde. 
 
 
 
 
 
 
24 
24 
Preservação de alimentos por irradiação 
 
 O processo de preservação de alimentos por irradiação é uma técnica 
altamente segura e eficaz. Ela consiste da exposição de alimentos embalados ou 
não, à radiação ionizante (radiação gama, raios X ou feixe de elétrons), não 
havendo nenhuma chance de contaminação pela irradiação ou que os alimentos 
venham ficar de algum modo radioativos. 
 Mais de 30 países incluindo o Brasil utilizam técnica de irradiação de 
vários tipos de alimentos, incluindo frutas, legumes, carne de frango e 
especiarias. 
 O processo é realizado em uma instalação radiativa utilizando mais 
comunmente uma fonte de cobalto-60 (Co-60) que emite radiação gama. As 
maiores vantagens nesse processo está em não alterar a qualidade do alimento, 
não deixar resíduos tóxicos e prolongar a vida útil. 
 
 
Datação por Carbono-14 
 
 No ar existe uma fração muito pequena de carbono-14 (C-14), em forma de 
gás carbônico. Para cada 1012 átomos de carbono-12 (C-12) existe uma de C-14. 
Esses átomos de C-14 resulta da absorção contínua dos nêutrons dos raios 
cósmicos pelos átomos de nitrogênio nas camadas mais externas da atmosfera. 
 O radioativo C-14, assim produzido, se desintegra e desapareceria por 
completo se sua produção não fosse contínua na atmosfera. 
 Os organismos vivos, como plantas e animais, absorvem o carbono do ar 
diretamente, pela fotossíntese, ou indiretamente, pela ingestão de plantas ou 
animais. O carbono existente nos seres vivos como caules, folhas,tecidos 
humanos, ossos, etc., contém, portanto, a mesma fração de C-12 para o C-14 
existente no ar. 
 Quando morre, o organismo cessa de absorver o carbono do ar. A 
quantidade de C-12 se mantém constante. O C-14, por sua vez, vai se 
desintegrando sem ser substituído. Portanto, a fração de C-14 no carbono total 
vai diminuindo. Dessa forma, medindo-se a radioatividade existente no material, 
pode-se determinar a fração de C-12 para C-14. A comparação dessa fração com 
a que havia antes da morte do organismo fornecerá informação para se deduzir a 
idade do material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25 
25 
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR 
 
EISBERG, R e RESNICK, R. QUANTUM PHYSICS of Atoms, Molecules, 
Solids, Nuclei, and Particles. John Wiley & Sons. 1974. 
 
JOHNSON, K. Physics for you. Hutchinson Education. 1980. 
 
TAFFEL, A. PHYSICS. Its Methods and Meanings. Allyn and Bacon. 1986. 
 
IAEA International Atomic Energy Agency, 2004. 
 
CARDOSO, E. A Energia Nuclear e suas aplicações (Apostila Educativa), 
CNEN, 2012. 
 
TAUHATA, L., SALATI, I., DI PRINZIO, R. e DI PRINZIO, A. 
RADIOPROTEÇÃO E DOSIMETRIA: FUNDAAMENTOS. CNEN, 2014. 
 
OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C., FÍSICA PARA CIÊNCIAS 
BIOLÓGICAS E BIOMÉDICAS. Harper & Row do Brasil, 1982.