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Estrutura da Matéria 
Prof. Fanny Nascimento Costa 
(fanny.costa@ufabc.edu.br) 
Aula 04 
• Elétrons 
• Lei da eletrólise de Faraday 
• Eletrólise 
• Radioatividade 
• John Dalton 
– A teoria de Dalton não era perfeitamente correta. 
Sabemos hoje em dia, por exemplo, que átomos podem 
ser divididos e que muitos elementos existem como 
misturas de dois ou mais isótopos, que são átomos de 
um elemento com massas ligeiramente diferentes. 
Nenhum destes fatos afeta, no entanto, a capacidade 
da teoria de explicar as leis das combinações químicas 
 
• De acordo com esta teoria, uma reação química é 
simplesmente um rearranjo dos átomos de uma 
configuração para outra 
A Teoria Atômica (revisão) 
A Descoberta das 
Partículas Subatômicas 
• Nosso conhecimento atual da estrutura atômica foi 
construído a partir de fatos obtidos de experiências 
feitas por cientistas desde o século XIX. Em 1834, 
Michael Faraday descobriu que a passagem de corrente 
elétrica através de soluções em água podia causar 
transformações químicas, evidenciando, pela primeira vez, 
a natureza elétrica da matéria 
 
• No mesmo século, os pesquisadores começaram a fazer 
experiências com tubos de descarga em gases 
Os gases são condutores ou isolantes? 
• Um gás pode ser condutor ou isolante, dependendo da sua 
pressão, da distância entre os eletrodos e da diferença de 
potencial existente entre eles 
 
• Essa é uma diferença entre o comportamento de um gás e 
o de um metal. O metal sempre é condutor: por menor que 
seja a diferença de potencial entre seus extremos, passa 
por ele um corrente elétrica. 
Condição para que um gás 
seja condutor: ionização 
• O íon de um gás pode ser formado por fontes externas de 
energia como radiação (luz), feixes de elétrons 
energéticos colidindo com os átomos, descargas elétricas 
ou então pelo aquecimento do gás. Qualquer um destes 
processos faz com que elétrons sejam arrancados dos 
átomos, permitindo que as cargas positivas (íons) e as 
negativas (elétrons) se movam livremente 
Descargas nos gases rarefeitos 
(Tubo de Geissler) 
• Gases, de um modo geral, não conduzem corrente elétrica 
quando à pressão ambiente. No entanto, no século XIX, os 
trabalhos de Henrich Geissler (1859), Johann Hittorf 
(1869) e William Crookes (1886) mostraram 
experimentalmente que, quando submetidos a baixas 
pressões, os gases podem se tornar condutores elétricos 
Descargas nos gases rarefeitos 
(Tubo de Geissler) 
• A cor dessa luminosidade depende do gás residual usado (gás 
residual é o gás que resta quando diminui a pressão interna). 
Vejamos alguns exemplos de tubos de raios catódicos no nosso 
cotidiano: 
 
 - Luminosos de neon: onde o gás residual é o neônio. São usados em letreiros 
comerciais e abajures 
 
 - Lâmpadas de sódio: o gás residual é o vapor de sódio, que confere uma luz 
amarela característica. São usadas na iluminação de vias públicas e de túneis 
 
 - Lâmpadas fluorescentes de mercúrio: utilizam vapor de mercúrio, que emite 
luz violeta e ultravioleta. O tubo é revestido com uma tinta especial 
(fluorescente) cuja função é absorver a luz emitida e reemiti-la como luz 
branca. São usadas em residências, escritórios e algumas vias públicas 
 
 - Tubo de imagem da televisão: é um tubo de alto vácuo que, com mudanças 
complexas, é capaz de dar origem às imagens na tela 
Aspecto da descarga 
• A pressão do gás 
 
• A natureza do gás 
 
Descargas nos gases a alta pressão: 
Nos gases a alta pressão, os íons iniciais são formados quase que 
totalmente pela atração de elétrons das moléculas do gás situadas 
próximas do anodo 
Raios Catódicos 
• A luminescência esverdeada que aparece na parede do tubo de 
Crookes sempre aparece no lado oposto ao catodo, em frente a 
este. Quando este fenômeno foi descoberto, deu-se o nome muito 
vago de raios catódicos a essa “coisa que saía do catodo”, isso 
porque sua natureza era inteiramente desconhecida 
 
• Os elétrons do vidro emitem então, onda eletromagnética cujo 
comprimento de onda está nos limites da luz, isto é, onda 
eletromagnética visível 
Raios Catódicos 
• No gás a baixa pressão, há um número relativamente grande de 
moléculas, de maneira que a descarga é formada pelo movimento 
de íons do gás para o catodo, e elétrons para o anodo. Durante a 
ionização do gás se produz luz, e é por este motivo que nessas 
descargas há um feixe luminoso do anodo ao catodo (Tubos de 
Geissler) 
 
• Na descarga no vácuo, o número de moléculas de gás que resta no 
interior do tubo é insignificante, de maneira que o número de íons 
formados também é insignificante, e não chega a se formar a 
corrente de íons como no caso anterior. Neste caso, a corrente 
elétrica no interior do tubo é constituída somente por elétrons que 
são arrancados do catodo e atraídos pelo anodo, isto é, raios 
catódicos. E como não há formação de íons, não há produção de luz 
no interior do tubo, e não há feixe luminoso entre o catodo e o 
anodo. (Tubo de Crookes) 
A descoberta da estrutura atômica 
• Os gregos antigos foram os primeiros a postular que a 
matéria é constituída de elementos indivisíveis (do grego, 
a = não; tomo = divisão) 
 
• Mais tarde, os cientistas constataram que o átomo era 
constituído de entidades carregadas 
 
Raios catódicos e elétrons 
 
• Um tubo de raios catódicos (CRT) é um recipiente 
profundo com um eletrodo em cada extremidade 
 
• Uma alta voltagem é aplicada através dos eletrodos 
A descoberta da estrutura atômica 
Raios catódicos e elétrons 
 
• A voltagem faz com que partículas negativas se desloquem 
do eletrodo negativo para o eletrodo positivo 
 
• A trajetória dos elétrons pode ser alterada pela presença 
de um campo magnético 
 
• Considere os raios catódicos saindo do eletrodo positivo 
através de um pequeno orifício 
 
– Se eles interagirem com um campo magnético 
perpendicular a um campo elétrico aplicado, os raios 
catódicos podem sofrer diferentes desvios 
A descoberta da estrutura atômica 
Raios catódicos e elétrons 
 
– A quantidade de desvio dos raios catódicos depende 
dos campos magnético e elétrico aplicados 
 
– Por sua vez, a quantidade do desvio também depende da 
proporção carga-massa do elétron 
 
• Em 1897, Thomson determinou que a proporção carga-
massa de um elétron é 1,76 x 108 C/g 
 
• Objetivo: encontrar a carga no elétron para determinar 
sua massa 
Raios catódicos e elétrons 
A descoberta da estrutura atômica 
Experimento de J.J. Thomson e 
a descoberta do elétron em 1897 
 Thomson mostrou que os raios catódicos eram formados 
por partículas, menores e mais leves que do que os átomos 
e todas aparentemente idênticas. 
 
 Ele criou feixes bem estreitos e mediu o seu desvio na 
presença de campos elétricos e campos magnéticos. 
 
 Podemos imaginar que o valor do desvio vai depender de 
três quantidades: a massa da partícula, a rapidez dela e 
de sua carga. 
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Experimento de J.J.Thomson 
Aceleração de elétrons por 
um campo elétrico muito 
forte 
Deflexão de elétrons por 
um campo elétrico ajustável 
Medida da deflexão total 
da trajetória do raio 
catódico 
© Alysson Fábio Ferrari sites.google.com/site/alyssonferrari 
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Experimento de J.J.Thomson 
1º PASSO: aceleração. 
O campo elétrico de aceleração dá velocidade ao 
elétron, graças à força elétrica. 
\ 
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2º PASSO: deflexão. 
O campo elétrico aplicado 
provoca uma força 
perpendicular ao movimento 
do elétron. 
Experimento de J.J.Thomson 
y1: movimento perpendicular durante a deflexão 
sites.google.com/site/alyssonferrariExperimento de J.J.Thomson 
y2: movimento 
perpendicular 
após a deflexão 
Após a deflexão, o elétron continua andando em linha reta. 
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Experimento de J.J.Thomson 
y1 + y2 
deflexão total 
Experimento de J.J.Thomson 
 y, l e L podem ser facilmente medidos 
 o campo elétrico E pode ser ajustado, e portanto 
seu valor também é conhecido. 
 mas como determinar v ? 
 Thomson aplicou um campo 
magnético perpendicular. 
 
 Pela regra da mão direita, 
este campo provoca uma 
força magnética para cima 
numa partícula de carga 
negativa que se move para a 
direita. 
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Experimento de J.J.Thomson 
 Thomson então ajustou 
o campo Elétrico E até 
que a força elétrica 
para baixo cancelasse 
exatamente a força 
magnética para cima, 
de forma que não 
houvesse deflexão. 
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Experimento de J.J.Thomson 
Com estas duas fórmulas, 
Thomson foi capaz de determinar 
experimentalmente a razão 
carga/massa da partícula negativa 
da qual os raios catódicos são 
feitos. 
Thomson encontrou que 
 
 
 
Os valores atuais que temos 
para a razão é 
 
 
 
Thomson, repetiu o experimento para diferente gases e provou que os “corpúsculos” que 
formavam os raios catódicos tinham carga negativa e uma massa aproximadamente 2.000 
vezes menor que a do átomo mais leve e eram parte integrante de todos os átomos. 
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Experimento de J.J.Thomson 
Experimento de Millikan 
O próximo a investigar as propriedades do elétron foi Robert Millikan em 
1909, que conseguiu medir o valor da carga do elétron. 
 
Medindo a carga do elétron, e usando a razão e/m determinada por 
Thomson, Milikan também possibilitou determinar a massa dos elétrons. 
 Millikan recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por seus experimentos, que 
estabeleceram definitivamente o elétron como uma partícula elementar da 
natureza. 
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Raios catódicos e elétrons 
 
A descoberta da estrutura atômica 
1. Gotas de óleo são 
borrifadas sobre uma 
chapa inicialmente 
neutra. 
 
2. Durante a queda, as 
gotas alcançam uma 
velocidade terminal, 
que tem que ser 
medida observando a 
queda por um pequeno 
telescópio. 
 
campo 
elétrico 
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Experimento de Millikan 
Qualquer corpo em queda sente pelo 
menos duas forças: 
 
1. a força peso 
 
2. uma força de resistência do ar, 
proporcional à velocidade. 
 
Durante a queda, a velocidade aumenta 
até que a força de resistência se torna 
igual ao peso. 
 
Deste ponto em diante, o corpo cai com 
esta velocidade terminal constante. 
Velocidade Terminal 
𝑃 = 𝐹 𝑎 𝑚𝑔 = 𝑏𝑣 
𝑣1 =
𝑚𝑔
𝑏
 
𝐹 𝑎 
𝑃 = 𝑚𝑔 
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Experimento de Millikan 
1. Velocidade terminal 
 
2. (campo elétrico desligado) 
Experimento de Millikan 
campo 
elétrico 
 Ligando um campo elétrico para baixo, as gotas carregadas 
negativamente sentem uma força para cima que se opõe ao peso. 
 
 A equação para a velocidade terminal modifica-se: 
𝑣1 =
𝑚𝑔
𝑏
 
𝑚𝑔 = 𝑏𝑣 + 𝑞𝐸 𝑣2 =
𝑚𝑔 − 𝑞𝐸
𝑏
 
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 Elimina-se b entre as duas equações: 
 
 Isola-se a carga da gota q: 
𝑣1 =
𝑚𝑔
𝑏
 𝑣2 =
𝑚𝑔 − 𝑞𝐸
𝑏
 
𝑣2 =
𝑚𝑔 − 𝑞𝐸
𝑚𝑔
𝑣1 𝑞 =
𝑚𝑔
𝐸𝑣1
𝑣1 − 𝑣2 
 A partir desta fórmula, Millikan conseguiu mostrar que, para todas as 
gotas de óleo observadas, o valor de q era sempre um múltiplo inteiro de 
uma carga elementar, que corresponde à carga de um elétron: 
 
 
 
 Com este valor para e, Millikan também pode calcular a massa do elétron: 
𝒆 = 𝟏, 𝟔𝟎 × 𝟏𝟎−𝟏𝟗𝑪 
𝒎 = 𝟗, 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎−𝟐𝟖𝒈 
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Experimento de Millikan 
Eletrólise de soluções aquosas 
 
• As reações não espontâneas necessitam de uma corrente externa 
para fazer com que a reação ocorra 
 
• As reações de eletrólise são não espontâneas 
 
• Nas células voltaicas e eletrolíticas: 
– a redução ocorre no catodo; 
 
– a oxidação ocorre no anodo; 
 
– No entanto, em células eletrolíticas, os elétrons são forçados a 
fluir do anodo para o catodo. 
Eletrólise 
• Nas células eletrolíticas, o anodo é 
positivo e o catodo é negativo. 
• Num experimento de eletrólise, uma 
corrente elétrica aplicada sobre 
uma solução iônica, por exemplo de 
Cloreto de Sódio dissolvido em água. 
• O trânsito de elétrons pela corrente 
faz com que ocorra um depósito de 
Sódio sobre o cátodo, e a liberação 
de Cloro gasoso no ânodo. 
• O que acontece é que elétrons são 
cedidos pelos íons de Cl- no ânodo, 
transportados até o cátodo, onde 
são cedidos aos íons de Na+. 
Eletrólise 
Eletrólise de soluções aquosas 
 Eletrólise de soluções aquosas 
 
• Exemplo: a decomposição de NaCl fundido 
 
• Catodo: 2Na+(l) + 2e-  2Na(l) 
 
• Anodo: 2Cl-(l)  Cl2(g) + 2e- 
 
• Industrialmente, a eletrólise é usada para produzir metais como o 
Al. 
 
 
Eletrólise 
 Aspectos quantitativos da eletrólise 
 
• Queremos saber a quantidade de material que obtemos com a 
eletrólise 
 
• Considere a redução do Cu2+ a Cu 
 
– Cu2+(aq) + 2e-  Cu(s) 
 
– 2 mol de elétrons se depositarão em 1 mol de Cu 
 
– A carga de 1 mol de elétrons é 96.500 C (1 F) 
 
– Uma vez que Q = It, a quantidade de Cu pode ser calculada 
pela corrente (I) e tempo (t) levado para a deposição 
Eletrólise 
Lei de Faraday para a eletrólise: 
 
“A quantidade de produto formado ou do 
reagente consumido por uma corrente 
elétrica é estequiometricamente 
equivalente à quantidade de elétrons 
fornecidos” 
Lei de Faraday para a eletrólise 
Aspectos Quantitativos da Eletrólise 
• Para determinar a quantidade de elétrons fornecida por uma 
determinada carga, usamos a constante de Faraday, F, a 
quantidade de carga por mol de elétrons, como fator de 
conversão. Como a carga fornecida é nF, em que n é o número 
de elétrons e Q = nF, segue-se que: 
 
n = Q/F = I x t / F 
 
• A constante de Faraday é a magnitude da carga elétrica por 
mols de elétrons 
 
F = NA x e 
onde: 
NA = 6,022 ×1023 mol-1, e = 1,602 ×10-19 C 
Preparando o caminho para a descoberta do 
núcleo atômico 
O conhecimento do núcleo atômico teve início com a descoberta acidental da 
radioatividade em 1986, que foi baseado por sua vez na descoberta dos raios 
X dois meses antes. Tempos depois da descoberta da radioatividade, ficou 
evidente que ela era um fenômeno que acontecia no núcleo atômico. 
 
Antes do início do século XX, Wilhelm Roentgen descobriu um novo tipo de 
raio, produzido por um feixe de raios catódicos (que como vimos, mais tarde 
se descobriu que era formado por elétrons). Ele os denominou “raios X”, por 
sua natureza desconhecida. Roentgen descobriu que os raios X: 
 
 Podiam atravessar materiais sólidos; 
 Podiam ionizar o ar; 
 Não sofriam reflexão no vidro; 
 Não eram defletidos por campos magnéticos. 
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Os Raios -X 
Hoje sabemos que os raios X são ondas 
eletromagnéticas de altíssima frequência (e 
energia). 
 
Roentgen percebeu que os raios X podiam 
atravessar vários materiais, inclusive 
tecidos. Colocando a mão da esposa entre a 
fonte de raios X e um filme fotográfico, ele 
conseguiu produzir a primeira radiografia da 
história! 
 
Mesmo antes de se compreender a natureza 
dos raios X, sua utilidade na medicina ficou 
evidente.Roentgen ganhou o 1º Prêmio Nobel da 
história, em 1901. 
 
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Radioatividade 
Dois meses depois de Roentgen ter descoberto os 
raios X, Henri Becquerel acidentalmente descobriu 
um material que emitia raios X espontaneamente. 
 
Ele envolveu uma porção de um sal de urânio num 
papel preto para protegê-lo da luz, e o guardou 
numa gaveta sobre um filme fotográfico. Dias mais 
tarde, revelando este filme, ele descobriu que o 
material havia emitido raios X, que atravessaram o 
papel preto e marcaram o filme. 
 
Nos próximos anos, vários outros elementos 
radioativos foram descobertos: tório, actínio, 
polônio e rádio. 
 
Estes últimos foram descobertos por Marie e 
Pierre Curie. Maria Curie foi a primeira mulher a 
ganhar um prêmio Nobel, e a primeira pessoa a 
ganhar um Nobel de Física e um de Química. 
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Radiações alfa, beta e gama 
Hoje sabemos que todos os elementos com 
número atômico maior que 82 (chumbo) são 
radioativos. 
 
Eles emitem três diferentes espécies de 
radiação, que receberam a denominação: 
alfa, beta e gama. 
 
Os raios alfa possuem carga elétrica 
positiva. 
Os raios beta possuem carga elétrica 
negativa. 
Os raios gama não possuem carga 
elétrica. 
 
A natureza diferente destes raios é 
evidente quando eles atravessam um campo 
magnético. 
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Os raios alfa são carregados positivamente e 
pesados (defletem pouco num campo magnético). 
Na verdade, são núcleos de hélio (2p e 2n). 
 
Os raios beta são carregados negativamente e 
leves (defletem bastante num campo magnético). 
São elétrons emitidos por materiais radioativos. 
 
Os raios gama são radiação eletromagnética, logo 
são neutros. Sua frequência (e energia) é ainda 
maior que a do raios X, logo tem poder penetrante 
ainda maior. 
 
Devido a sua natureza (carga e massa) raios alfa 
são facilmente absorvidos pela matéria. Raios 
beta tem maior poder de penetração. Raios gama 
podem atravessar a maioria dos materiais, tendo 
altíssimo poder de penetração. 
Radiações alfa, beta e gama 
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• Raios gama são radiação eletromagnética – não carregam carga elétrica, carregam apenas 
energia. Ou seja, um núcleo que emite radiação gama continua mantendo sua identidade. 
 
• Uma partícula alfa, contudo, é um núcleo de Hélio (2p + 2n), logo o núcleo ao emitir uma 
partícula alfa muda sua identidade. Como o número total de prótons e nêutrons é 
preservado, contudo, podemos escrever equações de reações nucleares. 
 
Um átomo de Rádio (Ra) tem 88 prótons, e um de seus isótopos tem 138 
neutrons, de forma que o número de massa do isótopo é 226. 
Escrevemos: 
nº de prótons 
nº de massa (prótons + neutrons) 
Partícula alfa 
Radiações alfa, beta e gama 
Ao emitir uma partícula alpha, o Rádio perde dois prótons e 2 neutrons, logo 
fica com 86 prótons e número de massa 222. Isso corresponde a um isótopo 
do Radônio, um elemento químico diferente! 
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Lembre-se: o que dá a identidade química de um elemento é o seu número de prótons 
(ou número atômico). 
elementos químicos diferentes elementos químicos diferentes 
mesmo número de massa 
diferentes números de massa 
mesmo elemento químico 
diferentes números de massa 
Dois isótopos de um mesmo 
elemento químico. 
Radioatividade 
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Radioatividade 
Isso significa que uma equação como essa, representa a transformação de um 
elemento químico (Rádio) em outro (Radônio): transmutação de elementos. 
 
A transformação de elementos químicos era um dos sonhos dos alquimistas, que 
foram precursores de muitos conhecimentos e técnicas que foram 
sistematizadas no que conhecemos como química hoje. 
 A radiação beta corresponde a transformação de um nêutron em um próton, 
emitindo um elétron (partícula beta): 
A radiação beta também muda a natureza do elemento emissor. 
Existe também uma radiação beta positiva, que emite um pósitron (anti-elétron, 
com carga positiva). Toda radiação beta também implica na emissão de 
neutrinos, que são partículas sem carga e praticamente sem massa, e que não 
precisam ser levadas em conta nessa descrição simples das transmutações 
radiativas.... 
 
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Considere uma certa amostra de um material radiativo, por exemplo Rádio. 
Suponha que inicialmente tenhamos N0 átomos de Rádio nesta amostra. 
 
Se você observar a amostra com um contador de radiação, verá que átomos de 
rádio estão continuamente sofrendo decaimento para átomos mais estáveis. 
Este processo não é regular ou periódico, na verdade, o intervalo entre 
decaimentos é aleatório. Não há como prever exatamente quando um 
determinado átomo de Rádio vai decair. 
 
Esta não é uma limitação simples da nossa ignorância: as leis fundamentais da 
Mecânica Quântica, que contam este processo, afirmam que o decaimento é 
efetivamente aleatório. 
 
O que é certo é que, conforme o tempo passa, os átomos de Rádio vão decaindo, 
então o número de átomos de rádio num certo instante de tempo t, chamado de 
N(t), vai decrescendo continuamente... 
 
Radioatividade 
O número de decaimentos por segundo 
é proporcional ao número de átomos de 
Rádio presentes na amostra num 
determinado instante 
● Resolvendo a equação: 
 Encontramos que: 
Isso significa que o número de átomos de Rádio presentes na amostra decai 
exponencialmente com o tempo. 
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Radioatividade 
Com essa solução em mãos, podemos também determinar quanto tempo demora para que 
metade dos átomos de rádio tenham decaído. Este tempo é chamado de meia-vida: 
Cancelando os fatores comuns N0 e simplificando: 
Tirando logaritmo dos dois membros da equação: 
Encontramos assim uma fórmula relacionando a meia-vida com a constante λ que aparece 
na equação. 
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Radioatividade 
 Meia vida de alguns elementos: 
 
Carbono-11 20,3 minutos 
Carbono-14 5.715 anos 
Cálcio-41 1,02 x 105 anos 
Urânio-238 4,51 x 109 anos 
Radioatividade 
Bibliografia 
- Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay Jr., Bruce E. Bursten, Julia R. 
Burdge, Química: A Ciência Central, Cap. 2, 3 e 4, 9ª. Edição, Pearson 
Education do Brasil, 2005. 
 
- P. Atkins L. Jones, Princípios de Química: Questionando a vida 
moderna e o meio ambiente, Cap. 12, 3ª. Edição, Bookman, 2005.