Física das Radiações - Tipos de desintegração

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Física das Radiações 
Tipos de Decaimentos 
Introdução 
• Conhecimentos científicos no período que vai de 1900 a 1940. 
• Elétron: detectado experimentalmente por Joseph John Thomson (1906) 
enquanto estudava raios catódicos. A carga do elétron foi determinada 
por Robert Andrews Millikan (1909) 
Introdução 
• Raios alfa e beta: Ernerst Rutherford estudou os raios de Becquerel 
(1899), chamou a radiação emitida pelo urânio de raios alfa e beta. Em 
1900, Becquerel comprovou que os raios betas são idênticos aos raios 
catódicos, constituídos por elétrons. Rutherford mostrou que os raios alfas 
eram carregados positivamente e tem massa maior que os raios beta. 
Introdução 
• Partícula alfa: Rutherford informou no discurso do prêmio Nobel que as 
medidas da razão carga/massa da partícula alfa (1902), levaram a concluir 
que a partícula alfa, após ser neutralizada, é um átomo de Hélio com duas 
unidades de carga positiva e massa igual a quatro vezes a massa do 
Hidrogênio. 
Introdução 
• Próton: A descoberta do próton é de Rutherford (1919), descobriu que a 
carga era positiva e a massa 1840 vezes maior que a massa do elétron. 
Introdução 
• Nêutron: Descoberto em 1932 por James Chadwick. É uma partícula sem 
carga com massa ligeiramente maior que a do próton. Em 1920 Rutherford 
previu a existência de partículas sem carga no núcleo. 
Introdução 
• Núcleo atômico: Em 1932, Werner Heisenberg propôs que o núcleo 
atômico fosse constituído de prótons e nêutrons. Entretanto, esse modelo 
já havia sido previsto seis meses antes por Ettore Majorana, físico Italiano 
que desapareceu misteriosamente em 1938, aos 31 anos 
Decaimento Alfa 
• Emitida espontâneamente dos núcleos. 
• Elementos pesados Z ≥ 83. 
• Existem cerca de 400 radionuclídeos emissores de alfa. 
Decaimento Alfa 
Decaimento Alfa 
• Podemos definir a energia de desintegração Q, também chamada Q da 
reação nuclear. 
 
• 𝑄 = 𝑀𝑥 +𝑀𝑦 +𝑀𝛼 𝑐2 = 𝑀𝑥 +𝑀𝑦 +𝑀𝛼 931.50𝑀𝑀𝑀𝑢 
 
 
 
• Q = ? 
226Ra = 226. 025406 u 
222Rn = 222. 017574 u 
 4He = 4.002603 u 
 
Q = 4.871 MeV 
HeRnRa 42
222
86
226
88 +→
Decaimento Alfa 
• 𝑄 = (226.025406 − 88𝑚𝑀 − 222.01757 +86𝑚𝑀 − 4.002603 + 2𝑚𝑀) 931.50 MeV 
• Lembre que me = 548.57990946 x 10-6u 
• Q = 4.871 MeV 
 
• Energia cinética atribuída a partícula alfa 
Decaimento Alfa 
• Uma partícula alfa perde, em média, 34.50 eV para produzir no ar um par 
de íons. Neste caso, com 4.78 MeV produzirá ao reder de 1.38 x 105 
ionizações no ar antes de perder toda a sua energia e parar. 
• A distância percorrida até parar é dita Alcance. 
• No ar a partícula percorrerá 3.5 cm. 
• Em tecido humano a distância será de 0.021 mm. 
• A probabilidade de uma partícula alfa atravessar o corpo humano é 0.0 se 
o emissor estiver fora do corpo. Se forem inalados, as partículas alfas 
emitidas irão causar ionização dos átomos dos brônquios e alvéolos 
pulmonares. 
• Caso do espião russo Alexander Litvinenko que foi envenenado com Po-
210, que é emissor de alfa com energia de 5.3 MeV e meia-vida de 42 dias. 
Isto foi notícia em 23 de Novembro de 2006. 
Decaimento Alfa 
• O Po-210 ingerido é prontamente Absorvido pelo sangue para depositar-
se no fígado, baço, medula óssea, rins e pele (folículos da pele), de onde 
emite partícula alfa que sai ionizando átomos que encontra no seu 
caminho. 
 
Decaimento Alfa 
• O Hélio é o elemento mais leve da tabela periódica. 
• A maior parte do hélio produzido na terra provém de partículas alfas de 
decaimento alfa de urânio e tório contidos em minerais em depósitos 
subterrâneos. 
• Por ser um gás leve, ele escapa facilmente para o espaço, uma vez que o 
campo gravitacional da terra não consegue fixá-lo na terra. Sua 
concentração na atmosfera da terra está em equílibrio devido à produção 
e ao escape para atmosfera. 
Decaimentos parciais 
• No caso do Ra-226, ele possuí modos alternativos de decaimento. Quando 
isso ocorre, a constante de desintegração total λ é dada pela soma das 
constantes de decaimento parcial λi. 
 
 
 
 
• Conhecendo as probabilidades de decaimento parcial ni, cada constante 
de decaimento parcial pode ser calculada por: 
 
 
∑
=
=++++=
n
i
in
1
321 λλλλλλ 
λλ ii n=
Decaimentos parciais 
• E a atividade parcial é dada por: 
 
 
• Cada atividade parcial decai com a mesma taxa, que é determinada pela 
constante de decaimento total, uma vez que o estoque de núcleos N 
disponíveis a cada instante t para cada tipo de decaimento parcial é o 
mesmo para todos os tipos. 
• A atividade total A é dada pela soma das atividades parciais: 
 
 
t
iii eNNA
λλλ −== 0
∑∑
=
−
=
====
n
i
t
i
n
i
i eNNNAA
1
0
1
λλλλ
Água Radioativa 
• A radiação era o remédio para todos os males. Houve o tempo que a 
quantidade de átomos radioativos na água era também usada como 
propaganda. 
• A unidade Mache (M.E.) é uma unidade de concentração que se refere ao 
conteúdo de Rn em um litro de água ou gás. 
• 1 M.E. corresponde a 3.64 x 10-10 Ci/L = 3.64 Eman 
• 1 M.E. corresponde a cerca de 13.5 x 10-3 Bq/cm3 = 13.5 Bq/L 
• Conteúdo das águas comercializadas variam de 3 a 42 maches, 
 que é 40.5 a 567.0 Bq/L. 
• Decreto – lei 7841 de 8/8/1945 classifica fontes segundo suas 
 características 
Água Radioativa 
• O item X do artigo 35, capítulo VII: 
• Fracamento radioativas: teor de radônio entre 5 a 10 maches por litro. 
• Radioativas: teor de radônio entre 10 a 50 maches por litro. 
• Fortemente Radioativas: teor de radônio superior a 50 maches por litro. 
• Toriativas: teor de torônio em dissolução, equivalente em unidades 
eletrostáticas, a duas unidades mache por litro. (torônio é o radônio-22 
que descende de Th-232). 
Água Radioativa 
 
Água Radioativa 
 
Decaimento Beta 
elétron 
pósitron 
Pósitron foi descoberto em 1932. Esta partícula 
Possui as mesmas características do elétron, exceto 
a carga que é positiva. 
Carl David Anderson 
Carl fez esta descoberta por meio da análise de fotografias 
de raios cósmicos que atravessaram uma câmara de Nuvens. 
Dois anos depois da descoberta, Irène Curie e Frédéric Joliot 
Anunciaram que o pósitron era emitido espontâneamente do 
Núcleo de certos radionuclídeos. 
Decaimento Beta 
• A energia da partícula β− detectada apresentava um espectro contínuo, 
diferentemente da energia da partícula alfa que era monoenergética. 
νe 
Neutrino 
Wolfgang Pauli Enrico Fermi 
Decaimento Beta 
• É uma partícula sem massa 
• Se propaga com velocidade da luz 
• Carrega parte da energia disponível da desintegração, o que explica o 
espectro de energia contínuo da partícula β- 
• Existem dois neutrinos que podem ser emitidos num decaimento β: νe e o 
νe . 
• Sua detecção só foi conseguida em 1956, por Frederick Reines, após anos 
de tentativa, pelo fato de sua interação com a matéria ser extremamente 
fraca. 
νe 
Decaimento Beta 
• Como um elétron poderia ser emitido do 
núcleo se este continha somente prótons e 
nêutrons? 
 
Enrico Fermi 
Fermi respondeu esta questão em 1934 
Decaimento Beta 
• No processo de emissão de β−, o elétron e o antineutrino eram criados 
durante o decaimento de um nêutron. 
 n  p + e- + νe 
• No processo de emissão de β+ , o próton decai em um nêutron. 
 p  n + e+ + νe 
• Em ambos os casos, o número de massa A dos núcleos pai e filho 
permanece inalterado, mas o número atômico do núcleo filho em relação 
ao do núcleo pai no primeiro caso aumenta e no segundo caso diminui. 
SUPERKAMIOKANDE 
• Super-Kamiokande, ou simplesmente Super-K, é um observatório de 
neutrino no Japão. O observatório foi projetado para estudaros neutrinos 
solares e neutrinos atmosféricos, procurar pordecaimento de próton e 
detectar neutrinos de qualquer supernova que possa existir em 
nossa galáxia. 
• Super-K está localizado a 1 km debaixo da terra em uma mina de Mozumi, 
propriedade da companhia Kamioka Mining and Smelting Co. na cidade 
de Hida (antigamente conhecida como Kamioka), Gifu , Japão. Ela consiste 
de 50.000 toneladas de água pura rodeada por cerca de 11.200 
tubos fotomultiplicadores. A estrutura cilíndrica tem 41.4 metros e 39.3 
metros de largura. 
 
SUPERKAMIOKANDE 
 
SUPERKAMIOKANDE 
• A interação de um neutrino com os elétrons com os núcleos de água pode 
produzir uma partícula que se move mais rápido que a velocidade da 
luz na água. Isto cria um cone de luz conhecido como radiação de 
Cherenkov. 
Decaimento β− 
• Decaimento de um nêutron no núcleo de radionuclídeos com excesso de 
nêutrons em relação ao número de prótons. 
• Existem cerca de 660 emissores. 
 
e
A
Z
A
Z YX υβ
0
0
0
11 ++→
−
−+
eSP υβ
0
0
0
1
32
16
32
15 ++→
−
−
Decaimento β− 
• Na interação da partícula β− com o corpo humano, o que interessa é a 
energia média <E>, que equivale a 0.3Emax a 0.4Emax e vai fornecer a 
quantidade de energia depositada no corpo. 
• Para propósitos de rápida avaliação da energia total armazenada em um 
corpo por partículas β−, costuma-se usar a relação: 
 
𝐸 = 13𝐸𝑚𝑚𝑥 
Decaimento β− 
 
• Podemos calcular a energia de desintegração Q durante o decaimento do 
P-32, por meio do balanço energético da reação. 
• Lado esquerdo da reação: 
 31.973909u - 15me 
• Lado direito da reação: 
31.972073u - 16me + 1me 
• Ao compararmos os dois lados da reação, obtemos que o lado esquerdo é 
maior que o lado direito em: 
0.001836u 
0.001836u x 931.5 MeV/u 
1.71 MeV 
eSP υβ
0
0
0
1
32
16
32
15 ++→
−
−
Decaimento β+ 
• O decaimento β+ corresponde à conversão no núcleo de um próton em 
um nêutron mais um pósitron mais um neutrino. 
• Existem cerca de 800 núcleos emissores. 
 
 
 
 
• O N-13 decai com meia-vida de 10 min, emitindo β+ e um neutrino que 
compartilham energia de 1.198 MeV. Ele perde também um elétron de 
valência quando se transmuta em C-13. Por meio do balanço energético, 
podemos determinar a energia de desintegração Q da reação. 
e
A
Z
A
Z YX υβ
0
0
0
11 ++→
+
−
eCN υβ
0
0
0
1
13
6
13
7 ++→
+
Decaimento β+ 
 
• Lado esquerdo da reação 
13.0057388u – 7me 
• Lado direito da reação 
13.0033551u – 6me + 1me 
• Comparando os dois lados da reação, obtém-se que o lado esquerdo é 
maior que o direito em: 
• 0.0023837u – 2me = 2.220 MeV – 1.022 MeV = 1.198 MeV 
eCN υβ
0
0
0
1
13
6
13
7 ++→
+
Decaimento β+ 
• A massa atômica do pai deve ser maior que a massa atômica do filho em, 
pelo menos, duas vezes a massa de repouso do elétron (2me) 
• Isso corresponde à soma das massas dos pósitron emitido com a do 
elétron de valência liberado, visto que, na transmutação, o número 
atômico do elemento filho diminui de uma unidade. 
Decaimento β+ 
• Quando uma partícula β+ para e encontra um elétron nas vizinhanças, 
ocorre uma interação de aniquilação. O pósitron e o elétron desaparecem, 
e em seu lugar, há a emissão de dois fótons em direções opostas, cada um 
com energia de 0.511 MeV. 
• O F-18 é um emissor de pósitron usado para marcar molécula similar à da 
glicose, que é administrada para se obter imagens do interior do corpo 
com a técnica PET (Tomografia por emissão de pósitron) 
Decaimento β+ 
• Diferença entre o espectro de energia do decaimento. 
• Há poucos pósitrons emitidos com baixa energia, ao passo queo contrário 
ocorre com os elétrons. Isso ocorre porque as partículas β+ são repelidas 
do núcleo por tem carga positiva, e as β- são, ao contrário, atraídas. Por 
esse motivo, a relação <E>/Emax da partícula emitida é mais próxima do 
valor 0.3 para elétrons e do valor 0.4 para pósitrons. 
Datação Arqueológica 
• O corpo de um indivíduo com 76kg tem 14kg de carbono. 
• O carbono da natureza é constituído dos isótopos 12C (98.892%) e 13C 
(1.108%). Estes são estáveis. 
• O 14C é instável. 
• O 14C é o resultado da interação do nêutron da radiação cósmica com o 
átomo de N-14 do ar na troposfera e estratosfera. 
 
 
• Para a datação, considera-se que a razão entre as abundâncias isotópicas 
de 14C e 12C em moléculas de dióxido de carbono da nossa atmosfera é 
constante, sendo 1.3 x 10-12. 
• Essa taxa se mantém constante enquanto os organismos estão vivos, após 
a morte a taxa decai. 
 
 
HCnN 11
14
6
1
0
14
7 +→+
Datação Arqueológica 
• É possível conhecer a data da morte de peças arqueológicas orgânicas, 
como madeira, carvão, ossos, conchas, papel e tecidos naturais. 
• Limite da técnica é de 1000 até 50000 anos. 
• Exemplo é o santo sudário que está na Capela Real da Catedral de Torino. 
• Técnica AMS (accelerator – Mass- Espectrometry) 
• Três laboratórios fizeram a datação em 1988. 
• A data obtida foi 1260 d.C. e 1390 d.C (era medieval) 
• Pergaminho do mar morto foi datado com 1950 anos. 
 
 
Captura Eletrônica 
 
 
 
 
 
 
 
• Captura K (90%) 
• Captura L (10%) 
Captura Eletrônica 
• A reação típica de captura eletrônica de um elétron da camada K é: 
 
 
 
• Que resulta de: 
 
 
e
A
Zk
A
Z YeX υ+→+ −− 1
0
1
ek nep υ+→+ −
1
0
0
1
1
1
Emissão de Elétrons Auger 
• É o fenômeno em que a transição de um elétron da camada superior para 
uma camada inferior do átomo promove a emissão de um segundo 
elétron, sendo um processo de desexcitação atômica, que compete com a 
emissão de fóton. 
Decaimento Gama 
• É a emissão de um fóton pelo núcleo que ainda permanece excitado após 
decaimento alfa ou beta. O fóton emitido chama-se raio gama γ e sua 
energia hν corresponde à diferença entre dois níveis de energia nuclear. 
Nesse caso, o núcleo não sofre transmutação, e em geral, seu estado final 
é o fundamental. 
γ00
* +→ XX AZ
A
Z
γ00
99
43
99
43 +→ TcTc
m
Conversão interna, elétron escapa 
da camada K para desexcitar o núcleo. 
Instabilidade de Radioisótopos 
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