Aula 3 Decaimento radioativo

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Decaimento radioativo
Radioisótopos decaem em isótopos estáveis de um elemento diferente
Em reações nucleares, a composição do núcleo muda. Às vezes, o número de prótons muda, levando à mudança do elemento.
As três formas mais comuns de decaimento radioativo ocorrem com a emissão de partículas alfa (α), beta (β) e gama (γ)
Partículas alfa são as menos penetrante. Os raios gama são os mais penetrantes.
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O dano causado ​​por radiação nuclear é devido à ionização dos tecidos vivos . 
Radiação nuclear é chamada radiação ionizante porque produz íons a partir de moléculas neutras. 
A radiação alfa tem uma penetração baixa, mas é a mais prejudicial para o tecido vivo, porque deposite toda a sua energia ao longo de um caminho curto 
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Reações nucleares, tais como o decaimento espontâneo, se distinguem de reações químicas de várias maneiras:
 Reação nuclear envolve uma mudança no núcleo de um átomo, geralmente produzindo um elemento diferente. A reação química, ao contrário, envolve apenas uma mudança na distribuição dos elétrons das camadas externas ao redor do átomo e nunca muda o próprio núcleo ou produz um elemento diferente.
 Diferentes isótopos de um elemento têm essencialmente o mesmo comportamento em reações químicas, mas muitas vezes têm um comportamento completamente diferente em reações nucleares.
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A velocidade de uma reação nuclear não é afetado por uma mudança na temperatura ou pressão ou pela adição de um catalisador.
A reação nuclear de um átomo é essencialmente a mesma, independentemente do átomo estar em um composto químico ou em forma elementar isolada.
A mudança de energia que acompanha uma reação nuclear é muito maior do que que acompanha uma reação química. A transformação nuclear de 1,0 g de urânio-235 gera, por exemplo, 8,2x107 kJ, enquanto a combustão química de 1,0 g de metano libera apenas 56 kJ.
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Emissão de partículas alfa
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Uma partícula alfa é um núcleo de hélio e tem uma carga +2 e massa de 4 uma.
Decaimento alfa: Perda de uma partícula α (núcleo de hélio)
Verifica-se que todos os nuclídeos com números de massa A > 140 são instáveis ​​com respeito a um decaimento alfa. A razão para a baixa energia de ligação da partícula alfa no núcleo é a alta energia de ligação dos quatro núcleons da partícula alfa. Portanto, nuclídeos com A > 140 são energeticamente instáveis.
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Decaimento alfa ocorre tipicamente nos nuclídeos mais pesados. Em teoria, pode ocorrer apenas em núcleos um pouco mais pesado do que o níquel (elemento 28), onde a energia de ligação global por núcleo não é mais um mínimo, e os nuclídeos são, portanto, instáveis em processos de fissão espontâneas. 
Na prática, este modo de decaimento foi apenas observado em nuclídeos consideravelmente mais pesados ​​do que o níquel, com o emissor mais leve alfa conhecida sendo os mais leves isótopos (números de massa 106-110) de telúrio (elemento 52).
 
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Existem um total de 815 nuclídeos emissores alfa
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Emissão de partículas beta
(antineutrino)
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No decaimento β, a interação fraca converte um núcleo em seu vizinho de maior número atômico na tabela periódica durante a emissão de um elétron (e-) e um antineutrino:
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Nuclídeos com um excesso de nêutrons apresentam emissão de partículas beta.
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A partícula beta é um elétron que é formado quando um nêutrons torna-se um próton.
Decaimento Beta: Perda de uma partícula β (um elétron de alta energia)
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Existem no total de 1281 nuclídeos emissores beta
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Emissão de pósitrons
Nuclídeos com um excesso de prótons apresentam emissão de pósitron
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Potássio-40, por exemplo, emite pósitrons para produzir argônio-40, uma reação nuclear importante na geologia para datar rochas.
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Emissão de Pósitrons: Perda de um pósitron (uma partícula que tem a mesma massa, mas carga oposta do que um elétron)
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Isótopos que sofrem decaimento e emitem pósitrons incluem: carbono-11, potássio-40, nitrogênio-3, oxigênio-15, flúor-18, e iodo-121. Como um exemplo, a equação que se segue descreve o decaimento beta do carbono-11 para o boro-11, com a emissão de um pósitron e um neutrino: 
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Captura de elétrons
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Electron Capture (captura K): Adição de um elétron de uma camada interna por um próton no núcleo. Como resultado, um próton é transformado em um nêutron.
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Captura de elétrons é um processo em que um nuclídeo rico em prótons absorve um elétron de uma camada interna (mudando um próton nuclear para um nêutron) e, simultaneamente, emite um neutrino. Várias emissões de fótons ocorrem, a fim de permitir que a energia do átomo caia para o estado fundamental do novo nuclídeo.
 Captura de elétrons é o principal modo de decaimento de isótopos com uma superabundância de prótons no núcleo. 
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Alguns radioisótopos comuns que decaem por captura de elétrons: 
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Emissão de raios gama
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Os raios gama são produzidos após os outros tipos de decaimento ocorrerem, tais como alfa ou beta. O mecanismo é que, quando um núcleo emite uma partícula α ou β, o núcleo gerado é geralmente deixado em um estado excitado. Ele pode então passar para um estado de menor energia emitindo raios gama, da mesma maneira que um elétron pode saltar para um estado de menor energia, emitindo um fóton. 
Emissão de um raio gama a partir de um estado nuclear excitado requer tipicamente apenas 10-12 segundos. Decaimento gama de estados excitados também pode seguir as reações nucleares, tais como captura de nêutrons, a fissão nuclear, ou de fusão nuclear. 
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Emissão de gama: Perda de um raio-γ (radiação de alta energia que quase sempre acompanha a perda de uma partícula nuclear alfa ou beta)
Radiação gama quase sempre acompanha a emissão como um mecanismo para a liberação de energia, mas muitas vezes não é mostrado ao escrever equações nucleares, porque não há mudança no número de massa nem o número atômico do núcleo do produto.
Normalmente, este tipo de radiação surge quando o produto resultante a partir de decaimento alfa ou beta é formado em um estado excitado. Este estado excitado retorna muito rapidamente (10-16 a 10-13 s) para o estado fundamental através da emissão de um fóton gama, imediatamente após a emissão das partículas alfa e beta.
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Raios gama e raios X possuem propriedades semelhantes e se distinguem pela sua origens: os raios X são emitidos a partir dos elétrons dos átomos, os elétrons se estão passando dos estados de maior energia para os de mais baixa energia; raios y são emitidos a partir de núcleos, se estes passam de estados excitados para estados de menor energia. 
A energia dos raios X varia de cerca de 100 eV a 100 keV (de comprimentos de onda sobre 10 nm para 10 pm), e que de raios y de cerca de 10 keV a 104 MeV (faixa de comprimentos de onda cerca de 0,1 nm para 10-7 nm).
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Um raio gama é uma onda eletromagnética com energia elevada.
Um raio gama não tem massa ou carga.
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Equações nucleares (geral):
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Este processo diminui a relação nêutron / próton:
Estes processos aumentam a relação nêutron / próton:
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Balanceamento de Equações Nucleares
Conservação do número de massa (A). 
Conservação do número atômico (Z) ou carga nuclear. 
235 + 1 = 138 + 96 + 2x1
92 + 0 = 55 + 37 + 2x0
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Exemplo: 212Po decai por emissão alfa. Escreva a equação equilibrada nuclear para o decaimento do 212Po.
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212 = 4 + A
A = 208
84 = 2 + Z
Z = 82
212Po 4He + AX
Exemplo: 212Po decai por emissão alfa. Escreva a equação equilibrada nuclear para o decaimento do 212Po.
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Exemplo: Tecnécio-99 é um isótopo radioativo de
longa duração do tecnécio. Cada núcleo decai emitindo uma partícula beta. Qual é o núcleo do produto?
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A equação nuclear é:
Para o superescrito temos:
Para o subscrito temos:
Exemplo: Tecnécio-99 é um isótopo radioativo de longa duração do tecnécio. Cada núcleo decai emitindo uma partícula beta. Qual é o núcleo do produto?
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Resumo (mais completo) de diferentes tipos de decaimento radioativo. O núcleo original é denotado por P e o produto por D.
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Séries Radioativas
Núcleos radioativos grandes não podem estabilizar submetendo-se apenas a uma transformação nuclear.
Eles passam por uma série de decaimentos, com emissão de partículas alfa ou beta, até formar um nuclídeo estável (frequentemente um nuclídeo de chumbo).
A  B  C  D  … nuclídeos
não-radioativos
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Exemplo: A série seguinte tem dois tipos de processos: um representado pelas setas apontando para a direita mais curta e os outros representados pelas setas mais apontar para a esquerda. Dizer que tipo de processo de decaimento nuclear de cada seta corresponde a, e identificar cada nuclídeo A-E na série:
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Existem quatro séries radioativas ocorrendo naturalmente:
A = 238U,
A = 232Th,
A = 235U,
A= 237Np
Os membros finais da série de decaimento são nuclídeos estáveis: 
208Pb no final do família tório, (tório 232)
206Pb no final da família de urânio-rádio, (urânio 238)
207Pb no final do a família actínio, (urânio 235)
209Bi no final da família neptúnio, (neptúnio 237)
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Cinética de decaimento radioativo
O número de núcleos em uma amostra radioativa que se desintegra durante um determinado tempo intervalo diminui exponencialmente com o tempo. Porque o núcleo é isolado pela em torno da nuvem de elétrons, esta taxa é essencialmente independente da temperatura, pressão, a lei de ação de massa, ou qualquer outro fator limitante que comumente afetam químicas e físicas changes.
Como resultado, esta taxa de decaimento serve como um meio muito útil de identificação de um dado nuclídeo. Esse decaimento radioativo, que representa a transformação de um nuclídeo radioativo instável em um nuclídeo mais estável, que pode também ser radioativo, é um evento irreversível para cada nuclídeo.
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Equações básicas de decaimento
Todos os decaimentos radioativos obedecem a uma cinética de primeira ordem.
Veloc. de desintegração
do núcleo radioativo 
= constante X número de núcleos radioativos presentes
Rearranjando:
A = Veloc. =  x N
A atividade A de um radionuclídeo é dado pela sua taxa de desintegração:
A =
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Integrando:
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A meia-vida (t1/2) é outra representação da constante de decaimento. A meia-vida de um radionuclídeo é o tempo necessário para a sua actividade diminuir para exatamente a metade. Assim, depois de uma meia-vida, 50% da atividade inicial permanece. Após duas meias-vidas, apenas 25% da atividade inicial permanece. Depois de três meias-vidas, apenas 12,5% ainda presente e assim por diante.
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Cálculo de meia-vida (t1/2):
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Decaimento radioativo de 1,000-g de 131-iodo. 
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As meias-vidas de diferentes nuclídeos variam de menos de 10-6 s a 1010 anos. A meia-vida já foi medida para todos os radionuclídeos conhecidos. 
Quando um nuclídeo radioativo desconhecido é encontrado, a determinação de sua meia-vida é normalmente um dos primeiros passos na sua identificação. Esta determinação pode ser feito mediante a observação da atividade durante um período de tempo.
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Exemplo: Considerando os dados plotados abaixo para o decaimento de um único radionuclídeo, determinar a constante de decaimento e a meia-vida do nuclídeo.
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A unidade natural de radioatividade é desintegrações/tempo, como a desintegração por segundo (dps) ou desintegrações por minuto (dpm), e assim por diante. A unidade SI (International System) de radioatividade é o Becquerel (Bq), onde:
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Taxas de contagem em um sistema de detecção são normalmente dado em contagens por segundo (cps), contagens por minuto (cpm), e assim por diante, e diferem das taxas de desintegração por um fator que representa a eficiência do detector:
Uma antiga unidade de radioatividade que ainda encontra alguns usam é o curie (Ci). É definido como aproximadamente a atividade de um grama de rádio-226:
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Exemplo: Um objeto de madeira a partir de um sítio arqueológico é submetido a datação por radiocarbono. A atividade da amostra que é devido a 14C medida é de 11,6 desintegrações por segundo. A atividade de uma amostra de carbono de massa igual a partir de madeira nova é de 15,2 desintegrações por segundo. A meia-vida de 14C é 5.715 anos. Qual é a idade do amostra arqueológica?
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Exemplo: Um objeto de madeira a partir de um sítio arqueológico é submetido a datação por radiocarbono. A atividade da amostra que é devido a 14C medida é de 11,6 desintegrações por segundo. A atividade de uma amostra de carbono de massa igual a partir de madeira nova é de 15,2 desintegrações por segundo. A meia-vida de 14C é 5.715 anos. Qual é a idade do amostra arqueológica?
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Exemplo: Fósforo-32, um radioisótopo usado no tratamento da leucemia, tem uma meia-vida de 14,26 dias. Qual a porcentagem de uma amostra permanece após 35,0 dias?
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Exemplo: Fósforo-32, um radioisótopo usado no tratamento da leucemia, tem uma meia-vida de 14,26 dias. Qual a porcentagem de uma amostra permanece após 35,0 dias?
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Após 35,0 dias, 18,3% de uma amostra de 32-P permanece, e 100%- 18,3% = 81,7% sofreu decaimento. 
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Exemplo: A constante de decaimento do sódio-24, um radioisótopo usado clinicamente em estudos de sangue, é 4,63 x 10-2 h-1. Qual o tempo de meia vida do 24Na?
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Exemplo: A constante de decaimento do sódio-24, um radioisótopo usado clinicamente em estudos de sangue, é 4,63 x 10-2 h-1. Qual o tempo de meia vida do 24Na?
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Exemplo: Uma amostra de um radioisótopo 41-Ar usado para medir o fluxo de gases das chaminés, decai inicialmente a uma taxa de 34.500 desintegrações / min, mas a taxa de decaimento cai para 21.500 desintegrações / min, após 75,0 min. Qual é a meia-vida do 41-Ar?
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Exemplo: Uma amostra de um radioisótopo 41-Ar usado para medir o fluxo de gases das chaminés, decai inicialmente a uma taxa de 34.500 desintegrações / min, mas a taxa de decaimento cai para 21.500 desintegrações / min, após 75,0 min. Qual é a meia-vida do 41-Ar?
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Pergaminhos bíblicos são encontrados em uma caverna perto do Mar Morto. Eles são autênticos? Uma múmia é descoberta em uma tumba egípcia. Que idade tem ela? Os ossos queimados de um homem são achados perto de Lubbock, Texas. Há quanto tempo os seres humanos viviam na área? Estas e muitas outras perguntas podem ser respondidas por arqueólogos usando uma técnica chamada datação por radiocarbono. (Os Pergaminhos do Mar Morto possuem 1900 anos e são autênticos, a múmia possui 3100 anos, e os restos humanos encontrados no Texas têm 9.900 anos de idade.)
Datação de Radionuclídeos
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De longe o método mais importante envolve a decomposição de 14C (t1/2 = 5730 anos). Como indicado anteriormente, 14C é formado continuamente pelo raios cósmicos induzindo 14N (n, p) a 14C na atmosfera superior. Este radiocarbono (14C) interage e sofre trocas com carbono estável (12C) nos seres vivos, que conduz à existência de um nível constante de 14C em sistemas vivos. 
Quando um organismo morre, ele deixará de troca de seus átomos com 12C, fazendo com que a quantidade de 14C decaia. Medição da atividade específica 14C/12C de um objeto antigo permite a determinação da idade. Quando a matéria orgânica decai para 10 ou mais meias-vidas
de 14C, não é mais possível medir diretamente a radioatividade do 14C de um objeto. Nestes casos, pode-se usar espectrometria de massa (AMS) para contar os átomos de 14C diretamente.
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Abundâncias Natural dos Elementos e Variações Isotópicas 
Os componentes da geosfera são: litosfera, a hidrosfera e atmosfera. A abundância relativa dos elementos na superfície da terra é representada na figura a seguir, em função do número atômico. Os elementos H, O, Si, Ca e Fe exibem as maiores abundâncias.
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As leis de decaimento radioativo são a base da cronologia dos métodos nucleares. A partir de a variação do número de átomos com o tempo devido ao decaimento radioativo, as diferenças de tempo pode ser calculadas quase que exatamente.
Datação por métodos nucleares
Datação por métodos nuclear é aplicado com grande sucesso em muitos campos da ciência, mas principalmente em arqueologia, geologia e mineralogia, e vários tipos de "cronômetros" estão disponíveis.
Dois tipos de datação por métodos nucleares podem ser distinguidos: - datação medindo o decaimento radioativo de radionuclídeos cosmogênico, como T ou I4C;
- datação pela medição dos nuclídeos formados pela decomposição do nuclídeo primordial (vários métodos, por exemplo, K / Ar, Rb / Sr, U / Pb, Th / Pb, Pb / Pb).
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Todos os radionuclídeos que ocorrem naturalmente podem ser usados ​​para a datação. A escala de tempo de aplicabilidade depende da meia-vida. Com relação à precisão dos resultados, é mais favorável se a idade a ser determinada e a meia-vida do radionuclídeo forem da mesma ordem. 
Em geral, o limite inferior é de cerca de 0,1 x T1/2 e o limite superior cerca de 10 x T1/2. Portanto a longa vida de nuclídeos como urânio, tório, e a série de decaimento do actínio e outros de longa vida são mais importantes para aplicação em geologia e mineralogia .
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Radionuclídeos cosmogênicos
Os radionuclídeos são produzidos a uma certa velocidade pela interação de raios cósmicos com o componentes da atmosfera, principalmente na estratosfera. 
Se a intensidade dos raios cósmicos (prótons e nêutrons) pode ser considerada como constante, a velocidade de produção dos radionuclídeos também é constante. 
Os radionuclídeos cosmogênicos participam de vários ciclos naturais na superfície da terra (ciclo da água e do CO2) e eles são incorporados em diversos produtos orgânicos e inorgânicos desses ciclos, tais como plantas, sedimentos e gelo glacial. A atividade dos radionuclídeos é uma medida da sua idade.
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Os átomos de trítio formado na estratosfera são transformados em HTO e entram no ciclo da água, nos reservatórios de água diversos, tais como águas de superfície, águas subterrâneas e do gelo polar. Isto oferece, em princípio, a possibilidade de determinar a idade de amostras de vários tipos, por exemplo as águas subterrâneas e gelo polar.
No entanto, pelas explosões termonucleares realizados na atmosfera, principalmente em 1958 e em 1961-1962, grandes quantidades de T foram libertados para a atmosfera causando um aumento na razão T:H. Isto restringe consideravelmente uma medida confiável da datação de T. Mas o método de trítio é aplicado com sucesso para a datação de gelo glacial e polar nas camadas em que a influência de explosões nucleares é insignificante.
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A formação de 14C pela interação de raios cósmicos com o nitrogênio da atmosfera foi provado em 1947.
A meia-vida do 14C é muito favorável para a datação de amostras arqueológicas na faixa de cerca de 250 a 40.000 anos. Os átomos de 14C são rapidamente oxidado na atmosfera para CO2, que será incorporado pelo processo de assimilação em plantas e através da cadeia alimentar para os animais e o homem.
Datação de 14C é baseado na suposição de que a relação 14C:12C nos seres vivos é idêntica à da atmosfera (1 parte em 1012) e que esta relação é uma constante na atmosfera durante o período de tempo considerado.
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Quando o animal ou plante morre, não há mais troca de CO2, nem incorporação de mais 14C. Com o tempo a razão 14C/12C decresce, pois o 14C sofre decaimento radioativo com tempo de meia vida igual a 5730 anos.
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A técnica torna-se menos precisa com amostras mais velhas, onde a quantidade de 14C diminui, mas artefatos com uma idade de 1.000-20.000 anos podem ser datados com precisão razoável. O limite superior da técnica é de cerca de 60.000 anos.
A idade de uma rocha contendo urânio pode ser determinada medindo a relação 238U/206Pb. Da mesma forma, o potássio-40 tem uma meia-vida de 1,28 x 109 anos e decai por captura eletrônica e por emissão de pósitrons para produzir argônio-40.
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A idade de uma rocha pode ser encontrado por esmagamento de uma amostra, medindo a quantidade de gás 40Ar que escapa e comparando essa quantidade com a de 40K restantes na amostra. É através de técnicas como essas que a idade do Terra foi estimada em aproximadamente 4,5 bilhões de anos.
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Medições de radiocarbono feitas em 1988 no Sudário de Turim, um artefato religioso considerado por alguns como a mortalha de Cristo, mostraram uma taxa de decaimento 14C de 14,2 desintegrações /min por grama de carbono. Que idade está implícito esse resultado se atualmente organismos vivos decaem à taxa de 15,3 desintegrações / min por grama de carbono? A meia-vida do 14C é 5.730 anos.
O resultado indica que se trata de tempos medievais.
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