Aula 1 Radioquimica

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Química nuclear consiste em um esforço de quatro frentes compostas de: 
 estudos da propriedades químicas e físicas dos elementos mais pesados, onde a detecção de substâncias radioativas é uma parte essencial do trabalho;
 os estudos de propriedades nucleares, tais como reações e decaimento radioativo;
 estudos dos fenômenos macroscópicos (como geocronologia), onde processos nucleares estão intimamente envolvidos;
 aplicação de técnicas de medição com base em fenômenos nucleares (como a medicina nuclear, análise de ativação ou radiotraçadores) para estudar problemas científicos em uma variedade de campos. 
Radioquímica
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Como um ramo da química, as atividades de químicos nucleares freqüentemente extendem por diversas áreas tradicionais da química, tais como orgânica, analítica, inorgânica, e físico-química. 
Química nuclear tem ligações com todos os ramos da química. 
Por exemplo, os químicos nucleares são freqüentemente envolvidos com a síntese e preparação de moléculas radiomarcadas para uso em pesquisa ou medicina. 
Técnicas analíticas nucleares são uma parte importante do arsenal do químico analítico moderno. O estudo dos elementos actinídeos e transactinídeos envolveu os esforços conjuntos de químicos nucleares no conhecimento que se estende da tabela periódica. 
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"Quais são as diferenças entre a física e a química nuclear? 
Os dois se sobrepõem em grande medida, e em reconhecimento dessa sobreposição, eles são referidos coletivamente como “ciência nuclear." Mas existem distinções entre estes dois campos. 
Os químicos nucleares tendem a estudar os problemas nucleares de maneiras diferentes do que físicos nucleares. Muito da física nuclear está focada em estudos detalhados da interações fundamentais entre as partículas subatômicas e as simetrias básicas que regem seu comportamento. Químicos nucleares, ao contrário, tendem a se concentrar nos estudos dos fenômenos onde "comportamento estatístico" é importante. 
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Químicos nucleares são mais propensos a se envolver em aplicações de fenômenos nucleares do que os físicos nucleares. Alguns problemas, como por exemplo a migração de nuclídeos no ambiente, envolve quase exclusivamente químicos.
Um termo que é freqüentemente associada com a química nuclear é a radioquímica. O termo radioquímica se refere à manipulação química da radioatividade e fenômenos associados.
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Wilhelm Conrad Roentgen
 1845-1923
Em 1895, Roentgen estava estudando tubos de raios catódicos, do tipo usado por J. Plücker (1859), J.W. Hittorf (1869), William Crookes (1875) e E. Goldstein (1886).
A descoberta do raio X 
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No final de 1895, Roentgen estava trabalhando com um tubo de raios catódicos em seu laboratório. Ele estava trabalhando com tubos semelhantes às nossas lâmpadas fluorescentes. Evacuou o tubo, encheu-o com um gás especial, e passou uma alta tensão elétrica através dele. 
Quando ele fez isso, o tubo produziu um brilho fluorescente. Roentgen protegeu o tubo com cartolina preta, e descobriu que uma luz de cor verde podia ser visto em uma tela a alguns metros de distância do tubo. 
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Em sua descoberta Roentgen descobriu que o raio-X passava através do tecido dos seres humanos deixando os ossos e metais visíveis. Uma das primeiras experiências de Roentgen no final de 1895 foi um filme da mão de sua esposa Bertha, com um anel em seu dedo. A notícia da descoberta de Roentgen espalhou-se rapidamente em todo o mundo. Em 1896, raios-X estavam sendo utilizados clinicamente nos Estados Unidos para estudo de fraturas e ferimentos por arma de fogo.
Ele percebeu que tinha produzido um até então desconhecido "luz invisível", ou raio, que estava sendo emitido a partir do tubo; um raio que era capaz de passar através do papel que cobria o tubo. Através de experimentos adicionais, ele também descobriu que o novo raio passaria a maioria das substâncias. Ele nomeou a nova luz com raio-X.
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8 Nov, 1895 
Mão de Bertha em uma chapa fotográfica e expostos para os raios do tubo de raios catódicos. Ele observou as sombras dos ossos de sua mão ea do anel que ela usava.
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Tubo de raios catódicos de Roentgen
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Laboratório de Roentgen
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Laboratório de Roentgen
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Uma imagem radiográfica produzida por aspersão de platinocianeto de bário em um filme fotográfico.
platinocianeto de bário
Roentgen observou que platinocianeto de bário apresentava fluorescência quando colocado perto do tubo de raios catódicos.
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Cardboard box covering cathode ray tube
Em 8 de novembro de 1895, Roentgen havia colocado uma caixa de papelão, coberto com papel preto, sobre o tubo de raios catódicos para ver melhor o brilho dos minerais devido à luz do tubo. Durante o experimento, ele percebeu que o platinocianeto de bário ainda estava brilhando.
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Propriedades dos Raios-X observadas por Roentgen
Todos os corpos são transparentes ao raio-X, embora em graus muito diferentes.
Muitos corpos apresentam fluorescência sob a influência de raios-X. 
Raios-X não pode ser refratada por um prisma e eles não podem ser concentrados por lentes.
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Propriedades dos Raios-X observadas por Roentgen
Raios-X não podem ser desviados por um ímã.
Raios-X não pode ser regularmente refletida por quaisquer órgãos.
Raios-X não pode ser polarizada.
Os raios X são produzidos quando os raios catódicos atingem as paredes do tubo de raios catódicos, ou quando os raios catódicos atingem uma superfície metálica.
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Mão de Albert von Kolliker. 
Raio-X obtido por Roentgen na primeira aparição pública em janeiro de 1896.
 Reference: Conclusion of Wurzburg Physical-Medical Society
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Raio-X da mão de um cadáver, feito por Mr. Haschek e Dr. Lindenthal, em Vienna. Para fazer as veias visíveis, foi injetada na mão uma mistura de óxido de cálcio, sulfeto de mercúrio e petróleo.
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Primeiro Raio-X na América pelo Dr. Michael Pupin na Columbia University, em Fevereiro de 1896, para ajudar na cirurgia onde mais de 40 projéteis estavam na mão. Dr. Michael Pupin (1858-1935)
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Raio-X, por Francis Williams - Boston, 1896
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Dispositivo de raios-X para sapato 
Inventado no final de 1940
Banido nos anos de 1970
Vídeo de raio-X de sapatos no YouTube http://www.youtube.com/watch?v=wbMN6jueU1A
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Primeira radiografia do cérebro humano
 H.A. Falk 1896 
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Dr. Edwin Frost (à direita) e seu irmão Dr. Gilman Frost (em pé). Raio-X do braço fraturado de um jovem paciente no Dartmouth College, 3/2/1896. O aparelho consiste de uma bateria, um tubo de raios catódicos, e uma bobina de indução. Filme fotográfico está sob o braço do menino.
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Tubo de Raio-X antigo
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O público estava fascinado por esse "novo" raio-x.
Tornou-se uma novidade visitar um estúdio de raio-x e obter uma fotografia de raio-x da mão.
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Em um laboratório de raios-X, o médico usava uma tela fluorescente para ver o esqueleto e órgãos internos de um paciente. (O tubo de raios X está na frente do paciente.)
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Efeito da superexposição aos raios-X.
 O perigo de raios-X não foi descoberto durante muitos anos. Roentgen morreu em 1923 de carcinoma do intestino. Como Roentgen só trabalhou por um curto tempo com raios-X, e porque ele usou escudos de proteção de chumbo em seus estudos mais tarde, acredita-se que o seu carcinoma não era o resultado de seu trabalho com radiação ionizante.
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Os cientistas Max von Laue, Friedrich e Knipping explicaram que os raios X eram resultado da colisão de raios catódicos (elétrons) contra os elétrons do cátodo. Não sendo como as radiações alfa, beta e gama, que são de origem nuclear.
Atualmente, sabe-se que os raios X também podem ser produzidos por saltos de elétrons em regiões próximas ao núcleo dos átomos ou pelo choque de elétrons com anteparos duros (que foi o que ocorreu
no tubo de raio catódico do experimento de Röentgen).
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Radioatividade foi descoberto em 1896 em Paris por Henri Becquerel, que investigou a radiação emitida por minerais contendo urânio. Ele descobriu que as placas fotográficas foram enegrecida na ausência de luz, se eles estavam em contato com os minerais. Dois anos mais tarde (1898) propriedades semelhantes foram descobertos para o tório por Marie Curie na França e por G. C. Schmidt na Alemanha. 
Marie Curie encontrou diferenças na radioatividade de urânio e tório, e concluiu que estes materiais deviam conter elementos radioativos desconhecidos. Junto com seu marido, Pierre Curie, descobriu o polônio em 1898, e rádio no final do mesmo ano. 
Descoberta da radioatividade
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Radioatividade é uma propriedade da matéria e para a detecção de substâncias radioactivas detectores são necessários, por exemplo, contadores Geiger-Muller ou emulsões fotográficas. Verificou-se que esses detectores também indicam a presença de radiação na ausência de substâncias radioativas. Se eles são protegidos por paredes espessas de chumbo ou outros materiais, a taxa de contagem diminui sensivelmente. Por outro lado, se os detectores são colocados a maiores alturas na atmosfera, aumenta a taxa de contagem por um fator de cerca de 12 a uma altura de 9.000 m acima do solo. 
Isto prova a presença de outro tipo de radiação que entra na atmosfera de fora. Ela é chamada radiação cósmica para distingui-la da radiação terrestre. Por uma série de interações com as moléculas de gás na atmosfera, a radiação cósmica produz uma variedade de partículas elementares (prótons, nêutrons, prótons, elétrons, pósitrons, mésons) e de átomos radioativos.
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Antoine Henri Becquerel
1852-1908
Antoine Henri Becquerel resolveu investigar se havia alguma conexão entre os raios X e fosforescência natural.
    Utilizando sais de urânio, que fosforescem com a exposição à luz solar, Becquerel colocou em um prato coberto com papel fotográfico opaco.
   Quando a placa foi desenvolvido, descobriu-se estar manchada.
   Depois de guardar uma placa fotográfica longe de qualquer luz solar intensa, Becquerel descobriu que a placa ainda estava embaçada.
   Ele concluiu que algum tipo de atividade radioativa era proveniente dos minerais de urânio.
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Em 1896, Henri Becquerel estava usando minerais naturalmente fluorescentes para estudar as propriedades de raio-x, que havia sido descoberto em 1895 por Wilhelm Roentgen. Ele expôs o sulfato de uranila de potássio para a luz solar e, em seguida, colocou-o em placas fotográficas envolto em papel preto, acreditando que o urânio absorvia a energia do sol e então emitiria como raios-x. 
Esta hipótese foi refutada em 26/27 de Fevereiro, quando seu experimento "falhou" porque estava nublado em Paris. Por alguma razão, Becquerel resolveu revelar suas placas fotográficas de qualquer maneira. Para sua surpresa, as imagens foram fortes e claras, provando que o urânio emitia radiação sem fonte externa de energia, como o Sol. Becquerel descobriu a radioatividade.
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Becquerel utilizou um aparelho para mostrar que a radiação que ele descobriu não poderiam ser raios-x. Raios-X são neutros e não pode ser dobrado em um campo magnético. A nova radiação foi desviada pelo campo magnético de modo que a radiação deve ser carregada e ser diferente do raio-X. 
Quando diferentes substâncias radioactivas foram colocadas num campo elétrico, houve o desvio em direções diferentes ou não em todos, mostrando que havia três classes de radioatividade: negativo, positivo, e eletricamente neutro.
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Chapa fotográfica de Becquerel com a imagem de sulfato de potássio uranilo
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Marie Sklodowska Curie e Pierre Curie
Pierre Curie (1859-1906)
Marie Curie (1867-1934)
Marie Sklodowska Curie e seu marido, Pierre Curie investigaram o mineral pechblenda para determinar que substância era responsável pela atividade radioativa.
Após a obtenção de 100 kg de pechblenda de uma mina em Jachymov, Tchecoslováquia, eles analisaram e encontraram dois novos elementos, Polônio, anunciado em julho de 1898, e rádio, anunciado em 26 de dezembro de 1898.
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O termo radioatividade foi inventado por Marie Curie, que juntamente com seu marido Pierre, começou a investigar o fenômeno descoberto por Becquerel. Os Curies extraíram urânio de um minério e para sua surpresa, descobriram que o minério de sobra mostrava mais atividade do que o urânio puro. Eles concluíram que o minério continha outros elementos radioativos. Isso levou à descoberta dos elementos polônio e rádio. Demorou mais quatro anos de processamento de toneladas de minério para isolar o suficiente de cada elemento para determinar suas propriedades químicas.
Por seu trabalho sobre a radioatividade, os Curies foram agraciados com o Prêmio Nobel 1903 de Física. Em 1910, Marie Curie foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química por suas descobertas de rádio e polônio, tornando-se assim a primeira pessoa a receber dois prêmios Nobel.
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O laboratório onde Marie Curie isolado rádio. Ela se referia a ele como o "barracão velho miserável".
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Eletroscópio utilizado para medir a radioatividade desenvolvido por Pierre Curie e seu irmão
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Uma amostra de pechblenda utilizado pelo casal Curie que levaram à descoberta do rádio e polônio. 
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Brometo de rádio mostrado no escuro
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Ernest Rutherford (1871-1937) no seu laboratório, 1903
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Experiência de Rutherford identificação de partículas α, β e γ:
 Em 1898, usando o urânio metálico ou um minério de urânio, Rutherford mostrou que a radiação pode ser dividida em três partes que ele chamou de alfa, beta e gama.
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Ernest Rutherford, que fez muitos experimentos estudando as propriedades de decaimento radioativo, chamado estes alfa, beta, gama e partículas, e classificou-os por sua capacidade de penetrar a matéria. Quando o ar da câmara foi removido, a fonte alfa fez um ponto na chapa fotográfica. Quando o ar foi adicionado, a mancha desapareceu. Assim, apenas alguns centímetros de ar foram o suficiente para parar a radiação alfa.
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Pelo fato das partículas alfa transportarem mais carga elétrica, serem mais maciços e moverem-se lentamente em comparação com as partículas beta e gama, eles interagem mais facilmente com a matéria.
Partículas beta possuem massa menor e se movem mais rápido, mas são eletricamente carregadas. Uma folha de alumínio com alguns milímetros ou vários metros de espessura de ar consegue parar estes elétrons. 
Pelo fato dos raios gama não possuirem carga elétrica, eles podem penetrar grandes distâncias através de materiais antes de interagir. Vários centímetros de chumbo ou um metro de concreto é necessário para parar a maioria dos raios gama.
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Transmutação Artificial
	Transformações nucleares podem ser induzidas ao induzir a aceleração de uma partícula e colidir com outra.
Em 1919 Ernest Rutherford tornou-se a primeira pessoa a transmutar um elemento em outro pelo bombardeamento com partículas α.
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Aceleradores de partículas
Hoje, os aceleradores de partículas são usadas para transmutar elementos em novos elementos, bem como para investigar a natureza do átomo.
Um dos primeiros aceleradores de partículas foi o ciclotron, desenvolvido por Ernest O. Lawrence em 1929.
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Aceleradores de partículas modernos
	 Aceleradores de partículas lineares e circulares. Acelerador de partículas circular precisa de menos espaço.
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Dentro de um Acelerador de partículas linear
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Dentro de um Acelerador de partículas circular
O Grande Colisor de Hádrons es (em inglês: Large Hadron Collider - LHC) do CERN, é o maior acelerador de partículas e o de maior energia existente do mundo. Seu principal objetivo é obter dados sobre colisões de feixes de partículas, tanto de prótons a uma energia de 7 TeV (1,12 microjoules) por partícula, ou núcleos de chumbo a energia
de 574 TeV (92,0 microjoules) por núcleo. 
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O laboratório localiza-se em um túnel de 27 km de circunferência, bem como a 175 metros abaixo do nível do solo na fronteira franco-suíça, próximo a Genebra, Suíça.
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Dos extremos
A maior máquina do mundo.
A circunferência exata do LHC é de 26659 m e contém 9300 ímans (magnetos). Além de ser o maior acelerador de partículas do mundo, unicamente uma oitava parte do seu sistema de criogenia já seria o maior 'frigorífico' do mundo!
O mais frio
Todos os magnetos são pré-refrigerados a -193,20C (80 K) utilizando 10080 t de nitrogênio líquido, antes de ser cheio com 60 t de hélio líquido que os levam a -271,3ºC (1,9 K), quase o zero absoluto.
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O espaço mais vazio do sistema solar.
Para evitar colisões com as moléculas de gás presente no acelerador, os feixes viajam numa cavidade tão vazia como o espaço interplanetário, ao que se chama o 'ultravazio'. A pressão interna do LHC é de 10−13 atm, o que é seis vezes inferior à pressão existente na Lua.
O circuito mais rápido do mundo
A sua velocidade máxima o trilhão de prótons lançados a 99,99 % da velocidade da luz, vão efetuar 11245 voltas no acelerador por segundo. Dois feixes de prótons viajando cada uma energia máxima de 3,5 TeV, permitem colisões frontais a 4 TeV, o que dará lugar a cerca de 600 milhões de colisões por segundo.
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O mais potente supercomputador 
A aquisição de dados de cada uma das grandes experiências do LHC poderiam encher 100.000 DVD de dupla camada de uma capacidade unitária de 8,5 GB por ano. A fim de permitir a cerca de 7 000 físicos do mundo inteiro a participar da análise desses dados durante os próximos quinze anos, a duração prevista do LHC, dezenas de milhares de computadores dispersos pelo mundo serão utilizados no quadro de uma rede informática descentralizada.
Referência CERN
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Substâncias radioativas na Natureza
Substâncias radioativas são amplamente distribuídas na Terra. Algumas são encontradas na atmosfera, mas a maior parte está presente na litosfera. O mais importante são os minérios de urânio e tório, e sais de potássio, incluindo produtos radioativos do decaimento do urânio e tório. Suas concentrações em granito são cerca de 4 e 13mg/kg, respectivamente, e a concentração de urânio na água do mar é de cerca de 3 pg/L. 
O mineral contendo urânio mais importante é a pechblenda. O mais importante minério com tório é monazita. A medição da radioatividade natural é uma importante ferramenta para, por exemplo, a determinação da idade de minerais.
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Química Nuclear
Núcleos instáveis ​​emitem radiação para alcançar uma configuração mais estável em um processo chamado decaimento radioativo Tipos de radiação: 1. Alpha radiação (42He) - tem uma carga 2 2. Radiação beta (0-1β) - tem uma carga -1 3. Radiação gama (00) - quase sempre acompanha alfa ou radiação beta 
Radiação alfa:
		 Radiação Alfa:
			22688Ra → 22286Rn + 42He
		 Radium – 226 Radon-222 alpha particle
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Radiação Beta:
			13153I → 13154Xe + 0-1β
		 Iodine-131 Xenon-131 Beta Particle
Radiação Gama:
		23892U → 23490Th + 42He + 00 
 Uranium-238 Thorium-234 Alpha Gamma
 					 particle particle
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Estabilidade Nuclear
Repulsão eletrostática: força produzida por partículas com a mesma carga (ou seja, próton-próton)
 Como é que os prótons são capazes de permanecer no núcleo?
 Força Nuclear Forte: uma força que age apenas sobre as partículas subatômicas que são extremamente próximas uma das outras - Supera a repulsão eletrostática entre prótons - Atua em ambos os prótons e nêutron
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Decaimento Radioativo
Estabilidade Nuclear está relacionado ao equilíbrio entre eletrostática e forças nucleares fortes Tipos de Decaimento Radioativo: 1. decaimento alfa 2. decaimento beta 3. Gamma de emissão 4. Por emissão de pósitrons: envolve a emissão de um pósitron de um núcleo - Pósitrons : uma partícula com a mesma massa que um elétron, mas com carga oposta
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Leitura:
“A ETERNA BUSCA DO INDIVISÍVEL: DO ÁTOMO FILOSÓFICO AOS QUARKS E LÉPTONS” - Francisco Caruso e Vitor Oguri- QUÍMICA NOVA, 20(3) (1997).
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