Aula 2 Radioelementos, Isotopos e Radionuclideos

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Radioelementos, Isótopos e Radionuclídeos
Tabela Periódica dos Elementos
A Tabela Periódica dos elementos foi criada em 1869 por Lothar Meyer e independentemente por D. Mendeleyev, a fim de organizar os elementos de acordo com suas propriedades químicas e esclarecer as relações entre os elementos.
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A Tabela Periódica iniciou a descoberta de novos elementos que podem ser divididos em três fases, em ordem cronológica que se sobrepõem:
Descoberta de elementos estáveis​​: O último deste grupo foram háfnio (descoberto em 1922) e rênio (descoberto em 1925). Com estes, o grupo de elementos estáveis aumentou para 81 (número atômico 1 (hidrogênio) para 83 (de bismuto), com excepção dos números atômicos 43 (Tecnécio) e 61 (Promécio)). Além disso, os elementos instáveis ​​90 (tório) e 92 (urânio) eram conhecidos.
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(b) Descoberta de ocorrência natural de elementos instáveis​​: Urânio já havia sido descoberto em 1789 (Klaproth) e tório em 1828 (Berzelius). A investigação do decaimento radioativo destes elementos, principalmente por Marie e Pierre Curie, levou à descoberta dos elementos com os números atômicos 84 (Po = polônio), 86 (Rn = radônio), 87 (Fr = frâncio), 88 (Ra = rádio), 89 (Ac = actínio), e 91 (Pa = protactínio).
(c) Descoberta de elementos artificiais: Os elementos em falta 43 (Tc = tecnécio) e 61 (Pm = promécio) têm sido produzidos artificialmente por reações nucleares. Elemento 85 (As = astato) foi também o primeiro produzido por reação nuclear, e mais tarde foi encontrada nos produtos de decaimento do urânio e tório.
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De especial interesse foi o descoberta dos elementos transurânicos, por ser uma extensão da Tabela Periódica dos elementos. Com o aumento do número atômico, a estabilidade diminui consideravelmente, mas uma "ilha" de estabilidade um pouco maior ocorre em números atômicos da ordem de 114 com tempos de vida da ordem de milissegundos.
Os elementos radioativos mencionados em (b) e (c) são chamados de radioelementos. Todos os radioelementos existem apenas em formas instáveis​​. 
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Alguns elementos artificial (grupo c) provavelmente foram produzidos no curso da gênese dos elementos e estavam presentes na Terra no momento da sua formação. A idade da terra é estimada em cerca de 4,5. 109 anos. Durante esse tempo elementos artificiais com menor tempo meia-vida desapareceram por transformações nucleares. 
Depois de esperar por cerca de 106 anos, muitos dos elementos artificiais teriam sofrido decaimento. Daqui a um longo tempo (cerca de 1012 anos) os radioelementos U e Th também não existirão mais na Terra em quantidades mensuráveis​​. Como consequência a Tabela periódica dos elementos acabaria com o elemento 83 (Bi = bismuto).
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Um núcleo é dito ser composto por núcleons. Existem dois "tipos" de núcleons, o nêutron e o próton. Um núcleo com um determinado número de próton e nêutron é chamado de nuclídeo.
Radioelementos são elementos que existem somente na forma de radionuclídeos, mas não como isótopos estáveis!
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Muitos radioelementos naturais são de grande importância prática, em especial U no que diz respeito à sua aplicação como combustível nuclear, mas também Th, Ra e Rn. O gás nobre Rn é a principal fonte de radioatividade natural no ar.
Os radioelementos artificiais estão listados na tabela a seguir. Seu número é agora 22 e provavelmente continuará a aumentar no futuro. A proporção de radioelementos para o número total de elementos conhecidos está se aproximando de 30%.
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Muitos radioelementos artificiais ganharam grande importância prática. 99Tc em reatores nucleares é encontrado em todas as etapas do reprocessamento de combustível nuclear e em todos os tipos de armas nucleares. O isômero de curto tempo de vida 99Tc é um dos radionuclídeos mais amplamente utilizado na medicina nuclear.
Pu é usado como fonte de energia em baterias de radionuclídeos, por exemplo, em satélites. Pu é o mais importante radioelemento produzido em reatores nucleares.
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Nomenclatura de Elementos de números atómicos maiores do que 100:
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239Pu é um valioso combustível nuclear e também pode ser utilizado para a produção de armas nucleares. A taxa de produção mundial de 239Pu nos reatores de energia nuclear é da ordem de l00 tons por ano. Tratados de não-proliferação de armas deve impedir a distribuição descontrolada de Pu. Além disso, Pu é altamente tóxico.
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Plutônio 
O plutônio é um elemento químico pesado, não encontrável na natureza e subproduto do uso do urânio pelas usinas nucleares. Os principais isótopos do plutônio são: Pu-238 (meia-vida de 88 anos), Pu-239 físsil (meia-vida de 24 mil anos) Pu-240 fértil (meia-vida de 6.500 anos), Pu-241fissil (meia-vida de 14 anos) e o Pu-242 (meia-vida de 37.600 anos). Meia-vida é o tempo que o elemento químico radioativo leva para ter sua atividade reduzida pela metade.
Elemento químico mais perigoso: um micrograma (milionésimo de grama) desse elemento é suficiente para matar um adulto. Apenas 1 grama desse material seria capaz de matar 10 milhões de pessoas.
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Leitura: Como livrar o mundo do plutônio – Scientific American Brasil
http://www2.uol.com.br/sciam/noticias/como_livrar_o_mundo_do_plutonio.html
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Óxido de urânio como material radioativo
O óxido de urânio é um mineral radioativo composto por cristais de cor preta, cinza, marrom ou cristais opacos, sendo também conhecido como uraninita. Este minério é a principal fonte para a extração e a produção comercial do urânio, já que tem uma concentração relativamente alta desse elemento.
O urânio tem uma ampla gama de aplicações nas áreas militares e civis, principalmente em tecnologia nuclear, devido à sua capacidade de produzir uma reação em cadeia nuclear sustentável, sendo essencial também na geração de energia nuclear.
O primeiro estágio do processamento, após ser executado o processo de mineração do urânio, envolve o método de moagem do minério de urânio e a posterior adição de água, até atingir a consistência de pasta. O sulfato férrico é utilizado para oxidar o minério de urânio, que é dissolvido em ácido sulfúrico. Este urânio líquido rico é separado e colocado em contato com contas de resina especial, que absorvem os íons de urânio. Um banho ácido é usado para remover o urânio do restante dos grânulos, criando uma solução de urânio que é muito concentrada.
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Um solvente orgânico é combinado com a solução de urânio, que é então misturada com sulfato de amônio. Isso leva à precipitação de uma substância conhecida como diuranato de amônio, em essência, uma mistura de óxidos de urânio e amônia. O diuranato de amônio é, então, espessado e retirado da solução com o uso de filtros rotativos. Esta pasta é então assada para remover qualquer vestígio de amônia, deixando somente o óxido de urânio.
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Um nuclídeo (de núcleo) é uma espécie atômica que se caracteriza pela constituição específica de seu núcleo, ou seja, pelo seu número de prótons Z, o seu número de nêutrons N, e seu estado de energia. Assim, todos os nuclídeos são átomos que possuem pelo menos um elétron (embora certos íons podem ser incluídos), mas núcleos nus (como os que ocorrem em raios cósmicos e plasmas suficientemente quente) não o fazem, no sentido técnico, para qualificar-se para o termo. Em suma, um nuclídeo é um termo geral para todos os núcleos com um ou mais elétrons em órbita.
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	A palavra nuclídeo foi proposta por Truman P. Kohman, em 1947. Kohman originalmente sugeriu nuclídeo como se referindo a uma "espécie de núcleo", definido por conter um certo número de prótons e nêutrons. A palavra, portanto, foi originalmente destinado a concentrar-se no núcleo.
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A investigação dos radioelementos naturais levou à constatação de que os elementos devem existir em várias formas diferentes umas das outras por sua massa e suas propriedades nucleares. Na verdade, cerca de 40 tipos de átomos com
diferentes meia-vidas foram encontrados, para a qual apenas 12 lugares na tabela periódica dos elementos foram disponíveis com base em suas propriedades químicas. 
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O problema foi resolvido em 1913 por Soddy, que propôs colocar vários tipos de átomos no mesmo lugar na Tabela Periódica. Isto levou ao termo isótopo que significa "no mesmo lugar". Isótopos diferem pela sua massa, mas suas propriedades químicas são as mesmas, se a relativamente pequena influência da massa sobre as propriedades químicas for negligenciada.
Imediatamente após a proposta Soddy, a existência de isótopos de elementos estáveis ​​foi provado por Thompson (1913) usando o método para análise de raios positivos, e com apreciável maior precisão por Aston (1919), que desenvolveu o método da espectrometria de massa.
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Para muitos elementos um grande número de isótopos é conhecido. Por exemplo, estanho tem 10 isótopos estáveis e 18 instáveis​​. Alguns elementos têm apenas um isótopo estável, por exemplo, Be, F, Na, Al, P, I, Cs.
Cada elemento da tabela periódica tem pelo menos um isótopo radioativo.
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O nome correto do nuclídeo instável (radioativo) é radionuclídeo, e os termos radioelementos para elementos instáveis ​​e radionuclídeos para nuclídeos instáveis ​​são análogos. Para a identificação, o símbolo (ou o número atômico) e o número de massa são usados. O número atômico pode ser omitido (I4C), porque ele é conhecido pelo símbolo. 14C também pode ser escrito como C-14. Para completar informação, o tipo e a energia de transmutação e da meia-vida pode também ser indicados:
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Tabela completa dos isótopos pode ser vista em:
http://en.wikipedia.org/wiki/Table_of_nuclides_%28complete%29
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Cerca de 3600 nuclídeos são conhecidos. Alguns destes são encontrados na natureza e pode ser subdivididos em quatro grupos: 
(1) 264 são indiscutivelmente estável. 
(2) Para 25 nuclídeos com números atômicos com Z < 80 tem sido relatado decaimento radioativo, mas não confirmado para 7 destes. Existem muitos com meia-vida extremamente longa (9 nuclídeos > 1016 anos e 4 nuclídeos > 1020 anos), e radioatividade não foi provada de forma inequívoca. 
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(3) Principais fontes de radioatividade natural composto por 46 nuclídeos são 239U, 235U e 232Th e seus produtos de decaimento radioativo. 
(4) Radionuclídeos cosmogênicos são continuamente produzidas pelo impacto da radiação cósmica, e os principais representantes deste grupo são 14C, 7Be e 3H. Radionuclídeos existentes desde o início, ou seja, desde a gênese do elementos, são chamados de radionuclídeos primordiais. Eles compõem os radionuclídeos de grupo (2) e 238U, 235U, 232Th e 244Pu.
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Os Raios Cósmicos são partículas que provêm do espaço exterior e bombardeiam constantemente a terra. A cada segundo, cerca de 200 dessas partículas com energias de alguns milhões de eletrons-volts (106eV) atingem cada metro quadrado de nosso planeta. Existe um número enorme desses raios cósmicos de baixa energia, mas os de maior energia são em número muito menor. Acima de 1018eV, chega apenas uma partícula por semana em uma área de 1 quilomêtro quadrado. Acima de 1020eV, esse número cai para uma partícula por quilômetro quadrado por século! Para encontrar e medir essas partículas, os físicos de raios cósmicos precisam esperar séculos ou então construir gigantescos detectores. 
Os raios cósmicos são núcleos altamente energéticos que atravessam o nosso universo. Cerca de 87% dos raios cósmicos observados são núcleos de Hidrogênio. 12% são núcleos de Hélio e os restantes são elementos mais pesados como o Carbono e o Ferro. 
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Os radionuclídeos que ocorrem naturalmente podem ser classificados como: 
 primordiais, isto é, nuclídeos que sobreviveram desde o tempo quando elementos foram formados;
(b) cosmogênicos, isto é, nuclídeos formados continuamente pela interação de raios cósmicos com a matéria, e possuem tempo de vida mais curto; 
(c) antropogênicos, ou seja, uma grande variedade de nuclídeos introduzidos no meio ambiente pelas atividades dos seres humanos, como testes de armas nucleares, a operação (ou mau funcionamento) de usinas de energia nuclear. 
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Os radionuclídeos primordiais têm meia-vida maiores que 109 ou são produtos de decaimento destes núcleos.
Exemplos:
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A segunda classe de radionuclídeos de ocorrência natural é o núcleo cosmogênico, produzido pelas interações da radiação cósmica com núcleos na estratosfera. O mais importante desses núcleos são 3H (trítio), 14C, e 7Be. Esses núcleos se movem para a troposfera através de processos de troca normal e são trazido para a superfície da Terra pela água da chuva.
O terceiro componente principal da radioactividade ambiental é devido à atividades dos seres humanos (antropogênico). Este grupo de nuclídeos inclui os produtos de fissão e os elementos transurânicos. As principais fontes destes nuclídeos são testes de nuclear armas e acidentes em usinas nucleares.
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Os seguintes grupos de nuclídeos podem ser distinguidos: - Isótopos: Z = P igual - Isótonos: N = A - Z igual - Isóbaros: A = N + Z igual - Isodiásferos: N - Z igual
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Lista de radionuclídeos comercialmente disponíveis 
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Por comparação do número de prótons e P o número de nêutrons N em núcleos estáveis, verifica-se que para elementos leves (pequeno Z) N é próximo de P. Com o aumento atômica número Z, no entanto, um excesso crescente de nêutrons é necessário a fim de gerar núcleos estáveis​​.
Não há núcleos estáveis ​​com um número atômico maior do que 83. 
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Qualquer elemento com mais de um próton terá repulsões entre os prótons do núcleo. 
A força nuclear forte ajuda a manter a estabilidade do núcleo. 
Os nêutrons desempenham um papel chave na estabilização do núcleo. 
Portanto, a relação entre o número de nêutrons e prótons é um fator importante .
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Para núcleos menores (Z ≤ 20), os núcleos estáveis ​​têm uma relação nêutron/próton próxima de 1:1. 
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Núcleos acima deste cinturão tem muitos nêutrons.
Tendem a decair com emissão de partículas beta.
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Núcleos abaixo do cinturão têm muitos prótons.
 Tendem a tornam-se mais estável por emissão de pósitrons ou a captura de elétrons.
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A banda de estabilidade nuclear, indicando várias combinações nêutrons/prótons que dão origem a núcleos observáveis. Combinações de fora da banda não são estáveis. A "ilha de estabilidade", perto 114 prótons e 184 nêutrons corresponde a um grupo de núcleos superpesados ​​que estão previstos serem estáveis. Os primeiros membros deste grupo 287114, 288114, 289114 e 292116 foram preparados em 1999. O isótopo 289114 possui meia vida de 30,4 s.
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Estabilidade dos nuclídeos:
P par, N par (núcleos par-par):
	Muito comum, 158 núcleos
P par, N ímpar (núcleos par-ímpar):
	Comum, 53 núcleos
P ímpar, N par (núcleos ímpar, par): Comum, 51 núcleos
P ímpar, N ímpar (núcleos ímpar, ímpar):
	Raros, apenas 6 núcleos (2H, 6Li, 10B, 14N, 50V, 180Ta)
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Um núcleo com 2, 8, 20, 28, 50, 82, ou 126 prótons ou nêutrons é particularmente estável, assim como um átomo ter uma configuração eletrônica de gás nobre com 2, 10, 18, 36, 54, ou 86 elétrons tender a ser estável.
Parece haver certos "números mágicos" de prótons ou nêutrons — 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 — que dão origem a núcleos particularmente estáveis. Por exemplo, há dez isótopos de estanho que ocorrem naturalmente, e que tem um número mágico de prótons (50), mas há apenas dois isótopos de ocorrência natural de seus vizinhos de cada lado de índio e antimônio. Chumbo-208 é especialmente estável porque tem um número mágico de nucleons dupla: 126 nêutrons e 82 prótons.
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Propriedades dos núcleos:
Os diâmetros dos átomos variam entre cerca
0,8x10-10 e 3,0x10-10 m, enquanto os diâmetros dos núcleos estão na faixa de cerca de 0,3x10-14 a 1,6x10-14 m.
A distribuição de carga (distribuição dos prótons) é praticamente constante no interior do núcleo e diminui perto de sua superfície, como mostrado na figura abaixo.
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A distribuição dos nêutrons é assumida como sendo aproximadamente a mesma que dos prótons. Então a distribuição em massa no núcleo também é o mesmo que o distribuição de carga. A presença de nêutrons aumenta a força forte sem aumentar a repulsão eletrostática entre os núcleons.
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Se as forças nucleares entre dois núcleons (prótons e nêutrons) são plotados em função da sua distância do outro, a curva mostrada na figura abaixo é obtida. A interação núcleon-núcleon torna-se efetiva somente em distâncias inferiores a 2,4 fm (10-15 m). A interação em si é muito forte, resultando em um alto potencial negativo de cerca de 50 MeV numa distância de equilíbrio pequena de cerca de 0.6 fm.
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Considerando que as forças nucleares tendem à saturação, a energia de repulsão de Coulomb entre prótons aumenta continuamente com o número atômico Z, fazendo com que dos núcleos atômicos pesados ​​com altos números atômicos sofram instabilidade. 
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Um cubo de matéria nuclear, com 1 mm em cada lado conteria uma massa de 200 mil toneladas!! 
Pense nas forças tremendas que são necessárias para manter a matéria em conjunto com esta densidade. 
Mudanças relativamente pequenas em núcleos (via decaimento ou reações) podem liberar grandes quantidades de energia
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Forças nucleares são devidos à interação forte entre núcleons. Além da interação forte, a interação fraca e a interação eletromagnética são importantes para núcleos e partículas elementares. 
Interação fraca também tem um alcance limitado, da ordem de alguns femtometros. É responsável pelo decaimento de partículas beta. 
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Interação eletromagnética é observada para todas as partículas carregadas num campo eletromagnético. Interação eletromagnética também é responsável pela ligação química. 
O quarto tipo de interação é a gravitação, sendo responsável pela gravidade e o movimento dos planetas. De acordo com a teoria quântica, partículas virtuais mediadoras são responsáveis ​​pela interação, como, por exemplo, a troca de glúons para a interação forte e troca de fótons para a interação eletromagnética.
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Os férmions são os blocos básicos de construção de toda a matéria
Um férmion é uma partícula que tem spin semi-inteiro (em unidades de h) e obedece à estatística de Fermi-Dirac. Todas as partículas elementares ou são férmions ou bósons. 
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Em 1964, Gell-Mann propôs a existência de partículas fundamentais, que ele chamou de quarks. No modelo padrão, existem três famílias de quarks : "Up" e "down", "charme" e "estranho", "top" e "bottom".
Os quarks são os constituintes fundamentais de hádrons e interagem através da interação nuclear forte.
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Léptons não interagem através da interação forte.
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Bósons têm spin inteiro. As forças fundamentais da natureza são mediadas por bósons mediadores, e acredita-se que a massa é criada pelo bóson de Higgs. De acordo com o modelo os bósons elementares são:
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Partículas compostas:
Hádrons são definidos como partículas compostas.
 Os hádrons são:      * bárions.
      * mésons. 
Bárions contêm três quarks de valência ou três antiquarks de valência cada.      Nucleons são os constituintes dos núcleos atômicos fermiônicos normais:            Prótons: composto de dois quarks up e um quark down (uud)            Neutrons: composto de dois quarks down e um quark up (ddu)
Mésons são compostos de um quark e um antiquark. 
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