Transformações nucleares e radioatividade

Prévia do material em texto

RADIOATIVIDADE E TRANSFORMAÇÕES 
NUCLEARES 
A radioatividade (natural) é a propriedade em que núcleos atômicos instáveis tendem a emitir 
partículas e/ou radiações eletromagnéticas com o objetivo de ficarem estáveis; quando isso 
acontece, o átomo para de emitir radiação, tornando-se inócuo para os seres. 
Para alcançar essa estabilidade, ao emitir as partículas eletromagnéticas os elementos 
radioativos se desintegram. Lembrando que só é radioativo o elemento que tem seu núcleo 
instável. 
A instabilidade atômica é determinada pelo número de massa - resultado da soma do número 
de prótons e nêutrons. Essa instabilidade é almejada nos átomos com número de masssa 
muito grande; sendo assim, a partir do elemento POLÔNIO (Pb), todos os átomos possuem 
instabilidade. Eles foram apelidados de ISÓTOPOS RADIOATIVOS ou RADIOISÓTOPOS. 
Vale ressaltar que, com o avanço da ciência, a radioatividade também pode ser definida como 
um fenômeno nuclear que resulta da emissão de energia por átomos, proveniente de uma 
desintegração provocada em laboratório. 
Uma reação nuclear é diferente de uma reação química. Em transformações nucleares o 
núcleo do átomo sofre alterações, já as reações químicas ocorrem na eletrosfera do átomo. 
Desta forma, um átomo pode se transformar em outro átomo e, quando isso acontece, 
significa que ele é radioativo. 
A radioatividade pode ser: 
Radioatividade natural ou espontânea: É a que se manifesta nos elementos radioativos e nos 
isótopos que se encontram na natureza e poluem o meio ambiente. 
Radioatividade artificial ou induzida: É aquela que é provocada por transformações nucleares 
artificiais (como em laboratórios e usinas nucleares). 
Tipos de Radioatividade (naturais) 
A radioatividade das partículas Alfa, Beta e das ondas Gama são as mais comuns (outras serão 
apresentadas na radioatividade artificial). O tipo de radiação determina o poder de penetração 
na matéria, que são, respectivamente, baixa, média e alta. 
Emissões Alfa ( 2
4α) 
São partículas pesadas de carga positiva, que possuem carga elétrica +2 e massa igual a 4. 
 
Por possuir 2 prótons e 2 nêutrons, seu núcleo é comparado ao do elemento químico hélio, e 
por isso, alguns autores também a chamam de “hélion”. 
Possui pequeno poder de penetração, e por isso a sua radioatividade pode ser impedida por 
uma folha de papel. 
Em 1911, Frederick Soddy formulou a Primeira Lei da Radioatividade, a respeito das emissões 
alfa, que se tornou conhecida como Lei de Soddy: 
“Um átomo instável emite uma partícula alfa (α), diminui o número atômico (Z) em duas 
unidades, ao passo que o número de massa (A) diminui em quatro unidades. Assim: 2
4α” 
Segundo essa lei, um novo elemento químico pode ser formado com número atômico com 
duas unidades a menos que o elemento inicial. 
Exemplo: O urânio-238 ao emitir uma partícula alfa gera o elemento tório. Da mesma maneira, 
o tório pode emitir uma partícula alfa e levar à formação do elemento rádio. 
(copiar o quadro) 
A partir dos exemplos anteriores, podemos propor de maneira genérica uma equação para 
emissões alfa: 
(copiar) 
 
Emissões Beta (-1
0β) 
São partículas leves, de carga negativa e que não contêm massa. O elétron da partícula é 
produzido por reações nucleares a partir de um nêutron e possui alta velocidade. 
 
Nessa reação, um nêutron instável se desintegra, convertendo-se em um próton, que 
permanece no núcleo, há a emissão de um elétron em alta velocidade e do neutrino, cuja 
massa e carga são desprezíveis. 
Possui poder de penetração superior a radioatividade alfa, podendo penetrar uma folha de 
papel, mas não uma placa de metal. 
Em 1913, Frederick Soddy, Kasimir Fajans e Smith Russell criaram a Segunda Lei da 
Radioatividade, também conhecida como Lei de Soddy, Fajans e Russell: 
“Um átomo instável emite uma partícula beta (β), aumenta o número atômico (Z) em uma 
unidade, ao passo que o número de massa (A) permanece o mesmo. Assim: -1
0β” 
De acordo com essa lei, o elemento criado é isóbaro do elemento inicial, pois possuem mesma 
massa atômica e números atômicos com diferença de uma unidade. 
Exemplo: (copiar o quadro) 
Quando ocorre uma emissão beta, há a conversão de um nêutron em um próton, modificando 
o número atômico e consequentemente um novo elemento é formado. 
Emissões Gama (0γ
0) 
São ondas eletromagnéticas de altíssima frequência e que não possuem massa e carga elétrica. 
A sua capacidade de penetração é superior aos raios-X e faz com que a sua radioatividade 
passe tanto pelo papel como pelo metal. 
 
Como podemos ver a seguir, as radiações diferem no poder de penetração. 
 
A radiação gama é bem mais penetrante que os outros dois tipos devido o seu comprimento 
de onda ser bem menor, podendo facilmente atravessar todo o nosso organismo. 
À medida que a radiação é emitida, o átomo se desintegra, o que resulta na sua 
transformação, pois é o número atômico que determina o elemento químico. 
Tipos de Radioatividade (artificiais) 
Uma reação de transmutação artificial ocorre quando núcleos estáveis de elementos naturais 
são bombardeados com diferentes partículas (alfa, beta, próton, nêutrons, etc.), 
transformando-se em núcleos de outro elemento químico. Isso significa que ocorre a 
transformação de um elemento que não ocorreria naturalmente na natureza, mas que pode 
ser induzido em laboratório. 
A seguir temos uma tabela que relaciona as principais partículas usadas como projéteis, isto é, 
usadas para bombardear o núcleo alvo: 
 
 
Os pesquisadores franceses Jean Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) e Irène-Curie (1897-1956) 
descobriram a radioatividade artificial em 1934. Eles fizeram essa descoberta quando 
realizaram uma experiência em que bombardearam o alumínio 13
27Al com partículas alfa (2
4α) e 
perceberam que haviam produzido o isótopo de 15
30P e um nêutron, conforme a reação a 
seguir: 
13
27Al + 2
4α → 15
30P + 0
1n 
Eles também descobriram a emissão de uma nova partícula, o pósitron (+1
0β), que era emitido 
pelo fósforo 30 obtido na transmutação do alumínio 27. Em 1932, Carl David Anderson (1905-
1991) estudava a reação de desintegração por emissão de pósitrons do fósforo 30 em silício 
30, quando obteve essa partícula: 
15
30P → 14
30Si + +1
0β 
Atualmente, a maioria dos radioisótopos usados nas mais diversas áreas, como medicina, 
agricultura, indústrias, etc., é produzida a partir de reações de transmutação artificial. 
 
Elementos Radioativos 
A radioatividade pode ser natural, encontrada em elementos que estão dispostos na natureza 
ou artificial, pela criação de elementos radioativos em laboratório. 
Elementos Radioativos Naturais: as famílias radioativas naturais são encontradas na natureza, 
donde os elementos radioativos são transformados por meio de desintegrações, até chegarem 
num elemento químico estável, por exemplo, o urânio, o actínio e o tório. 
Elementos Radioativos Artificiais: obtidos artificialmente nas reações artificiais de 
transmutação, a qual produz um novo elemento químico radioativo, por exemplo: iodo-131 e 
o fósforo-30. 
 
Meia vida ou período de semidesintegração (P 
ou t1/2) 
Meia-vida, também conhecida como período de semidesintegração, é o tempo necessário para 
que metade do número de átomos do isótopo radioativo presente em uma amostra 
desintegre-se. 
→ Desintegrações 
A desintegração não está relacionada com a extinção do átomo, ou seja, o átomo não deixa de 
existir. Na verdade, o que ocorre é o decaimento natural que o átomo sofre. No decaimento, o 
átomo (X), ao emitir radiação alfa e beta, transforma-se automaticamente em um novo 
elemento químico (Y), o que ocorre incessantemente até que o átomo deixe de ser radioativo 
(átomo estável). 
 
Representação do decaimento natural a partir de emissões alfa (prótons) 
X → α + Y 
Ou 
X → β + Y 
Se o átomo Y formado no decaimento for radioativo, novas radiações alfa e beta serão 
emitidas do núcleo desseátomo. Quando se chega à meia-vida de um material, sabemos que 
metade dos átomos que existiam na amostra tornou-se estável. 
 
→ Meia-vida dos isótopos 
Cada isótopo radioativo apresenta uma meia-vida diferente. Essa meia-vida pode ser expressa 
em segundos, minutos, horas, dias e anos. A tabela abaixo traz a meia-vida de alguns isótopos 
radioativos: 
 
→ Fórmulas utilizadas no estudo de meia-vida 
O período de meia-vida é representado pela sigla P. Já o tempo que um material sofreu 
desintegração é representado por t. Assim, se conhecemos a meia-vida e o tempo de 
desintegração (representado por x), podemos afirmar por quantas meias-vidas um material 
passou até certo momento. Isso é feito por intermédio da relação abaixo: 
t = x . P 
Com esse conhecimento, podemos ainda determinar o número de átomos que resta após o 
período de meia-vida a partir da expressão: 
n = no 
 2x 
n = número de átomos radioativos que resta na amostra; 
no = número de átomos radioativos que havia na amostra; 
x = número de meias-vidas que se passaram. 
 
Além do cálculo do número de átomos propriamente dito, a desintegração ou a diminuição da 
quantidade do material radioativo após um período de meia-vida pode ser expressa das 
seguintes formas: 
→ Em forma de porcentagem: 
Pr = Po 
 2x 
Pr = porcentagem de material radioativo que resta na amostra; 
Po = porcentagem inicial de material radioativo que havia na amostra (sempre será 100%); 
x = número de meias-vidas que se passaram. 
 
→ Em forma de massa: 
m = mo 
 2x 
m = massa do material radioativo que resta na amostra; 
mo = massa do material radioativo que havia na amostra; 
x = número de meias-vidas que se passaram. 
 
→ Em forma de números fracionários (fração): 
F = No 
 2x 
F = fração referente ao material radioativo que resta na amostra; 
No = quantidade referente ao material radioativo que havia na amostra, que, na realidade, é 
sempre o número 1 no caso de exercícios que envolvem fração; 
x = número de meias-vidas que se passaram. 
 
OBS.: Quando o número de meias-vidas aumenta de 1, 2, 3, 4 vezes etc., o valor da massa 
inicial (m0) diminui, respectivamente, de 21, 22, 23, 24 etc. 
 
Exemplos de cálculos envolvendo meia-vida 
Após 12 dias, uma substância radioativa tem sua atividade reduzida para 1/8 da inicial. Qual 
é a meia-vida dessa substância? 
Dados do Exercício: 
Meia-vida (P) = ? 
Tempo total (t) = 12 dias 
Fração restante (F) = 1/8 
Quantidade inicial (No) = 1 
Temos que determinar o número de meias-vidas (x) sofridas pelo material na seguinte 
expressão: 
1 = 1 
8 2x 
2x.1 = 8.1 -------- x = 3 
 Em seguida, determinamos o valor da meia-vida utilizando o valor de x encontrado e o 
tempo fornecido pelo enunciado: 
t = x.P ---- 12 = 3.P ---- P = 4 dias 
ENERGIA NUCLEAR (FISSÃO NUCLEAR E FUSÃO NUCLEAR) 
FISSÃO NUCLEAR: é o processo de divisão do núcleo de um elemento químico pesado 
em dois outros elementos mais leves e de massa aproximada. Esse processo possui baixa 
probabilidade de ocorrer naturalmente, mas um elemento pode ser forçado a dividir-se por 
meio do recebimento de energia ou sendo bombardeado por um nêutron. 
A energia nuclear mantém unidas as partículas do núcleo de um átomo. A divisão desse núcleo 
em duas partes provoca a liberação de grande quantidade de energia. 
A fissão nuclear já é utilizada para produção de 
energia, mesmo que não seja uma forma limpa 
de produção, já, que após a fissão, elementos 
radioativos são gerados. 
Um exemplo clássico de ocorrência de fissão 
nuclear é a do 235U. A equação a seguir mostra 
que, após a absorção de um nêutron, o núcleo 
de urânio é dividido em um núcleo de xenônio 
(140Xe) e outro de estrôncio (94Sr). Como esses 
fragmentos não são estáveis, eles emitem um 
elétron e um neutrino (processo chamado de 
decaimento beta) até se tornarem estáveis. 
235U + n → 236U → 140Xe + 94Sr + 2n 
Como a cada processo de fissão, no mínimo, dois nêutrons são liberados, a fissão nuclear 
ocorre por meio de uma reação em cadeia, em que cada novo nêutron criado colide com um 
núcleo de urânio, gerando uma nova fissão. 
FUSÃO NUCLEAR: 
Dá-se o nome de fusão nuclear ao processo de combinação de dois núcleos atômicos para a 
formação de um terceiro elemento mais pesado. No momento da formação do novo 
elemento, há liberação de energia. 
Ocorrência da fusão nuclear 
As fusões nucleares não ocorrem naturalmente aqui na Terra. Para chocar dois elementos 
iguais e originar uma fusão, é necessária uma enorme quantidade de energia para vencer a 
força de repulsão eletrostática entre os elementos. Essa força de repulsão recebe o nome de 
barreira de Coulomb. Em muitas estrelas no universo, como o Sol, esse processo ocorre 
naturalmente. A luz e o calor provenientes da estrela resultam da fusão de átomos de 
hidrogênio, o que produz átomos de Hélio e energia (luz + calor). 
 
A massa do átomo de Hélio é de fato maior que a soma das massas dos hidrogênios que o 
formam, mas não é exatamente o dobro. A conta não bate porque certa quantidade de 
matéria no momento da fusão é convertida em energia. 
O processo de fusão nuclear pode ser reproduzido em laboratório, mas ainda não de forma a 
gerar uma quantidade de energia considerável. 
Reatores de fusão nuclear 
Qualquer sistema físico em que se possa controlar uma fusão nuclear é chamado de reator de 
fusão nuclear ou reator termonuclear. A energia (limpa) gerada nesses reatores pode ser 
convertida em energia elétrica e abastecer milhões de pessoas de forma infinitamente mais 
eficaz do que os métodos utilizados hoje em dia, mas essa ainda é uma realidade distante em 
virtude das dificuldades para gerar as fusões. 
O reator funciona basicamente da mesma forma que o Sol, colidindo átomos de hidrogênio e 
gerando átomos de hélio. A dificuldade está em gerar energia suficiente para que a barreira de 
Coulomb seja vencida e a fusão ocorra. Para isso, as temperaturas a que se deve elevar o 
sistema podem ultrapassar 99 milhões °C. 
Em outubro de 2015, o reator Wendelstein 7-X (W7-X) ficou pronto após quase duas décadas 
de construção. Esse reator está na cidade de Greifswald, na Alemanha, e é uma esperança para 
a produção de energia a partir da fusão nuclear.