Química Nuclear - Aula 3

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A Radioatividade natural
Fontes de radioatividade natural
• Radionuclídeos presente naturalmente no 
meio ambiente
– Radionuclídeos primordiais
– Radionuclídeos radiogênicos 
– Radionuclídeos cosmogênicos 
• Radiação cósmica
A origem dos nuclídeos 
Formação dos nuclídeos leves 
• Temperatura > 109 K, 3 min depois do “Big Bang”
CBnBLitHendHnHnH
BeHe
Lit
nHe
pt
nHedd
tnd
dnp
12121174321
73
7
3
3
),(),(),(),(),(),(),( νβγγαγγγ
γα
γα
γα
γα
γ
γ
+
+→+
+→+
+→+
+→+
+→+
+→+
+→+
Formação dos nuclídeos ate A = 28 
Em estrelas a partir de 1·109 anos depois do “Big Bang” 
Ciclo CNO
Formação dos nuclídeos até A = 28 
Em estrelas a partir de 1·109 anos depois do “Big Bang” 
Ciclo Ne – Na
e
Mg – Al 
Formação dos nuclídeos até 56Fe 
Em estrelas a partir de 1·109 anos depois do “Big Bang”
“queima” de carbono, oxigênio e silício 
γα
γα
γα
βααα
γααα
γα
γα
αγγγ
+↔+
+↔+
+↔+
+→↔++→+→
+↔++→+→
+↔++→+→
+↔++→+→
+↔++→++→+
−
FeCr
CrTi
TiCa
CaTiCaMgO
CaArSiNe
ArSnSpNa
SSipPnMg
MgSiSOOMgCC
cba
5652
5248
4844
4444402416
40362820
36323123
32283123
2428321616241212
222
)()()(
Formação dos nuclídeos A > 56 
Em estrelas a partir de 1·109 anos depois do “Big Bang”
Captura de nêutrons 
(processo s(low) captura mais lenta que desintegração β)
Formação dos nuclídeos A > 56 
Em estrelas a partir de 1·109 anos depois do “Big Bang”
Captura de nêutrons 
(processo r(apid) captura mais rápida que desintegração β)
Freqüência relativa à 28Si (= 106) dos elementos no 
sol com a atribuição de processos de formação 
Nuclídeos ricos em prótons
78Kr, 
84Sr, 
92Mo, 
96Ru, 
102Pd, 
106Cd, 
112Sn, 
124Xe, 
126Xe, 
130Ba 
132Ba 
Formação pelo processo p
(captura de prótons) ou perda de nêutrons 
(ainda não bem entendido)
• Exemplos possíveis 
XeInIb
XeIpTea
dt
estável
dt
estável
126
13%);7,43(
126127
126
13%);7,43(
126125
2
1
2
1
),()(
),()(
 →
 →
=
=
−
−
β
β
γ
γ
Os 
radionuclídeos 
primordiais
Tabela 7. Extintos radionuclídeos em matéria solar primitiva.9
Nuclídeo T½ (a) Tipo de 
desintegração
Nuclídeo filha
26Al 7,16⋅105 β+ 26Mg
36Cl 3,0⋅105 ε,β- 36Ar, 36S
41Ca 1,03⋅105 ε 41K
53Mn 3,7⋅106 ε 53Cr
60Fe ≈ 105 β- 60Co → 60Ni
92Nb 3,6⋅107 ε 92Zr
107Pd 6,5⋅106 β- 107Ag
129I 1,57⋅107 β- 129Xe
146Sm 1,03⋅108 α 142Nd
182Hf 9⋅106 β- 182Ta → 182W
237Np 2,14⋅106 sf/α ver Figura 66
244Pu 8,26⋅107 sf/α ver Esquema 13a
247Cm 1,56⋅107 α ver Esquema 13b
Nuclídeo
Freqüência 
relativa 
(%)
T½ (a)
Tipo de 
desintegra
ção
Nuclídeo filha
40K 0,0117 1,28∙109 β
- (89,28 %), 
β+, ε (10,77 
%)
40Ca ou 40Ar
87Rb 27,83 4,8⋅1010 β- 87Sr
113Cd 12,22 9,0⋅1015 β- 113In
115In 95,7 4⋅1014 β- 115Sn
123Te 0,908 1,24⋅1013 ε 123Sb
128Te 31,69 1,5⋅1024 2β- 128Xe
130Te 33,80 1,0⋅1021 2β- 130Xe
138La 0,09 1,35⋅1011 ε/β- 138Ba ou 138Ce
144Nd 23,80 2,1∙1015 α 140Ce
147Sm 15 1,06∙1011 α 143Nd
Os radionuclídeos primordiais
Os radionuclídeos primordiais(cont.)
Nuclíde
o
Freqüência 
relativa 
(%)
T½ (a)
Tipo de 
desintegra
ção
Nuclídeo filha
148Sm 11,3 7∙1015 α 144Nd → 140Ce
152Gd 0,20 1,1∙1014 α 148Sm → 144Nd → 140Ce
174Hf 0,16 2,0∙1015 α 170Yb
176Lu 2,60 3,6⋅1010 β- 176Hf
186Os 1,58 2,0∙1015 α 182W
187Re 62,60 5⋅1010 β- 187Os
190Pt 0,01 6,1∙1011 α 186Os → 182W
204Pb* 1,4 1,4∙1014 α 200Hg
232Th 100 1,41∙1010 α ver Figura 63
235U 0,72 7,04∙108 α ver Figura 64
238U 99,28 4,47∙109 α ver Figura 65
Tabela 9. Concentração de K, Th e U em diversos materiais naturais.9
Material K (10-2
g/g)
Th (10-6
g/g)
U (10-6 
g/g)
Th/U
Crosta 
terrestre
2 13 2,5 5,2
Rochas 0,001 – 6,7 0,01 – 90 0,01 –
1200 
-
Terra 0,05 – 9,5 4,2 – 23 1 – 20 3,2
Minerais 2,09 9,6 2,7 3,6
Arenita 1,07 1,7 0,45 3,8
Calcário 0,27 1,7 2,2 0,77
Água do 
mar
0,038 0,00005 0,003 0,017
40K é mais freqüente que cromo (21º elemento na freqüência); Tório e 
Urânio são os 41º e 55º elementos na freqüência e portanto mais 
freqüente que por exemplo prata 61º elemento)
Os 
radionuclídeos 
radiogenenos 
Desintegração seqüencial 
• 232Th, 235U e 238U mostram desintegração 
seqüencial α e β-
Kazimierz Fajans 
(1897 – 1975) 
Frederick Soddy 
(1877 – 1956) 
Leis de 
transposição
Leis de transposição
• 1ª lei da transposição para desintegração α
• 2ª lei da transposição para desintegração β-
2;4 −=−= mãefilhamãefilha ZZAA
1; +== mãefilhamãefilha ZZAA
Família radioativa de tório (4 n) 
desintegração α/β- competitiva do nuclídeo mãe (212Bi) forma 
nuclídeos filha com atividade β−/α, respectivamente, 
resultando em nuclídeo neta comum 
Família radioativo de urânio – rádio (4 n + 2)
Família radioativa de urânio – actínio (4 n + 3)
Família radioativo de (netúnio) – bismuto 
(4 n + 1)
• em 2003 se descobriu que 209Bi é um 
radionuclídeo mostrando desintegração α
com tempo de meia-vida de 1,9 × 1019 a
• 209Bi é o ultimo membro da desintegração 
de 237Np (radionuclídeo extinto)
estável
a PbBi 205109,1;209
19
 → ×α
Família radioativo de netúnio (4 n + 1)
237Np é um radionuclídeo extinto
Os radionuclídeos extintos 244Pu e 247Cm como precursores 
das seqüências de desintegração 4n e 4n + 3 
UPuNp
NpAmPuCmb
ThUPu
PuNpUPua
atdt
athtat
atat
mthtat
235
1041,2,
239
36,2,
239
239
7370,
243
96,4,
243
1056,1,
247
232
1034,2,
236
6550,
240
240
65,
240
1,14,
240
1026,8,
244
4
2
1
2
1
2
1
2
1
7
2
1
7
2
1
2
1
2
1
2
1
7
2
1
)(
)(
 → →
 → → →
 → →
 → → →
⋅==
==⋅=
⋅==
==⋅=
−
−
−−
αβ
αβα
αα
ββα
Radionuclídeos da família de tório com 
tempo de meia vida > 24 h
Nuclídeo T½
Tipo de 
desintegração
228Ra 5,7 a α
228Th 1,9 a α
224Ra 3,64 d α
Radionuclídeos da família de urânio –
actínio com tempo de meia vida > 24 h
Nuclídeo T½ Tipo de desintegração
231Th 25,6 h β-
231Pa 3,3∙104 a α
227Ac 22 a α (1,2 %), β- (98,8 %)
227Th 18,7 d α
223Ra 11,4 d α
Radionuclídeos da família de urânio –
actínio com tempo de meia vida > 24 h
Nuclídeo T½ Tipo de desintegração
234Th 24,1 d β-
234U* 2,5∙109 a α
230Th 8∙108 a α
226Ra 1600 a α
222Rn 3,8 d α
210Pb 22 a α (0,75∙10-6 %), β- (100 %)
210Bi 5,0 d α (5∙10-5 %), β- (100 %)
210Po 138,4 d α 
Rádio como componente dos 
minérios de urânio 
• Curie isolou de 1 tonelada de Pechblenda 10 –
20 kg de uma mistura de sulfato de bário/rádio 
• Depois da purificação e transformação em 
cloreto a mistura possuía uma razão Ra : Ba = 
3 : 100.000 
• Por cristalização fracionada de mais de 40.000 
repetições ela obtive aproximadamente 100 mg 
de brometo de rádio puro 
• No equilíbrio radiativo entre urânio e rádio a 
razão Ra : U = 1 : 2,78⋅106
Brometo de rádio (2,7 g) 
fotografado na própria luz 
Origem da luminescência do rádio 
centro-F em NaCl 
quartzo comum 
quartzo fumado com 
centros-F formados por 
radioatividade natural 
Instrumentos de laboratório utilizados na 
preparação de RaCl2 puro mostrando a 
formação de centros-F
Exposição radioativa pelas 
radionuclídeos naturais 
Tabela 12. Atividades típicas em materiais de construção.9
Material 40K (Bq/kg) 226Ra (Bq/kg) 232Th (Bq/kg)
Granito 600 – 4000 30 – 500 17 – 311
Barro/argila 300 – 2000 20 – 90 18 – 200
Tijolos/ladrilhos 100 – 2000 10 – 200 12 – 200
Concreto 50 – 1300 7 – 92 4 – 71
Azulejos 250 – 1000 15 – 100 25– 130
Arenito/quartzito < 40 – 1100 13 – 70 15 – 70
Ardósia 760 – 930 34 – 45 56 – 73
Calcário/mármore < 40 – 240 4 – 41 2 – 20
Exposição radioativa anual
Área geográfica
Dose equivalente 
anual (mSv/a)
Causa para 
exposição 
aumentadamédia máxima
Alemanha 0,420 - -
França (regiões de granito) 2,52 4 Teor elevado de Th/U
Índia (costa de Kerala) 4 55 Areia monazita com
alto teor de Th
Brasil (costa atlântica) 6 175 Areia monazita com
alto teor de Th
Irã (Ramsar) 18 450 Alto teor de rádio
Areia preta (monazita) em 
Guarapari – ES
Praias investigadas e depósitos de urânio 
Atividade radioativa em praias brasileiras 
Númer
o
Praia Estado 40K (Bq/kg) 226Ra 
(Bq/kg)
32Th 
(Bq/kg)
2 Caraguatatuba SP 888 51 23
6 Angra dos Reis RJ 824 17 45
13 Ipanema RJ 95 5 26
15 Copacabana RJ 63 27 25
32 Anchieta ES 63 299 1387
33 Meaipe ES 127 1001 6422
34 Guarapari ES 63 4043 55537
41 Itacaré BA 32 572 886
42 Salvador BA 62 15 16
43 Praia do Forte BA 34 10 14
Morro de Ferro na Serra dos Alemães (MG)
deposito de ≈ 30.000 ton. Th
10 – 20 µS/h 
exposição para ratos:13 e 67 mSv/a (externa) e 30 e 300 mSv/a (interna); 
Teor de atividade de radionuclídeos 
naturais em alimentos 
Alimento
Atividade especifica (Bq/kg)
40K 238U 226Ra 210Pb 210Po
Grãos 87 – 246 0,02 – 0,4 0,04 – 1,54 0,04 – 10,2 0,2 – 1,94
Batatas 122 – 194 0,02 – 3,09 0,02 – 1,3 0,02 – 0,63 0,2 – 0,33
Couve 59 – 196 0,02 – 0,75 0,01 – 0,68 0,004 – 1,28 0,004 – 1,13
Cenouras 72 – 134 0,07 – 2,31 0,06 – 0,49 0,02 – 4,9 0,02 – 5,2
Frutas 107 – 190 0,06 – 1,8 0,03 – 5,38 1,2 – 14,8 0,52 – 2,24
Cogumelos 8 – 233 0,18 – 5,1 0,01 – 16 0,09 – 4,1 0,2 – 5,2
Peixe 80 – 120 0,5 – 7,4 0,05 – 7,8 0,02 – 4,42 0,05 – 5,2
Carne 60 – 120 0,001 – 0,02 0,03 – 0,18 0,1 – 1 0,2 – 4
Leite 35 – 65 0,001 – 0,13 0,004 – 0,26 0,003 – 0,07
Teor de atividade de água
Concentração de atividade (Bq/L)
3H 40K 238U 226Ra 222Rn
Águas subterrâneas 0,04 – 0,4 0,011 – 15 0,001 – 0,2 0,004 – 0,4 2 – 1500
Água do mar 0,02 – 0,1 0,04 – 2 11,8 – 12,3 0,04 – 0,044
Águas superficiais 0,02 – 0,1 0,04 – 2 0,002 – 0,04 0,04 – 2 0,4 – 2
Água potável 0,003 – 1,2 0,0005 – 0,6 0,0005 – 0,3 0,2 – 1500
Teor de atividade médio de 
radionuclídeos naturais no homem
Radionuc. 40K 14C 87Rb 3H 210Pb 210Po 238U 226Ra
Tipo β-, β+, ε β- β- β- β- α α α
t½ (a) 1,3⋅109 5730 4,8⋅1010 12,3 22,3 0,379 4,5⋅109 1600
Atividade 
(Bq)
4400 4000 300 20 14 12 1,1 1,7
Teor de atividade médio de 
radionuclídeos naturais no homem
Exposição natural pelo 
homem:
75 kg;
somente 40K corresponde 
a 0,1 – 0,2 mSv/a 
Radiação natural: ≈ 2 mSv/a
O papel do radônio 
na exposição 
radioativa natural
Tabela 19. Propriedades de 222Rn e seus produtos de 
desintegração com curto tempo de vida.9
Nuclídeo (tipo 
de 
desintegração)
Tempo de 
meia vida
Constante de 
desintegração λ 
(h-1)
Número de 
átomos per 1 
Bq
222Rn (α) 3,82 d 0,00755 47600
218Po (α) 3,05 min 13,6 260
214Pb (β-) 26,8 min 1,55 2300
214Bi (β-) 19,7 min 2,11 1700
214Po (α) 184 µs 1,52⋅107 2,4⋅10-4
222Rn (t½ = 3,8 d) formado na desintegração de 238U (4n + 2)
(220Rn (t½ = 55,6 s) formado na desintegração de 235U (4n + 3) );”torônio”))
(219Rn (t½ = 3,9 s) formado na desintegração de 232Th (4n))
p.e. -61,8 °CTeor na atmosfera  0,046 ppq (1 ppq ≡ 1mL/km3)
atividades dos produtos de desintegração não voláteis ate 
2⋅109 vezes maior
Perto de vazadouros: exposição radioativa de 
aproximadamente 50 – 60 nSv/h 
(valor máxima : 150 – 650 nSv/h) 
Tabela 20. Exposição radioativa do ar com radônio na 
Alemanha.
Local
Valor 
mediano 
(Bq/m3)
Valor 
máxima 
(Bq/m3)
ar livre
14 150
5 – 80* 370*
apartamentos
50 1100
50* 18.500*
apartamentos
áreas de 
mineração* 
- > 100.000
áreas de granito* < 250 (30 %) > 1000 (25 %)
*antiga Alemanha oriental.
Concentração de radônio no ar de solo
(Alemanha) 
Concentração de radônio no água potável
(Alemanha) 
Município de Idar-Oberstein
• Mineração e trabalho de pedras preciosas
• No século 19 esgotamento das jazidas
• Importação de pedras preciosas do Brasil, 
especialmente Rio Grande do Sul
– (importação de radioatividade elevada?????)
– IMPORTAÇÃO E MELHORAMENTO DE 
ESPECIALIDADES CULINARIAS!
Relações Alemanha -Brasil
Relações Alemanha -Brasil
Radiação cósmica e 
radionuclídeos cosmogênicos
Propriedades da radiação cósmica 
• A radiação cósmica entrando na atmosfera 
possua energia de 108 – 1020 eV;
• Composto de nêutrons e prótons (≈90 %) e 
partículas α (≈10 %);
• Traços de núcleos pesados (B, C, N, O, Ne, 
Na, Ca, Si, P, V e Fe);
• Neutrinos e fótons (raios-X e raios–γ)
Propriedades da radiação cósmica 
• Na atmosfera as partículas primarias reagem 
na altitude de 20 km com os núcleos da 
atmosfera;
• Formação de partículas secundárias (nêutrons, 
pi-, e K-mesons, muons ou radiação-γ )
Cascada de partículas elementares induzida pela radiciação cósmica 
Dose de radiação recebida pelo homem 
devido a radiação cósmica
Aurora boreal 
excitação de átomos de oxigênio pelos elétrons e 
prótons da radiação cósmica luz verde (λ = 558 nm) 
e vermelho (λ = 630 nm) 
Formação de radionuclídeos
Reação de radiação cósmica com 40Ar 
Nuclídeo T½
Tipo de 
desintegração
44Ti 47,3 a ε
41Ca 1,03⋅105 a ε
39Ar 269 a β-
36Cl 3,0⋅105 a β-, ε/β+
32Si 101 a β-
26Al 7,16⋅105 a β+
Formação de radionuclídeos
Nuclídeo T½ Tipo Origem 
22Na 2,602 a β+ 20Ne(α,1p1n)22Na
14C 5,73∙103 a β- 14N(n,p)14C
10Be 1,6⋅106 a β- 16O(n,4p3n)10Be;
16O(p,5p2n)10Be
7Be 53,29 d ε 3He(α,γ)7Be
3H 1,23∙101 a β- 14N(n,t)12Cestável
Exposição anual por radionuclídeos cosmogênios 
Órgão
Dose média de órgão (µGy)
3H 7Be 14C 22Na
Gônadas 0,01 5,7 5 0,14
Pulmão 0,01 0,02 6 0,12
Medula vermelha 0,01 1,2 24 0,22
Superfície óssea 0,01 22 0,27
Tireóide 0,01 6 0,12
Dose efetiva (µSv) 0,01 3 12 0,2
Freqüência relativa de 14C = 1⋅10-10 %;
3H(em água) = 1⋅10-15 % (total na atmosfera 6 g)
Outros radionuclídeos 
cosmogêncios 
Nuclídeo T½
Tipo de 
desintegração
129I 1,57⋅107 a β-
81Kr 2,1⋅105 a ε
59Ni 7,5⋅104 a ε/β+
53Mn 3,7⋅106 a ε
A descoberta da 
radiação cósmica 
Observações preliminares 
• 1903 Rutherford observe que ionização (condutividade) 
de um eletrômetro é menor quando é blindado por 
chumbo;
• 1910 Theodor Wulf (físico e padre jesuíta) observe em 
que a ionização medida no Torre Eiffel (327 m) é maior 
que no solo;
• devido à distância entre o eletrômetro e eventuais fontes 
naturais de radioatividade no solo esperava-se uma 
diminuição ;
• Sugeriu que aumento observado seja causada por 
radiação com origem cósmica;
• Para confirmar o aumento da radiação em alturas 
elevadas ele sugeriu a realização de medidas realizadas 
num balão 
1912 Descoberta da radiação cósmica 
Victor Franz Hess 
(1883 – 1964) 
1912 Descoberta da radiação cósmica 
0
10
20
30
40
0 1000 2000 3000 4000 5000
atltitude relativa (m)
Io
n
iz
aç
ão
 (
J) qI
qII
qIII
qIIIred.
Identificação da radiação cósmica 
• mediação de coincidência detecção 
da radiação cósmica (γ) somente 
depois da ionização de um átomo 
(efeito Compton) 
• mediadores de Geiger separada por 
placas de adsorção 
• Determinação da energia dos elétrons 
secundários variando a espessura 
das placas de adsorção
• elétrons secundários possuam a 
mesma energia e propriedades que a 
radiação cósmica ⇒ a radiação 
cósmica são partículas carregadas de 
alta energia com pelo menos 1000 
milhões de eletronvolts 
Walter Bothe 
(1891 – 1957)Werner Kolhörster 
(1887 – 1946)
Radiação cósmica e a descoberta de 
partículas elementares 
• energia de ligação dos núcleons é 
proporcional a número de núcleons A; 
• energia de ligação em moléculas é 
proporcional ao número átomos;
• Explicação: Intercambio de elétrons
Ha⋅1 Hb⋅2 Ha⋅2 Hb⋅1
• ligação dos núcleons análogo por 
intercambio de mesons;
• mesons possuam carga positiva ou 
negativa e massa de ≈ 280 × me
• Também esperava se meson neutra com 
massa semelhante
Hideki Yukawa 
(1907 – 1981) 
A descoberta dos pi-mesons (pions)
• se esperava a geração de mesons pela 
interação das partículas da radiação cósmica 
com os núcleos da atmosfera;
• 1947 posicionamento de emulsões 
fotográficos contendo boro em 2800 m (Pic du 
Midi de Bigorre ) e 5500 m (Chacaltaya ) 
César Mansueti Giulio Lattes 
(1924 – 2005) 
Cecil Frank Powell 
(1903 – 1961) 
pi+ meson (pi-meson, pion+) desintegrando em 
um muon (“µ-meson”) 
desintegração do núcleo P gera pi- meson (σ-meson) 
que inicia desintegração do núcleo S
desintegração de um núcleo iniciada por um próton da
radiação cósmica primaria libera pi0 mesons que se 
transforma dois quantos de radiação. Quando estes quantos 
passam perto de um núcleo atômico e se transforma em 
pares de partículas β- e β+ os quais iniciam cascadas de 
elétrons e fótons
Propriedades dos pions (pi mesons) e do 
muon (µ meson) 
• Cascada de β- e β+ e fótons induzidos pelo pi0 meson 
formam parte mole da radiação cósmica
• muons não interagem com os núcleos atômicos mas 
os transpassam. 
• Devido à baixa adsorção dos muons pela matéria 
eles formam a parte duro da radiação cósmica 
Partícula Símbolo Carga Massa em repouso 
(me)
Vida média 
(s)
pi+ meson pi+ + ≈ 274 ≈ 2⋅10-8
pi- meson pi- - ≈ 274 ≈ 2⋅10-8
pi0 meson pi0 0 ≈ 264 ≈ 1⋅10-16
muon µ- - ≈ 212 ≈ 2⋅10-6