Radioatividade

Alerta de produto radioativo

A radioatividade, radiatividade (português brasileiro)  é um fenômeno natural ou artificial, pelo qual algumas substâncias ou elementos químicos, chamados radioativos, são capazes de emitir radiações, as quais têm a propriedade de impressionar placas fotográficas, ionizar gases, produzir fluorescência, atravessar corpos opacos à luz ordinária, etc. As radiações emitidas pelas substâncias radioativas são principalmente partículas alfa, partículas beta e raios gama. A radioatividade é uma forma de energia nuclear, usada em medicina (radioterapia) e agricultura (indução de mutações), e consiste no fato de alguns átomos como os do urânio, rádio e tório serem “instáveis”, perdendo constantemente partículas alfa, beta e gama (raios-X). O urânio, por exemplo, tem 92 prótons, porém através dos séculos vai perdendo-os na forma de radiações, até terminar em chumbo, com 82 prótons estáveis.

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.

Radioatividade artificial

Produz-se a radioatividade induzida quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Se a energia destas partículas tem um valor adequado, elas penetram no núcleo bombardeado formando um novo núcleo que, no caso de ser instável, se desintegra posteriormente. Foi descoberta pelo casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie), bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa. Observaram que as substâncias bombardeadas emitiam radiações após retirar o corpo radioativo emissor das partículas alfa. O estudo da radioatividade permitiu um maior conhecimento da estrutura dos núcleos atômicos e das partículas subatômicas. Abriu-se a possibilidade da transmutação dos elementos, ou seja, a transformação de elementos em elementos diferentes. Inclusive o sonho dos alquimistas de transformar outros elementos em ouro se tornou realidade, mesmo que o processo economicamente não seja rentável.

Classes de radiação

Comprovou-se que a radiação pode ser de três classes diferentes:

Radiação alfa

São fluxos de partículas carregadas positivamente, compostas por 2 nêutrons e 2 prótons (núcleo de hélio). São desviadas por campos elétricos e magnéticos. São muito ionizantes porém pouco penetrantes. Quando um radioisótopo (que possui núcleo instável) emite uma partícula alfa, seu número de massa (A) diminui 4 unidades e o seu nº atômico diminui 2 unidades.

Foi observada pela primeira vez por Ernest Rutheford em 1898.

Radiação beta

São fluxos de partículas originárias do núcleo, fato este que as distingue dos elétrons. Estas partículas tem a mesma natureza dos eletrons orbitais, e são resultantes da desintegração de nêutrons do núcleo (ver “Leis de Soddy e Fajans” abaixo para uma melhor interpretação de “desintegração”). É desviada por campos elétricos e magnéticos. É mais penetrante porém menos ionizante que a radiação alfa. Quando um radioisótopo emite uma partícula beta, o valor de sua massa não muda, e seu nº atômico aumenta em 1 unidade.

Radiação gama

São ondas eletromagnéticas. É o tipo mais penetrante de radiação. Não apresenta carga elétrica e não é afetada pelos campos elétricos e magnéticos. É uma radiação muito perigosa aos organismos vivos. Com o recebimento da Radiação Gama, pode-se alterar o material genético da pessoa, fazendo com que seus filhos tenham alta possibilidade de nascerem cegos, surdos, mudos ou com algum outro tipo de deficiência.

Leis de Soddy e Fajans

As leis da desintegração radioactiva, descritas por Soddy e Fajans, são:

Quando um átomo radioactivo emite uma partícula alfa, o número de massa do átomo resultante diminui em 4 unidades e o número atômico em 2 unidades.

Quando o átomo radioactivo emite uma partícula beta, o número de massa do átomo resultante não varia e o seu número atômico aumenta em 1 unidade.

Quando um núcleo “excitado” emite uma radiação gama não ocorre variação no seu número de massa e número atômico, porém ocorre uma perda de uma quantidade de energia “hν”.

As duas primeiras leis indicam-nos que, quando um átomo emite uma radiação alfa ou beta, transforma-se em outro átomo de elemento químico diferente. Este novo elemento pode ser radioactivo, transformando-se noutro, e assim sucessivamente, dando lugar às chamadas “séries radioactivas”.

Desse modo, a emissão de partículas alfa e beta pelos átomos instáveis muda seu número atómico, transformando-os em outros elementos. O processo de desintegração nuclear só termina com a formação de átomos estáveis. O urânio-238, por exemplo, vai sofrendo decaimento até formar o elemento chumbo-206.

Leis da Radioatividade

1ª Lei- quando um átomo emite uma partícula alfa, seu numero atômico diminui de duas unidades e sua massa atômica de quatro unidades.

2ª Lei- quando um átomo emite uma partícula beta, seu número atômico aumenta de uma unidade. As radiações gama não alteram o número atômico nem o número de massa do átomo. Quando um átomo emite uma partícula radioativa dizemos que ele sofreu uma desintegração.

Radiação

O internacionalmente reconhecido símbolo da radiação, trifólio.

Em física, radiação é a propagação da energia por meio de partículas ou ondas. Todos os corpos emitem radiação, basta estarem a uma determinada temperatura.

As radiações podem ser identificadas:

Isótopo

Isótopos são átomos de um elemento químico cujos núcleos têm o mesmo número atômico, ou seja, os isótopos de um certo elemento contêm o mesmo número de prótons designado por “Z”, mas que contém diferentes números de massas atómicas, designadas por “A”. A palavra isótopo, que significa “no mesmo lugar”, vem do fato de que os isótopos se situam no mesmo local na tabela periódica. A diferença nos pesos atómicos resulta de diferenças no número de neutrons nos núcleos atómicos, ou seja, os isótopos são átomos que possuem a mesma quantidade de prótons, mas não a mesma de neutrons. Ex.: O átomo de Hidrogênio possui três formas de isótopos: o Prótio (1 próton sem néutron) o Deutério (1 próton e 1 nêutron) e o Trítio (1 próton e 2 nêutrons). [1]

Na nomenclatura científica, os isótopos são designados pelo nome do elemento seguido por um hífen e pelo número de núcleons (prótons e nêutrons) no núcleo atómico (ex: ferro-57, urânio-238, hélio-3). Na forma simbólica, o número de núcleons é escrito como um prefixo subido do símbolo químico (ex: 57Fe, 238U, ³He).

Existem 339 isótopos naturais na Terra.[2] E mais de 3100 são conhecidos.[3]

Meia-vida

A meia-vida é a quantidade de tempo característica de um decaimento exponencial. Se a quantidade que decai possui um valor no início do processo, na meia-vida a quantidade terá metade deste valor.

Nos processos radioativos meia-vida ou período de semidesintegração de um radioisótopo é o tempo necessário para desintegrar a metade da massa deste isótopo, que pode ocorrer em segundos ou em bilhões de anos, dependendo do grau de instabilidade do radioisótopo. Ou seja, se tivermos 100kg de um material, cuja meia-vida é de 100 anos; depois desses 100 anos, teremos 50kg deste material. Mais 100 anos e teremos 25kg e assim sucessivamente.

No caso do carbono-14 a meia-vida é de 5.730 anos, ou seja, este é o tempo necessário para uma determinada massa deste isótopo instável decair para a metade da sua massa , transformando-se em nitrogênio-14 pela emissão de uma partícula beta.

Esta medida da meia-vida é utilizada para a datação de fósseis.

Alguns elementos possuem meia-vida muito baixa, mesmo para os seus isótopos menos instáveis. Alguns elementos transurânicos (elementos com número atômico acima de 92) apresentam meias-vida de 1 segundo enquanto o urânio-238 apresenta meia-vida de aproximadamente 5.000.000.000 anos que é a idade calculada da Terra.

Não confundir com vida-média de um radioisótopo, que é o tempo médio que um átomo de um radioisótopo leva para decair ou desintegrar

Vida média

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.

O tempo de vida de um átomo de um radioisótopo não é o mesmo que o tempo de vida de outro átomo do mesmo radioisótopo. Por isso define-se como vida-média de um radioisótopo , a média aritmética do tempo de vida de todos os átomos de uma determinada massa deste isótopo. Como consequência, a vida-media é o tempo médio que um isótopo instável leva para decair ou desintegrar.

Não confundir com meia-vida, que é o tempo necessário para que caia pela metade, por desintegração, uma determinada massa de um radioisótopo.

Como a probabilidade de um átomo para sofrer desintegração é proporcional a quantidade total de átomos que restam, os átomos demoram mais tempo para desintegrar a medida que diminui o número de átomos residuais. Como consequência, o período de tempo da vida-média é superior a da meia-vida. A meia-vida do carbono-14 é de aproximadamente 5.730 anos enquanto a sua vida-média é de aproximadamente 8.200 anos.

O calculo da vida média a partir da meia vida pode ser dado pela seguinte equação:

P = Vm . ln2

Onde: P = Meia Vida Vm = Vida Média ln2 = Logarítmo natural de 2 = 0,693

Contador Geiger

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Um contador Geiger moderno

O contador Geiger (ou contador Geiger-Müller ou contador G-M) serve para medir certas radiações ionizantes (partículas alfa, beta ou radiação gama e raios-X, mas não os neutrons). Este instrumento de medida, cujo princípio foi imaginado por volta de 1913 por Hans Geiger, foi aperfeiçoado por Geiger e Walther Müller em 1928.

O contador Geiger é constituído de um tubo Geiger-Müller e de um sistema de amplificação e de registro do sinal. O tubo Geiger-Müller, uma câmara metálica cilíndrica no eixo da qual é tendido um fino fio metálico, é enchido por um gás a baixa pressão. Uma tensão elétrica de ordem de 1000 volts é estabelecida entre o cilindro (que tem papel de cátodo) e o fio (ânodo).

Quando uma radiação ionizante penetra no contador, ela ioniza o gás, isto é, faz com que elétrons sejam liberados. Esses elétrons se multiplicam rapidamente por avalanche eletrônica, tornando o gás condutor durante um curto tempo (fenômeno de descarga elétrica). Após amplificação, o sinal elétrico assim produzido é registrado e traduzido para uma indicação visual (agulha, lâmpada) ou sonora (clique).

Datação radiométrica

A datação radiométrica é o procedimento do cálculo da idade absoluta de uma rocha e dos minerais que contém certos radioisótopos (isótoposradioativos).

Este processo de datação baseia-se na tendência que certos átomos de elementos químicos demonstram para emitirem partículas e radiação a partir dos seus núcleos instáveis, esta emissão designa-se por radioactividade.

Quando um núcleo radiactivo se desintegra, os produtos formados podem ser instáveis, desintegrando-se posteriormente até encontrar um equilíbrio. A transformação nuclear designa-se decaimento radioactivo.

Tabela dos radioisótopos mais utilizados
Isótopo-pai Isótopo-filho Meia-vida (anos) Materiais datados
Urânio (U-238) Chumbo (Pb-207) 4,5*10^9 Zircão
Urânio (U-235) Chumbo (Pb-207) 0,7*10^9 Zircão
Potássio (K-40) Árgon (Ar-40) 1,4*10^9 Biotite, moscovite, rochas vulcânicas
Carbono-14 (C-14) Azoto (N-14) 5730 Conchas, calcários, materiais orgânicos

Os núcleos atómicos instáveis, vão ter então tendência a decair, transformando-se em núcleos diferentes mais estáveis. Ao tempo necessário para que metade dos núcleos iniciais de um determinado elemento se transformem noutros mais estáveis chama-se período de semi-transformação e representa-se por um T maiúsculo com 1/2 em índice.

Cada elemento tem um tempo de semi-transformação próprio. Para um dado elemento, considerando um dado intervalo de tempo, quanto maior for a quantidade de núcleos iniciais presentes, maior será a quantidade de núcleos que sofreram desintegração radioactiva.

N = No * e ^(l*t) em que N é o número de núcleos A no instante t, No é o número de núcleos A iniciais no instante t = 0, l é a constante de decaimento que depende do tipo de núcleo, t é o instante t.

Uma das unidades de actividade radioactiva mais usadas é o Curie (Ci) em honra a Marie Curie. 1Ci corresponde a 3.7 * 1010becquerel (desintegrações por segundo).

Reator nuclear

Um reator nuclear (AO 1945: reactor nuclear) é uma câmara de resfriamento hermética, blindada contra a radiação, onde é controlada uma reação nuclear para a obtenção de energia, produção de materiais fissionáveis como o plutônio para armamentos nucleares, propulsão de submarinos e satélites artificiais ou para pesquisas.

Uma central nuclear pode conter vários reatores. Atualmente apenas os reatores nucleares de fissão são empregados para a produção de energia comercial, porém os reatores nucleares de fusão estão sendo empregados em fase experimental.

De uma forma simples, as primeiras versões de reator nuclear produzem calor dividindo átomos, diferentemente das estações de energia convencionais, que produzem calor queimando combustível. O calor produzido serve para ferver água, que irá fazer funcionar turbinas a vapor para gerar electricidade.

Um reator produz grandes quantidades de calor e intensas correntes de radiação neutrónica e gama. Ambas são mortais para todas as formas de vida mesmo em quantidades pequenas, causando doenças, leucemia e, por fim, a morte. O reactor deve estar rodeado de um espesso escudo de cimento e aço, para evitar fugas prejudiciais de radiação. As matérias radioactivas são manejadas por controle remoto e armazenadas em contentores de chumbo, um excelente escudo contra a radiação.

Energia nuclear

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Uma usina de energia nuclear. Vapor não-radioativo sai das torres de resfriamento.

Energia nuclear é a energia liberada numa reação nuclear, ou seja, em processos de transformação de núcleos atômicos. Alguns isótopos de certos elementos apresentam a capacidade de se transformar em outros isótopos ou elementos através de reações nucleares, emitindo energia durante esse processo. Baseia-se no princípio da equivalência de energia e massa (observado por Albert Einstein), segundo a qual durante reações nucleares ocorre transformação de massa em energia. Foi descoberta por Hahn, Straßmann e Meitner com a observação de uma fissão nuclear depois da irradiação de urânio com nêutrons.

A tecnologia nuclear tem a finalidade de aproveitar a energia nuclear, convertendo o calor emitido na reação em energia elétrica. Isso pode acontecer controladamente em reator nuclear ou descontroladamente em bomba atômica. Em outras aplicações aproveita-se da radiação ionizante emitida.

Central nuclear

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Central nuclear na Finlândia.

Central nuclear (português europeu) ou usina nuclear (português brasileiro) é uma instalação industrial empregada para produzir electricidade a partir de energia nuclear, que se caracteriza pelo uso de materiais radioactivos que através de uma reação nuclear produzem calor. Este calor é empregado por um ciclo termodinâmico convencional para mover um alternador e produzir energia eléctrica.

As centrais nucleares apresentam um ou mais reatores, que são compartimentos impermeáveis à radiação, em cujo interior estão colocados barras ou outras configurações geométricas de minerais com algum elemento radioactivo (em geral o urânio). No processo de decomposição radioactiva, estabelece-se uma reação em cadeia que é sustentada e moderada mediante o uso de elementos auxiliares, dependendo do tipo de tecnologia empregada.

Bomba nuclear

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A nuvem de cogumelo deixada pela bomba atômica que explodiu a 550 m. de altitude no centro de Nagasaki, Japão.

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Teste nuclear realizado em 18 de Abril de 1953 na Área de Testes de Nevada.

Uma bomba atômica (português brasileiro) ou bomba atómica (português europeu), ou com maior rigor bomba nuclear, é uma arma explosiva cuja energia deriva de uma reação nuclear e tem um poder destrutivo imenso — dependendo da potência uma única bomba é capaz de destruir uma grande cidade inteira. Bombas atômicas só foram usadas duas vezes em guerra, ambas pelos Estados Unidos contra o Japão, nas cidades de Hiroshima e Nagasaki, durante a Segunda Guerra Mundial (consistindo em um dos maiores ataques a uma população civil, quase 200 mil mortos, já ocorridos na história). No entanto, elas já foram usadas centenas de vezes em testes nucleares por vários países.

Muitos confundem o termo genérico “bomba atômica” com um aparato de fissão. Por bomba atômica, entende-se um artefato nuclear passível de utilização militar via meios aéreos (caças ou bombardeiros) ou lançamento por mísseis. Entretanto, mesmo neste sentido o termo bomba atômica mostra-se não muito adequado pois bombas tradicionais lançadas por aviões ou mísseis também têm suas energias liberadas a partir de átomos (pela eletrosfera durante as reações químicas), entretanto, mostrando-se o termo bomba nuclear certamente mais adequado para se fazer referências aos artefatos no escopo deste artigo. Por ogivas nucleares, entende-se as armas nucleares passíveis de utilização em mísseis. Já os artefatos nucleares não são passíveis de utilização militar, servindo portanto, somente para a realização de testes, como foi o caso do artefato de Trinity (o primeiro detonado) ou o caso do artefato nuclear norte-coreano testado em 9 de Outubro de 2006.

As potências nucleares declaradas são os EUA, a Rússia, o Reino Unido, a França, a República Popular da China, a Índia, o Paquistão e Israel. Estes países já possuem o material para fins ofensivos. Outra nação que já testou armamento nuclear foi a Coréia do Norte, porém assinou um acordo com a ONU para se desarmar, devido a embargos econômicos e a forte pressão norte americana.

O arsenal nuclear é, hodiernamente, uma “moeda de troca” ou uma poderosa “força de barganha” nas relações políticas entre as nações nestes tempos de comércio global. Tanto é assim que os países que possuem assento permanente no Conselho de Segurança da ONU são potências nucleares. Há muitos motivos para a não-proliferação das armas atômicas, mas o principal, certamente, não é o que tem por objetivo “o bem da humanidade” ou o anseio pela “paz eterna”, isto porque a Paz (um mundo sem guerras) é contrário aos objetivos instituídos pela indústria bélica que emprega milhares de pessoas e lucra bilhões de dólares por ano. Os tratados de não-proliferação impostos aos países que ainda não fazem parte do “clube nuclear” é apenas um meio de mantê-los afastados de um dos melhores argumentos de convencimento no âmbito do “jogo político”.

Transmutação

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Transmutação de metais inferiores em ouro.

Para a alquimia, transmutação é a conversão de um elemento químico em outro. Este conceito é também aplicado com características próprias na genética e na física nuclear.

Desde os primórdios da alquimia ocidental, acreditava-se que era possível a transmutação de metais vis – como o chumbo, antimônio e bismuto (apesar de não os distinguir como elementos distintos) – em metais nobres – como a prata e principalmente o ouro. Em geral, especialmente ao longo de sua evolução, isso era tomado tanto em um sentido material como espiritual.

Com o florescimento do conhecimento científico, constatou-se que a transmutação alquímica, conforme defendida pelos alquimistas, é improvada.

Por outro lado, este fenômeno ocorre na natureza espontaneamente quando certos elementos químicos e isótopos possuem núcleos instáveis. Em tais elementos, se produzem fenômenos de fissão nuclear , que se transformam em novos elementos de números atômicos inferiores, até que os seus núcleos se tornem estáveis ( geralmente adquirindo a estabilidade do chumbo ).

O fenômeno contrário, a transmutação em elementos de números atômicos maiores, dá-se em temperaturas elevadas, como as que são registradas no sol. Este processo é denominado de fusão nuclear.

Estes processos naturais podem ser produzidos pelo homem. Já foi realizada a transmutação de chumbo à ouro, retirando 3 prótons e 8 neutrons por meio de bombardeamento.

Fusão nuclear

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Três fases da reação de fusão nuclear: 1 – o deutério e o trítio são acelerados até uma velocidade que permita o início da reação.
2 – é criado um núcleo instável de
He-5.
3 – a ejeção de um
nêutron e a expulsão de um núcleo de He-4.

Fusão Nuclear – é o processo no qual dois ou mais núcleos atómicos se juntam e formam um outro núcleo de maior número atômico. A fusão nuclear requer muita energia para acontecer, e geralmente liberta muito mais energia que consome. Quando ocorre com elementos mais leves que o ferro e o níquel (que possuem as maiores forças de coesão nuclear de todos os átomos, sendo portanto mais estáveis) ela geralmente liberta energia, e com elementos mais pesados ela consome. Até hoje início do século XXI, o homem ainda não conseguiu encontrar uma forma de controlar a fusão nuclear como acontece com a fissão.

O principal tipo de fusão que ocorre no interior das estrelas é o de Hidrogênio em Hélio, onde dois prótons se fundem em uma partícula alfa (um núcleo de hélio), liberando dois pósitrons, dois neutrinos e energia. Mas dentro desse processo ocorrem várias reações individuais, que variam de acordo com a massa da estrela. Para estrelas do tamanho do nosso Sol ou menores, a cadeia próton-próton é a reacção dominante. Em estrelas mais pesadas, predomina o ciclo CNO.

Vale ressaltar que há conservação da energia, e, portanto, pode-se calcular a massa dos quatro prótons e o núcleo de hélio, e subtrair a soma das massas das partículas iniciais daquela do produto desta reação nuclear para calcular a massa/energia emitida.

Utilizando a equação E=mc2, pode-se calcular a energia liberada, oriunda da diferença de massa. Uma vez que o valor do “c” é muito grande ( aprox. 3 . 108 m/s ), mesmo uma massa muito pequena corresponde a uma enorme quantidade de energia. É este fato que levou muitos engenheiros e cientistas a iniciar projetos para o desenvolvimento de reatores de fusão para gerar eletricidade (por exemplo, a fusão de poucos cm3 de deutério, um isótopo de hidrogênio, produziria uma energia equivalente àquela produzida pela queima de 20 toneladas de carvão).

Requisitos para a fusão

Uma substancial barreira de energia deve ser vencida antes que a fusão possa ocorrer. A grandes distâncias, dois núcleos expostos se repelem mutuamente devido à força eletrostática que atua entre seus protões positivamente carregados. Se os núcleos puderem ser aproximados suficientemente, porém, a barreira eletrostática pode ser sobrepujada pela força nuclear forte a qual é mais poderosa a curta distância do que a repulsão eletromagnética.

Quando um núcleo tal como o próton ou nêutron é adicionado a um núcleo, ele é atraído pelos outros nucleons, mas principalmente por seus vizinhos imediatos devido à força de curto alcance. Os nucleons no interior do núcleo têm mais vizinhos do que aqueles na sua superfície. Desde que núcleos menores têm uma grande razão de superfície para volume, a energia de ligação por nucleon devido à força nuclear forte geralmente aumenta como o aumento do tamanho do núcleo, mas atinge um valor limite que corresponde à vizinhança do nucleon totalmente preenchida.

A força eletrostática, por outro lado, é uma força proporcional ao inverso do quadrado da distância; então, um próton adicionado ao núcleo ira sentir uma repulsão eletrostática de todos os prótons no núcleo. A energia eletrostática por nucleon devido à força eletrostática irá portanto aumentar independentemente do tamanho do núcleo.

O resultado combinado destas duas forças opostas é que a energia de ligação por nucleon geralmente aumenta com o aumento de tamanho do átomo, para elementos até com núcleo do tamanho de ferro e níquel, e diminui para núcleos mais pesados. Eventualmente, a energia de ligação se torna negativa e núcleos muitos pesados não são estáveis. Os quatro núcleos blindados mais compactos, em ordem decrescente de energia de ligação, são 62Ni, 58Fe, 56Fe, and 60Ni [1]. Embora o isótopo do Níquel 62Ni seja o mais estável, o isótopo do Ferro 56Fe é uma ordem de magnitude mais comum. Isto é devido em grande parte à grande razão de desintegração do 62Ni no interior de estrelas conduzida pela absorção de fótons.

Uma notável exceção a esta regra geral é o núcleo do hélio-4, cuja energia de ligação é maior que a do lítio, o próximo elemento mais pesado. O princípio de exclusão de Pauli provê um explicação para este comportamento excepcional – isto se dá porque os prótons e nêutrons são férmions, eles não podem coexistir exatamente no mesmo estado. Cada estado energético de um próton ou nêutron em um núcleo pode acomodar uma partícula de spin para abaixo e outra de spin para acima. O Hélio-4 tem uma banda de energia de ligação anormalmente grande porque seu núcleo consiste de dois prótons e dois nêutrons; então todos os nucleons dele podem estar em um estado fundamental. Qualquer nucleon adicional deverá ir para um estado energético alto.

A situação é similar se dois núcleos são colocados juntos. Ao se aproximarem, todos os prótons em um núcleo repelem todos os prótons do outro, até o ponto em que os dois núcleos entrem em contato para que a força nuclear forte domine. Conseqüentemente, mesmo quando o estado de energia final é mais baixo, há uma grande barreira energética que deve ser ultrapassada primeiro. Na química, este fato é conhecido como energia de ativação. Em física nuclear ele é chamado de barreira de Coulomb.

A barreira de Coulomb é menor para os isótopos do hidrogênio – eles contêm uma única carga positiva em seus núcleos. Um bipróton não é estável, então os nêutrons devem ser envolvidos, de forma a produzir um núcleo de hélio.

Usando combustível deutériotrítio, a barreira de energia resultante é de cerca de 0,1 MeV. Em comparação, a energia necessária para remover um elétron do hidrogênio é 13,6 eV, cerca 7.500 vezes menos energia. O resultado (intermediário) da fusão é um núcleo instável de 5He, o qual imediatamente ejeta um nêutron com 14,1 MeV. A energia recuperada do núcleo de 4He remanescente é 3,5 MeV, então a energia total liberada é 17,6 MeV. Isto é muitas vezes mais que a barreira de energia a ser transposta.

Se a energia para iniciar a reação vem da aceleração de um núcleo, o processo é chamado de fusão por projétil-alvo; se ambos os núcleos são acelerados, isto é fusão projétil|projétil. Se o núcleo faz parte de um plasma próximo ao equilíbrio térmico, denominamos fusão termonuclear. A temperatura é uma medida da energia cinética média das partículas, então por aquecimento o núcleo deverá ganhar energia e eventualmente transpor a barreira de 0,1 MeV. A conversão das unidade entres elétron-volts e kelvins mostra que esta barreira será transposta quando a temperatura ultrapassar 1 GK, obviamente uma temperatura muito alta.

Há dois fatos que podem diminuir a temperatura necessária. Um é o fato que a temperatura é uma média da energia cinética, implicando que alguns núcleos a esta temperatura poderão já ter uma energia maior que 0,1 MeV, enquanto outros um pouco menos. Estes núcleos na faixa de alta-energia da distribuição de velocidade participam da maioria das reações de fusão. O outro efeito é o tunelamento quântico. O núcleo não precisa sempre ter bastante energia, podendo atravessar, por efeito túnel, a barreira restante. Por esta razão, combustíveis a temperaturas menores podem experimentar eventos de fusão, a uma taxa mais baixa.

A fusão de reação de deutério-trítio aumenta sua taxa rapidamente com a temperatura até ela se maximizar a 70 keV. (800 milhões kelvins) e então gradualmente descende.

A seção transversal da reação σ é uma medida da probabilidade de reação de fusão com uma função da velocidade relativa dos dois núcleos reativos. Se os núcleos têm uma distribuição de velocidade, isto é, uma distribuição térmica com a fusão termonuclear, então eles são úteis para obter uma média sobre a distribuição dos produtos da seção transversal e da velocidade. A taxa de reação (fusão por volume por tempo) é <σv> vezes o produto da densidade dos participantes:

Se um tipo de núcleo está reagindo com si próprio, tal como a reação PP, então o produto n1n2 pode ser substituído por (1 / 2)n2.

aumenta de praticamente zero a temperatura ambiente para um significativo valor a temperatura de 10100 keV. A estas temperaturas, bem abaixo da energia de ionização típica (13,6 eV no caso do hidrogênio), os reativos da fusão existem um estado de plasma.

O significado de <σv> como uma função da temperatura em um experimento com uma energia de tempo confinamento é determinado pela utilização do critério de Lawson.

Projetos em andamento

Existem diversos projetos em andamento ao redor do mundo, com a finalidade de obter o domínio da tecnologia de fusão nuclear para fins de geração controlada de energia elétrica.

Um dos projetos em andamento é o ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), baseado na tecnologia do Tokamak. O financiamento internacional deste projeto ultrapassa a barreira dos 10 bilhões de dólares.

Outras abordagens alternativas para tentar chegar ao domínio da fusão nuclear são estudadas por diversos cientistas. Alguns exemplos são a tecnologia de focus fusion, desenvolvida pelo físico Eric Lerner; a fusão por bolhas (sonofusion); e o confinamento eletrostático-inercial (IEC), proposto por Robert Bussard.

Fissão nuclear

Diagrama representativo da fissão nuclear do átomo de urânio: o nêutron se colide com o núcleo que fica instável e se divide em dois novos menores e mais leves (bário e criptônio), que por sua vez se desintegram em energia, radiação gama e alguns nêutrons.

Fissão Nuclear é a quebra do núcleo de um átomo instável em dois menores e mais leves, como por exemplo, após a colisão da partícula nêutron no mesmo. Esse processo pode ser rotineiramente observado em usinas nucleares e/ou em bombas atômicas.

Fissao Nuclear

Na fissão nuclear, a energia é liberada pela divisão do núcleo normalmente em dois pedaços menores e de massas comparáveis – para núcleos pesados, existe a fissão em mais de dois pedaços, mas é muito rara, uma em 1 milhão para urânio. Pela lei de conservação de energia, a soma das energias dos novos núcleos mais a energia liberada para o ambiente em forma de energia cinética dos produtos de fissão e dos nêutrons liberados deve ser igual à energia total do núcleo original.

A fissão do núcleo raramente ocorre de forma espontânea na natureza, mas pode ser induzida se bombardearmos núcleos pesados com um nêutron, que, ao ser absorvido, torna o núcleo instável.

O 235U, por exemplo, ao ser bombardeado com um nêutron, fissiona em dois pedaços menores, emitindo normalmente dois ou três nêutrons (figura 1). Se houver outros núcleos de 235U próximos, eles têm uma certa chance de ser atingidos pelos nêutrons produzidos na fissão. Se houver um grande número disponível de núcleos de urânio-235, a probabilidade de ocorrerem novas fissões será alta, gerando novos nêutrons, que irão gerar novas fissões.

Núcleo atômico

Tudo o que existe no mundo observável é feito de matéria, que por sua vez é composta por partículas chamadas átomos. Esses átomos têm em seu interior um centro (o núcleo atômico) que é rodeado por camadas bem definidas de energia onde giram os elétrons (partículas negativas e¯). O centro do átomo costuma ser em média de 10 a 100 mil vezes menor que ele e comporta dentro de si os prótons (partículas positivas p) e os nêutrons (partículas neutras n). Alguns átomos possuem núcleos instáveis, ou seja, que estão em constante processo de desintegração nuclear, o que propicia a liberação das radiações α, β e γ. Como estão sempre em instabilidade, qualquer partícula que seja adicionada a esse núcleo pode, em suma, provocar a sua desintegração total em energia e uma maior liberação de partículas que se movem em alta velocidade. Esse é o princípio da fissão nuclear realizada nos reatores das usinas nucleares ou no interior das estruturas de uma bomba atômica.

Energia de ligação nuclear

A energia liberada no processo de fissão nuclear é resultado da conversão de parte da massa nuclear em energia, prevista pela ideia relativistica de massa-energia, esta massa nuclear que se transforma em energia não é composta por quarks como poderiamos supor, mas é o resultado da força forte, uma das quatro forças fundamentais cuja partícula mensageira é o glúon (do inglês, glue, cola). A força forte, nas distâncias subatômicas é a mais forte de todas as quatro e é o que mantém quarks e, consequentemente, nêutrons e prótons coesos no núcleo do átomo. A energia que tal força dispensa é percebida como massa e é parte da massa total do núcleo (razão pela qual a massa do núcleo é ligeiramente maior que a de todos os seus componentes somadas, o glúon não possui massa).



Tal força é menor quanto menos numerosas são as partículas componentes do átomo, sendo assim parte da massa resultado da energia dispensada pela força forte é convertida em energia. A maior parte da energia liberada neste processo conhecido como fissão (onde usualmente um átomo de Urânio 235 recebe um nêutron se tornando Urânio 236 oscilando e ficando instável até se fragmentear em Kriptônio e Bário) é do tipo luminosa, porém uma considerável parte é convertida em partículas fundamentais mais raras como o neutrino do elétron, o Múon ou o pósitron.



A formação de antipartículas como o pósitron ou o antimúon são geralmente seguidas pela interação com suas partículas o que também libera energia, portanto é comum confundir a energia liberada da fissão, que é também um tipo de conversão massa – energia, com este outro tipo de conversão massa – energia.

Fissão nuclear

Na fissão nuclear a partícula nêutron (usada no processo por ter carga elétrica nula – o que evita repulsão com o núcleo que é positivo) é acelerada em direção ao núcleo do átomo, que geralmente é de U-235 (urânio de número de massa 235), o que o deixa instável em U-236 (urânio de número de massa 236). Com isso ele se divide em dois núcleos menores e mais leves, no caso, Ba-144 (bário de número de massa 144) e Kr-89 (criptônio de número de massa 89). Aí, há a liberação de energia de ligação nuclear, radiação gama e mais nêutrons, que por sua vez, irão de encontro a novos núcleos atômicos, desintegrando-os novamente em energia, radiação e outros nêutrons que seguirão o mesmo caminho, numa verdadeira reação em cadeia.

 

clip_image001[4]

 

 

 

 

 

Radiatividade – Fenômeno exclusivamente _________________________, Núcleos instáveis

RADIAÇÕES NATURAIS: PARTÏCULA ALFA -__________________________________________________________________________________

 

 

PARTÍCULA BETA -__________________________________________________________________________________

 

 

ONDAS GAMA – __________________________________________________________________________________

 

Poder de penetração e velocidade __________________________________________________________________________________

 

 

PRIMEIRA LEI DA RADIOATIVIDADE, LEI DE SODDY: Ao emitir uma partícula beta, o número atômico do átomo diminui de ____________e seu numero de massa diminui de _________ unidades.

EXEMPLO:

 

SEGUNDA LEI DA RADIOTIVIDADE

LEI DE  SODDY-FAJANS- RUSSEL.

Ao emitir uma partícula beta, o número atômico do átomo aumenta de ___________  e seu número de massa _________________________________________________________________ .

EXEMPLO:

 

 

MEIA-VIDA OU PERÍODO DE SEMI-DESINTEGRAÇÃO (P) – É o tempo decorrido para que ________________ da amostra se desintegre.

 

EXEMPLO: A meia-vida do iodo radioativo é de 8 dias, em quanto tempo, a partir de 1g de iodo, teremos 125mg  de iodo?

 

 

O carbono-14 tem meia-vida de 5.600anos, o fóssil de um animal que contém 25% da radioatividade que outro  animal da sua espécie, tem qual idade?

 

 

FISSÃO NUCLEAR – É a _____________ de núcleos maiores, formando núcleos menores e liberando __________________ . É utilizada para fazer a bomba de _________________ e na produção de energia elétrica em ______________________________________________________________ .

 

 

FUSÃO NUCLEAR –  É a união de núcleos menores, formando _______________________ e liberando _________________________________. É a bomba ___________, reações nucleares desse tipo, ocorrem no _______________________________________ .

 

 

 

Exercícios de Aplicação:

 

 

 

 

01.  O cobalto-60 (27Co60), usado em hospitais, tem meia-vida de 5 anos.

 

Calcule quantos mols de cobalto-60 restarão após 20 anos em uma amostra que inicialmente continha 10g desse isótopo.

 

 

 

 

02. 

clip_image002[4]

O primeiro isótopo radioativo artificialmente produzido foi o 15P30, através do bombardeio de lâminas de alumínio por partículas alfa, segundo a reação (I)

13Al27  +   partícula alfa         clip_image003[6]      15P30   + partícula x (I)

 

O isótopo formado, 15P30, por sua vez emite um pósitron, segundo a reação (II)

 

                15P30          clip_image004[4]       aYb  + +1 e 0   (II)

 

Balancear as equações (I) e (II), identificando a partícula x, e fornecendo os números atômico e de massa do elemento Y formado.

 

03.  Neptúnio, de símbolo Np, foi o primeiro elemento transurânico preparado em laboratório. Esse elemento foi obtido através das reações nucleares:

 
 92U238  +   0 n1      clip_image005[10]           92Ux

 
92Ux        clip_image006[4]        93 Np239     +    y

 

 

a)     Complete as equações. Forneça o valor de x e identifique a partícula y.

 

 

b)    O neptúnio-239 tem tempo de meia-vida de 2 dias. Discuta o significado do tempo de meia-vida do Np.

 

 

 

04.  A natureza das radiações emitidas pela desintegração espontânea do U(A=234, Z=92) pode ser estudada através do arranjo experimental mostrado na figura adiante.

 

A abertura de bloco de chumbo dirige o feixe de radiação para passar entre duas placas eletricamente carregadas, verificando-se a separação em três novos feixes, que atingem o detector nos pontos 1, 2 e 3.

 

a)     Qual o tipo de radiação que atinge o detector no ponto 3? Justifique.

 

 

 

b)    Representado por X o novo núcleo formado, escreva a equação balanceada da reação nuclear responsável pela radiação detectada no ponto 3.

 

 

 

05.  Após algumas desintegrações sucessivas, o 90Th232, muito encontrado na orla marítima de Guarapari (ES), se transforma no 82Pb208 . O número de partículas α e β emitidas nessa transformação foi, respectivamente, de:

 

a)     6 e 4

b)    6 e 5

c)     5 e 6

d)    4 e 6

e)     3 e 3

 

06.  Fissão nuclear e fusão nuclear:

 

a)     Os termos são sinônimos

b)    A fusão nuclear é responsável pela produção de luz e calor no Sol e em outras estrelas

c)     Apenas a fissão nuclear enfrenta o problema de como dispor o lixo radioativo de forma segura

d)    A fusão nuclear é atualmente utilizada para produzir energia comercialmente em muitos países

e)     Ambos os métodos ainda estão em fase de pesquisa e não são usados comercialmente.

 

07.  clip_image007[6]
O decaimento radioativo de uma amostra de Sr-90 está representado no gráfico a seguir. Partindo-se de uma amostra de 40,0g, após quantos anos, aproximadamente, restarão apenas 5,0g de Sr-90?

 

a)     15.

b)    54.

c)     84.

d)    100.

e)     120.

 

08.  Mediu-se a radioatividade de uma amostra arqueológica de madeira, verificando-se que o nível de sua radioatividade devida ao carbono-14 era 1/16 do apresentado por uma amostra de madeira recente. Sabendo-se que a meia-vida do isótopo 6C14   é 5,73 x 103  anos, a idade, em anos, dessa amostra é:

a)       3,58 x 102

b)       1,43 x 103

c)       5,73 x 103

d)       2,29 x 104

e)       9,17 x 104

 

09.  Na reação de fusão nuclear representada por

 
                1H2   + 1H3       clip_image008[4]     E   +   n

 

ocorre a liberação de um neutron (n). A espécie E deve ter:

 

a)     2 prótons e 2 neutrons.

b)    2 prótons e 3 neutrons.

c)     2 prótons e 5 neutrons.

d)    2 prótons e 3 elétrons.

e)     4 prótons e 3 elétrons.

 

10.  No dia 6 de agosto próximo passado, o mundo relembrou o cinqüentenário do trágico dia em que Hiroshima foi bombardeada, reverenciando seus mortos. Uma das possíveis reações em cadeia, de fissão nuclear do urânio 235 usado na bomba, é:

 
92U235   + 0n1     clip_image009[6]    56Ba239  + 36Kr94  +  X   + energia,

onde X corresponde a:

 

a)       1H3

b)       3 0 n1

c)       2 0n1

d)       2 2α4

e)        1D2

 

 

11.  O iodo-125, variedade radioativa do iodo com aplicações medicinais, tem meia vida de 60 dias. Quantos gramas de iodo-125 irão restar, após 6 meses, a partir de uma amostra contendo 2,00g do radioisótopo?

 

a)     1,50

b)    0,75

c)     0,66

d)    0,25

e)     0,10 

 

12.  Protestos de várias entidades ecológicas têm  alertado sobre os danos ambientais causados pelas experiências nucleares francesas no Atol de Mururoa.

 

Isótopos radioativos prejudiciais  aos seres vivos, como 90Sr, formam o chamado “lixo nuclear” desses experimentos. Quantos anos são necessários para que uma amostra de 90Sr, lançada no ar, se reduza a 25% da massa inicial?

Dado: meia-vida do 90Sr = 28,5 anos

 

a)     28,5

b)    57,0

c)     85,5

d)    99,7

e)     114

 

13.  Assinale a alternativa correta:

 

a)       Quando um átomo emite uma partícula α  , seu Z aumenta 2 unidades e seu A aumenta 4 unidades.

b)       Podemos classificar um elemento como radioativo quando seu isótopo mais abundante emitir radiações eletromagnéticas e partículas de seu núcleo para adquirir estabilidade.

c)       As partículas ‘ são constituídas de 2 prótons e 2 elétrons; e as partículas β , por 1 próton e 1 elétron.

d)       Quando um átomo emite uma partícula ’, seu Z diminui 1 unidade e seu A aumenta 1 unidade.

e)     As partículas α, β  e γ   são consideradas idênticas em seus núcleos e diferentes na quantidade de elétrons que possuem.

 

14.  Examine a seguinte proposição:

              

               “A radiação gama apresenta pequeno comprimento de onda, sendo mais penetrante que alfa, beta e raios X.”

 

Esta proposição está:

 

a)     confusa.

b)    totalmente errada.

c)     errada, porque não existem radiações gama.

d)    parcialmente correta.

e)     totalmente correta.

 

15.  Em 1902, Rutherford e Soddy descobriram a ocorrência da transmutação radioativa investigando o processo espontâneo:

 

  88 Ra226       clip_image010[4]      86Rn222    +   x

 

A partícula X corresponde a um:

 

a)     núcleo de hélio.

b)    átomo de hidrogênio.

c)     próton.

d)    nêutron.

e)     elétron.

 

 

16.No processo de desintegração natural de 92U238‚pela emissão sucessiva de partículas alfa e beta, forma-se o 88Ra226  . Os números de partículas alfa e beta emitidas neste processo são, respectivamente:

 

a)     1 e 1.

b)    2 e 2.

c)     2 e 3.

d)    3 e 2.

e)     3 e 3.

Publicado em 25/09/2012, em Conceitos Químicos. Adicione o link aos favoritos. Deixe um comentário.

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