RADIOATIVIDADE - PV (1)

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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE -
UFF INSTITUTO DE CIÊNCIA EXATAS - ICEX
PAULO VITOR DA SILVA BRAGA
RADIOATIVIDADE
Volta Redonda - RJ
2021
1.O QUE É RADIOATIVIDADE ?
A radioatividade é um processo na qual a emissão de partículas ou radiação
eletromagnética de núcleos instáveis. Esses átomos são caracterizados por um
desequilíbrio na estrutura nuclear entre o número de prótons e nêutrons. Ocorre a
emissão de radioatividade, fazendo com que o átomo atinja uma configuração
nuclear estável. Sem a presença de fatores externos, muitos nuclídeos são
constantemente estáveis. Entretanto, alguns não são e sofrem decaimento
radioativo. Tal processo é representado por uma equação nuclear na qual o número
atômico (Z) e número de massa (A) de cada partícula são especificados. Um núcleo
instável ele sofre desintegração e se seu núcleo “filho” também for instável, irá sofrer
desintegração, assim sucessivamente, até que o núcleo formado fique estável, esse
processo é conhecido como desintegração radioativa. Os três principais tipos de
emissão radioativa são: partículas alfa, partículas beta e raios gama. A de partículas
beta um elétron deixa o núcleo em alta velocidade. A origem desse elétron está no
núcleo quando no nêutron (carga 0) é decompostos em: prótons (carga +), elétrons
(carga -) e nêutrons (partículas sem massas e sem carga são difíceis de detectar).
Os prótons permanecem no núcleo e os elétrons são ejetados. O número de massa
(A) é definido como a soma do número de prótons e nêutrons; portanto, a emissão
de partículas beta não altera a massa nuclídeo de desintegração mas o número de
prótons no núcleo (número atômico Z), e o número de prótons que caracterizam um
determinado elemento, quando um nuclídeo emite β, ele será transformado em outro
nuclídeo elemento. A partícula alfa: É composta por 2 prótons e 2 nêutrons, portanto,
tem a mesma estrutura de "núcleo de hélio". São altamente ionizantes, pois
arrancam elétrons dos átomos e moléculas e não oferecem perigo para organismo
humano. Quando um elemento emite partículas alfa, o número de massa e o número
atômico diminuem (o primeiro de 4 unidades e o segundo de 2 unidades). Os raios
gama (γ) não são partículas; eles são ondas eletromagnética, como os raios-x, são
geralmente frequências mais altas e, logo, apresenta maior energia, e são ionizantes
fortes. Essa radiação não provoca uma alteração nem no número atômico nem na
massa atômica, geralmente, ela é acompanhada de outra emissão radioativa, pois
ela representa uma energia perdida.
O processo de emissão radioativa envolve reações químicas que ocorrem no núcleo
do átomo, por isso são chamadas de reações nucleares, diferente das reações
químicas que ocorrem apenas por transferência de elétrons. As reações nucleares
liberam mais energia do que as reações químicas.
2. CINÉTICA DA DESINTEGRAÇÃO NUCLEAR
Alguns isótopos radioativos são encontrados na natureza, embora sejam instáveis.
Outros são instáveis, mas podem ser sintetizados em reações nucleares. Para
entender essa distinção, precisamos saber que diferentes núcleos sofrem
decaimento radioativo em taxas diferentes. Muitos radioisótopos podem decair
completamente em poucos segundos, portanto, não podemos encontrá-los na
natureza.
O decaimento radioativo, nada mais é do que um processo cinético de primeira
ordem. Ressaltando que um processo de primeira ordem possui uma meia-vida
característica, na qual é o tempo necessário para metade de dada quantidade de
uma substância reagir. Habitualmente, as velocidades de decaimentos são
expressadas em condições de meias-vidas e cada isótopo tem sua própria
meia-vida específica. Assim, sabendo que a desintegração nuclear é um processo
cinético, pode-se determinar fórmulas através das fórmulas de cinética química de
primeira ordem. Portanto, a velocidade da desintegração nuclear é proporcional ao
número de núcleos instáveis presentes na amostra, podendo ser escrita dessa
maneira: Velocidade de desintegração = k . N, onde k é a constante de decaimento
e o N é o número de núcleos pais em uma dada amostra. A lei de velocidade de
primeira ordem em Cinética química pode ser mudada para essa equação: ln Nt/No
=-kt, onde t é o intervalo de tempo, o k é a constante de decaimento, No é inicial de
núcleos no tempo 0 e o Nt é o número restante de núcleos após esse intervalo de
tempo.É importante salientar, que tanto a massa de um isótopo radioativo específico
quanto sua atividade são proporcionais ao números de núcleos radioativos. Nesse
sentido, a razão da massa ou atividade em qualquer tempo em relação à massa ou
a atividade no tempo igual a zero, pode ser substituída em Nt/No.
3. DATAÇÃO RADIOQUÍMICA
Um dos usos da desintegração radioativa é determinar a idade dos radionuclídeos.
Relíquias culturais antigas, fósseis, rochas, etc., como séries de desintegração para
datar o urânio. Como a primeira fase da desintegração é a de meia-vida, e sua
sequência é semelhante a reação química, o primeiro nível é o fator determinante da
velocidade. Sob essas circunstâncias, o número de átomos de chumbo (o produto
final estável) é basicamente igual ao número de átomos de chumbo e de urânio
desintegrado. Ao determinar a idade das rochas e certas relíquias culturais,
principalmente inorgânico, o número de átomos de urânio e chumbo é determinado
por análise, a soma é igual ao número de átomos de urânio em t = 0, ou seja,
quando a rocha se formou. Se a meia-vida do urânio-238 é conhecida, a idade das
rochas podem ser calculadas através do número de átomos de urânio presentes em
relação ao número de rochas original.
Uma das mais utilizadas, é a datação com carbono-14, que permite que cientistas
de diferentes áreas determinem a idade dos sedimentos, fósseis humanos ou
vegetais. Portanto, é adequado para madeira, carbono, sedimentos orgânicos,
conchas do mar ou qualquer material que absorva direta ou indiretamente
compostos contendo carbono.
O isótopo C-14 é um isótopo radioativo, formado na camada superior da atmosfera
pelo bombardeio do N-14 (7N14) com nêutrons presentes na atmosfera. O isótopo
6C-14 reage com o oxigênio do ar para formar dióxido de carbono (C14O2), que
permanece constante na atmosfera. Este C14O2 e C12O2 são absorvidos pelo
mecanismo metabólico de animais e plantas juntos, e combinados com sua
estrutura. Embora essas criaturas ainda estivessem vivas, a relação entre 6C14 e
6C-12 permanece inalterada, mas após sua morte, o número de C-14 começa a
diminuir. A meia-vida do isótopo C-14 é 5730 anos. Quando o isótopo C-14 decai,
ele se tornará 7N-14, emitindo partículas beta (β).
Portanto, a medição da radioatividade causada pelo radiocarbono fornece a idade
aproximada do organismo. Essa técnica tem limitações porque à medida que os
elementos vão se deteriorando, quando a qualidade se torna muito pequena
chegará um determinado momento que não será possível quantificar. Assim, pode
ser usado para determinar a data de amostras de até cerca de 50.000 a 70.000
anos.
4. FISSÃO E FUSÃO NUCLEAR
A fissão nuclear é o processo de proliferação nuclear massiva e está dividido em
dois fragmentos de comparáveis números de massa. Núcleos de números grandes
de massas podem sofrer fissão espontânea com uma probabilidade menor e sujeitos
à fissão induzida artificialmente com uma probabilidade bem maior, onde os nêutrons
que se movem lentamente são essenciais na fissão, pois esse procedimento ocorre
porque esse processo absorve inicialmente os nêutrons pelos núcleos. O núcleo
resultante maciço costuma ser instável assim sofrendo a fissão espontânea.
Pode-se induzir a fissão nuclear e, pelo menos, estimular a fissão nuclear com
energia menos de 4 a 6 MeV ou bombardeado com nêutrons, desde que um desses
nêutrons capturado pelo núcleo e a soma de sua energia cinética e sua energia a
combinação com o núcleo seja maior do que o limiar de energia da fissão. O número
de fissões e a energia liberada sofrem rápido incrementos, podendo possuir uma
explosão gigantesca, se não forem controlados. Essas reações que são
multiplicadas são chamadasde reações de cadeia.
Para que ocorra uma reação de fissão, uma amostra de material físsil deve ter uma
certa massa mínima. Senão, os nêutrons escaparão da amostra antes de atingir
outros núcleos e irão causar a fissão artificial. A quantidade mínima desse material
suficiente para manter uma velocidade constante de reação em cadeia é chamada
de massa crítica. Quando materiais de massa crítica estão presentes, cada fissão
produz um nêutron em média e então produz efetivamente outra fissão, que continua
a uma taxa constante e controlável. Se houver um material físsil excedendo a massa
crítica, quase nenhum nêutron escapará. Portanto, a reação em cadeia se amplia no
número de fissão, o que pode levar a uma explosão nuclear. A massa maior do que
a massa crítica é chamada de massa supercrítica. Em um reator nuclear, quando o
núcleo está sob força, apenas um nêutron é emitido A fissão é capturada por outro
núcleo de fissão. Desta forma, a resposta é controlável. A fissão continua, mas a
velocidade é menor que a da bomba. Reator de manutenção Controle ajustando a
posição de absorção de nêutrons na haste de controle Insira entre os elementos de
combustível nuclear do reator. Essas barras são geralmente Dois elementos feitos
de cádmio ou boro são muito eficazes na absorção de nêutrons. Entretanto, o reator
é usado apenas como fonte de calor para água fervente. Portanto, assim como as
máquinas de energia tradicionais, o vapor move as turbinas que geram eletricidade
para gerar eletricidade.
A fusão nuclear é o processo de formação de um núcleo por colisão, e a junção
posterior dos dois núcleos menores. O núcleo de colisão deve ter inicialmente, a
energia cinética total que os aproxime, contra a força repulsiva coulombiana, que
seja suficiente para fazer uma forte interação nuclear se tornar eficaz e o mais
importante. À medida que a rejeição de coulombiana se torna cada vez mais
importante quanto maior a carga do núcleo em colisão, a fusão nuclear pode ser os
núcleos atômicos com um pequeno número de prótons são mais prováveis de
causá-lo. A energia cinética mínima do núcleo de fusão pode ser estimada e a
interação nuclear hipotética irá efetivamente uni-los quando eles forem fundidos
mantenha contato. A fusão é uma fonte de energia alternativa encantadora porque
tem isótopos mais leves e, como os produtos da fusão geralmente não são
radioativos, é uma fonte de energia atraente. Mesmo assim, a fusão não é usada
com vigor atualmente para gerar energia. O problema é que, para que os dois
núcleos se fundem, temperaturas e pressões extremamente altas são necessárias
para superar a repulsão eletrostática entre os núcleos.
O processo de fusão vem acompanhado de uma liberação de energia porque as
energias de ligação por núcleo dos núcleos iniciais são menores do que a energia
de ligação por núcleo do núcleo final. De qualquer modo, assim como no caso da
fissão, num reator nuclear, a reação de fusão em cadeia é controlada, o que não
acontece numa bomba termonuclear (bomba H).
Um reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico que produz a fusão nuclear.
Controle a reação de fusão em cadeia nuclear. Embora existam várias maneiras
propostas e sendo implementadas para gerar energia por fusão, não há reator que
funcione de forma satisfatória.
5. APLICAÇÕES DA RADIOATIVIDADE
As aplicações da radioatividade estão presentes no nosso cotidiano, em diversas
áreas de conhecimento, como por exemplo: na medicina, na agricultura, na química,
na produção de energia, na física, dentre outros ramos.
Nas técnicas analíticas os radioisótopos têm muitas aplicações em análises
químicas. Uma das técnicas utilizadas é a análise por diluição de isótopo, que pode
ser usada para determinar uma mistura difícil de separar completamente. Por
exemplo, suponha que a pessoa queira determinar a quantidade de NaNO3 presente
na solução. Inicialmente, é adicionada uma quantidade conhecida de NaNO3, que
contém sódio radioativo 24 dissolvido em solução. Em seguida, a água é evaporada
até que uma certa quantidade de NaNO3 cristalize na solução. Em seguida, meça a
radioatividade do sólido, por exemplo, se for 3% da quantidade de NaNO3 radioativo
adicionado, a proporção entre o cristal original e o cristal adicionado deve ser 97: 3.
Mas isso também deve ser uma relação na solução, portanto, com base na
quantidade de NaNO3 radioativo marcado, a quantidade de NaNO3 inicialmente
presente pode ser determinada.
Modificações estruturais: A radiação de alta energia pode causar mudanças
estruturais importantes no corpo. Irradiar plástico de polietileno com raios β- uu γ
dissocia alguns átomos de hidrogênio na cadeia de hidrocarbonetos. Esses átomos
formam moléculas Hidrogênio, e cadeias adjacentes formando ligações cruzadas,
onde o átomo H está presente. Essas ligações cruzadas aumentam a dureza e a
durabilidade do plástico. Os radionuclídeos são usados em muitas aplicações
médicas. Cobalto 60 é usado para tratar o câncer. Devido aos seguintes motivos, a
radioterapia não é mais comumente usada O custo desse elemento é alto. Co-60 é
um emissor beta e gama e a radiação são direcionadas ao tecido O mal o destrói.
Ingerir pequenas quantidades de compostos de iodo-131 para pacientes com câncer
de tireoide. O iodo radioativo se concentra na tireóide e a destrói o tecido glandular
tem menos impacto nas outras partes do corpo.
Tomografia: o princípio da tomografia envolve conectar um tubo de raios X ao filme.
As radiografias são realizadas por um braço rígido girando em torno de um ponto
específico, que está localizado em paralelo ao plano do filme. Portanto, durante a
rotação do braço, ocorre a translação focalize (alvo) e filme ao mesmo tempo.
Obtenha imagens de planos de corte contínuo. A operação elétrica trará o risco de
acidentes e o grau de exposição à radiação é semelhante. Devido ao acúmulo, as
tomografias não devem ser realizadas desnecessariamente dose de radiação.
Traçadores radioativos: uma vez que a radioatividade pode ser detectada mesmo
em níveis muito baixos, quantidades muito pequenas de materiais radioativos podem
ser usadas como traçadores, permitindo o acompanhamento do desenvolvimento de
diversos processos. Por exemplo, uma pequena quantidade de injeção pode
diagnosticar certos tipos de doenças vasculares Cloreto de sódio 24 contendo
cloreto de sódio no sangue. Este isótopo de sódio é emissor beta - e γ, e seu
progresso nas artérias, capilares e veias, podem ser facilmente rastreados. Estudos
com traçadores têm sido úteis na química em muitos processos. A velocidade de
muitas reações de troca tem sido medida através do uso de traçadores.
REFERÊNCIAS:
BRADY, J. E,; RUSSEL, J. W.; HOLUM, J. R.; Química, a matéria e suas
transformações, vol. 2, 3ª Ed., LTC, 2002.
BROWN, T. L.; LEMAY JR., H. E.; BURSTEN, B. E.; BURDGE, J. R.; Química a
ciência central; 9ª Ed. Pearson Prentice Hall do Brasil, 2008.