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CN QUI Química 1
Radioatividade

Radioatividade é um fenômeno nuclear que resulta da emissão de energia por átomos, provocada em decorrência de uma desintegração, ou instabilidade, de elementos químicos.

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.

1. Tipos de Radioatividade

A radioatividade das partículas Alfa, Beta e das ondas Gama são as mais comuns. O tipo de radiação determina o poder de penetração na matéria, que são, respectivamente, baixa, média e alta.

a) Emissões Alfa 

São partículas pesadas de carga positiva, que possuem carga elétrica +2 e massa igual a 4.

partícula alfa

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.

b) Emissões Beta 

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.

partícula beta

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.

Emissões Gama 

São ondas eletromagnéticas de altíssima frequência e que não possuem massa e carga elétrica.

partícula gama

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.

Intensidade das radiações

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.

Resumimos as características das emissões radioativas da seguinte forma:


O tempo que essa desintegração do elemento leva para reduzir a sua massa pela metade é chamado de meia-vida ou período de semi desintegração.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.

2. Leis da Radioatividade

Os estudos sobre as emissões radioativas contribuíram para criação de duas leis sobre as desintegrações que ocorrem em núcleos atômicos.

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: 

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.

a) Emissões Alfa




A partir dos exemplos anteriores, podemos propor de maneira genérica uma equação para emissões alfa:


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: -10β

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:

b) Emissões Beta




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.

c) 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.

3. Decaimento radioativo

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.

Decaimento radioativo

No decaimento radioativo há a diminuição da atividade radioativa e o tempo que essa desintegração do elemento leva para reduzir a sua massa pela metade é chamado de meia vida ou período de semi desintegração.

4. Descoberta da radioatividade

A radioatividade foi descoberta em 1896 por Henri Becquerel, ao investigar a fosforescência natural das substâncias.

O casal Pierre e Marie Curie dedicou-se ao estudo das emissões radioativas e constatou que essa era uma propriedade de determinados elementos químicos. Inclusive, durante essas pesquisas descobriram dois novos elementos radioativos: rádio e polônio.

Em 1898 Ernest Rutherford descobriu as emissões radioativas alfa e beta. Um terceiro tipo de radioatividade, a emissão gama, foi descoberta em 1900, pelo químico e físico francês Paul Ulrich Villard.

a) Utilização da radioatividade

A radioatividade tem muitas aplicações na sociedade. Desde a sua descoberta, grandes avanços científicos foram alcançados gerando desenvolvimento tecnológico.

A emissão de radiação tem utilizações em diferentes setores como na medicina, geologia, indústria e armamento.

b) Radioatividade na medicina

A radioatividade na medicina é utilizada através dos exames de raio-x, cuja radiação atravessa os tecidos com o objetivo de mostrar internamente o corpo humano.

Outra aplicação é na radioterapia para o tratamento do câncer com emissão de radiação. Como as células cancerígenas são mais sensíveis à radiação é possível destruí-las com dosagens controladas sem afetar as células normais.

Radioterapia
Tratamento com radioterapia

Os radioisótopos também podem ser utilizados no diagnóstico de doenças, tratamento de tumores e como marcadores para informar o estado de saúde dos órgãos.

c) Datação por Carbono-14

Na natureza existe três isótopos do carbono:



O teor de carbono-14 é de 10 ppb e na atmosfera ele é incorporado na forma de CO2.O menos abundante deles, o carbono-14, por ser radioativo, é utilizado para determinar a idade de objetos antigos.

Sendo assim, seres fotossintetizantes absorvem esse radioisótopo e ele é transferido para os demais seres vivos pelas cadeias alimentares.

Com a mesma velocidade que o carbono-14 se forma, ele se desintegra por meio de decaimento beta.


datação por carbono-14
Diminuição do emissão beta após a morte do indivíduo.

Ao observar múmias e fósseis é possível perceber que o teor de carbono é inferior a 10 ppb, e como seu tempo de meia-vida é de 5730 anos, com esses dados é possível determinar a idade do ser encontrado.

d) Usina nuclear

Nesse sistema, as reações nucleares são manipuladas de forma controlada para a produção de energia na forma de calor.

O calor produzido é utilizado no aquecimento de água, e o vapor gerado movimenta turbinas geradoras de eletricidade.

Devido o crescimento populacional e a busca para diversificação da matriz energética, hoje a energia nuclear é responsável por 17% da geração de energia elétrica no mundo.

Energia nuclear no mundo

O Brasil, apesar de possuir enorme potencial hidrelétrico, também produz energia elétrica a partir da energia nuclear através das usinas nucleares Angra 1 e Angra 2.

e) Lixo Radioativo

A poluição radioativa é um dos problemas do uso da radioatividade.

Os resíduos dos materiais compostos por elementos radioativos representam um grande risco à população, uma vez que podem provocar doenças, tal como o câncer.

Radioatividade
Supervisor de proteção contra a radiação verificando nível de radioatividade em zona de perigo.

Diversas áreas (medicina, engenharia, antropologia, entre tantas outras) fazem uso de materiais que contém radioatividade.

Assim, os cuidados com os resíduos são indispensáveis para que esse tipo de lixo não contamine o ambiente ou, ainda, resulte em acidentes nucleares.

É o caso do conhecido Acidente de Chernobyl ocorrido em 1986 na Ucrânia. No nosso país, o Acidente Césio-137 aconteceu no ano seguinte, em 1987, em Goiânia, e foi provocado por um aparelho de radioterapia abandonado.


5. Fórmulas da radioatividade

O uso de fórmulas da radioatividade pode ser útil para determinar desde o número de partículas radioativas emitidas até o de meias-vidas que tornam a amostra inócua.

A idade de um fóssil é determinada por uma das fórmulas da radioatividade

A idade de um fóssil é determinada por uma das fórmulas da radioatividade

Conhecer as fórmulas relacionadas à radioatividade pode ser importante porque, por meio de sua utilização, podemos determinar diversas informações relevantes sobre um material radioativo, como:

  • Número de partículas alfa emitidas pelo núcleo;

  • Número de partículas beta emitidas pelo núcleo;

  • Meia-vida, isto é, o tempo necessário para metade do número de átomos de um material radioativo desintegrar-se;

  • Vida média, isto é, o tempo que os átomos do material radioativo levam para desintegrar-se;

  • Intensidade radioativa, isto é, o número de partículas emitidas por um material radioativo por unidade de tempo;

  • Tempo necessário para o material radioativo tornar-se inócuo, ou seja, quando eliminar pouquíssima ou nenhuma radiação.

Veja a seguir cada uma das fórmulas da radioatividade:

Fórmula para determinação do número de partículas alfa emitidas

Para determinar o número de partículas alfa que um átomo radioativo emitiu, é fundamental conhecer o seu número de massa e o número de massa do elemento químico formado, valores utilizados na seguinte fórmula:

A = 4.x + b

  • A = número de massa do elemento que está emitindo as partículas alfa;

  • x = número de partículas alfa emitidas;

  • B = número de massa do elemento formado após a emissão de todas as partículas alfa;

Fórmula para determinação do número de partículas beta emitidas

Para determinar o número de partículas beta emitidas por um átomo radioativo, é necessário conhecer o número de partículas alfa emitidas por ele, seu número atômico e o número atômico do elemento químico formado, que são usados na seguinte fórmula:

Z = 2.x - y + C

  • Z = número atômico do elemento que emite as partículas alfa;

  • x = número de partículas alfa emitidas;

  • y = número de partículas beta emitidas;

  • C = número atômico do elemento formado após a emissão de todas as partículas alfa e beta.

Fórmula para determinação do número de períodos de meia-vida em uma amostra

A determinação do número de períodos de meia-vida (representado pela letra x) de um determinado material radioativo depende de saber a quantidade de matéria existente desse material e a quantidade desse material no momento da avaliação de x. Para isso, podemos utilizar:

a) Conhecimento da quantidade de matéria:

Determinar o número de períodos de meia-vida (x) a partir da quantidade de matéria do material que existia antes (no) e da quantidade atual de matéria (n) por meio da seguinte fórmula:

n = no
      2x

b) Conhecimento da massa

Determinar o número de períodos de meia-vida (x) a partir do conhecimento da massa do material que existia antes (mo) e da massa atual do material (m) pela fórmula:

m = mo

     2x

Fórmula para determinar o período de meia-vida

O período da meia-vida (P) de um material radioativo pode ser determinado pela relação entre o tempo (t) no qual esse material sofreu desintegrações (perdeu radiação) e a quantidade de meias-vidas (x) pelas quais ele já passou, como na fórmula a seguir:

P = t 
     x

Fórmula para determinar o tempo de uma amostra ou de um artefato

Quando um artefato orgânico antigo, que apresenta carbono em sua composição, é encontrado, podemos determinar sua idade (t) utilizando a expressão a seguir:

Log  2 = log 1
             3           2t/P

Obs.: a meia-vida do carbono-14 é de 5730 anos.

Fórmula para calcular a constante radioativa

Por meio do cálculo da constante radioativa (C), é possível determinar a fração de átomos que foram desintegrados em uma amostra radioativa por unidade de tempo. Para isso, devemos utilizar a seguinte expressão:

C = ∆n
     n

  • ∆n = variação do número de mol de átomos desintegrados;

  • n = número final de mol de átomos.

Fórmula para calcular a velocidade de desintegração de uma amostra

fórmula da velocidade de desintegração é utilizada quando desejamos determinar a quantidade de partículas radioativas que foram emitidas pelo material em um certo intervalo de tempo:

v = -∆n
     ∆t

  • ∆n = variação do número de mol de átomos desintegrados;

  • ∆t = intervalo de tempo.

Fórmula para calcular a intensidade radioativa

A intensidade radioativa é diretamente proporcional à constante radioativa (C) e ao número de partículas (n). Assim, para saber a quantidade de partículas emitidas em uma unidade de tempo, basta utilizar a fórmula a seguir:

i = C.n

Fórmula para calcular a vida média

Para determinar o tempo no qual os átomos de um material radioativo desintegram-se, basta utilizar o inverso da constante radioativa (C):

Vm = 
        C

Fórmula para determinar quando uma amostra radioativa torna-se inócua

Uma amostra radioativa torna-se inócua quando a quantidade de radiação que ela emite é extremamente baixa ou inexistente. Esse fato ocorre quando o material radioativo passa por vinte períodos de meia-vida (P):

Y = 20.P


6. Fusão Nuclear

Fusão Nuclear é a união de pequenos núcleos atômicos, que formarão um núcleo maior e mais estável. Essa é a fonte de energia e vida das estrelas; um exemplo é o Sol: em seu núcleo ocorrem reações de fusão de hidrogênios originando núcleos de hélio.

A primeira bomba de hidrogênio foi lançada no Atol de Biquíni, em testes nucleares
A primeira bomba de hidrogênio foi lançada no Atol de Biquíni, em testes nucleares

Fusão Nuclear é a união de pequenos núcleos atômicos, que formarão um núcleo maior e mais estável.

A fusão é mais fácil com núcleos pequenos porque, uma vez que é necessário haver a colisão e a junção de dois núcleos, a repulsão das cargas positivas desses núcleos será menor. Mesmo assim, é necessária uma energia cinética muito alta para vencer essa repulsão e gerar a colisão.

Abaixo temos um exemplo de fusão nuclear em que se fundem dois núcleos, um de deutério e um de trítio, produzindo átomos de hélio:


Esse tipo de reação é a fonte de energia das estrelas como o Sol. Ele é composto de 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de outros elementos. Isso é explicado pelo fato de ocorrerem reações em seu núcleo, conforme mostrado anteriormente, em que átomos de hidrogênio se fundem originando átomos de hélio.

As reações de fusão do hidrogênio são a fonte de energia das estrelas, incluindo o Sol.
As reações de fusão do hidrogênio são a fonte de energia das estrelas, incluindo o Sol.

A quantidade de energia liberada nessa reação é milhões de vezes maior que a energia de uma reação química comum, e é dois milhões de vezes maior que a energia liberada pela fissão nuclear. Em 1952, o mundo pôde ver o poder dessa reação nuclear quando os EUA lançaram em um atol do Pacífico, a primeira bomba de hidrogênio (“Mike”); esta teve potência mil vezes maior que as bombas de Hiroshima e Nagasaki. O atol foi literalmente vaporizado.

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Em razão dessa alta energia liberada, o sonho de muitos cientistas é produzir energia por meio desse tipo de reação. No entanto, isso ainda não é possível, porque reações desse tipo somente ocorrem em temperaturas elevadíssimas, como ocorre no Sol. E não é possível trabalhar ainda de maneira controlada com materiais a milhares de graus Celsius.

Mas os cientistas não desistem. Abaixo temos uma imagem e uma foto real de um tipo de reator, chamado de tokamak. Esses tipos de reatores conseguem suportar temperaturas altas, mantendo um plasma longe das paredes, durante pouco tempo, e usando técnicas de confinamento magnético.

Esses tipos de reatores estão sendo testados. E as tentativas não param, afinal de contas a fusão de apenas 2 . 10-9 % do deutério daria para fornecer energia elétrica para o mundo inteiro durante um ano.

Ilustração à esquerda e imagem real à direita de reator do tipo tokamak, que está sendo testado para gerar energia por meio de fusão nuclear.

Ilustração à esquerda e imagem real à direita de reator do tipo tokamak, que está sendo testado para gerar energia por meio de fusão nuclear.



7. Fissão Nuclear

Fissão nuclear é um processo que ocorre em núcleos atômicos instáveis e pode produzir reações em cadeia capazes de emitir grandes quantidades de energia.

A fissão nuclear ocorre quando um núcleo instável desintegra-se em núcleos menores, produzindo uma reação em cadeia que libera muita energia.
A fissão nuclear ocorre quando um núcleo instável desintegra-se em núcleos menores, produzindo uma reação em cadeia que libera muita energia.

Fissão nuclear é um processo natural que consiste no decaimento de núcleos atômicos instáveis em núcleos atômicos menores por meio da captura de nêutrons lentos. Nesse processo, uma grande quantidade de energia é liberada em forma de radiação em virtude da diferença de massa entre o núcleo original e a soma das massas dos núcleos resultantes do decaimento radioativo.

Após a captura de um nêutron, elementos pesados, como o urânio, tornam-se instáveis e acabam dividindo-se em núcleos menores, emitindo outros nêutrons, o que forma uma reação em cadeia com grande liberação de calor e radiação.

Diferença entre fissão e fusão nuclear

fissão nuclear ocorre quando um núcleo atômico torna-se instável, ou físsil. Núcleos atômicos pesados, como o urânio-235, são naturalmente instáveis e tendem a desintegrar-se em núcleos menores e, consequentemente, mais estáveis. Um dos processos mais usados para tornar um núcleo atômico instável é a captura de nêutrons. Nesse processo, emitem-se nêutrons lentos (a baixa velocidade dessas partículas aumenta a chance de sucesso de sua captura pelos núcleos atômicos) em direção aos núcleos dos átomos.


Na fissão nuclear do átomo de urânio-235, além dos núcleos mais leves, são emitidos nêutrons e raios gama.
Na fissão nuclear do átomo de urânio-235, além dos núcleos mais leves, são emitidos nêutrons e raios gama.

Toda a energia proveniente desse tipo de reação surge em decorrência da pequena diferença de massa entre o núcleo original e os novos núcleos formados. Somando-se a massa desses últimos, encontramos menor massa que a massa do primeiro. A essa diferença damos o nome de defeito de massa. A quantidade de energia produzida na fissão nuclear pode ser calculada por meio da famosa relação de Einstein para a energia de repouso:


fusão nuclear é um processo no qual dois ou mais núcleos leves e estáveis unem-se pela ação de grandes pressões, velocidades ou temperaturas extremas. Essas condições são atingidas, por exemplo, no interior dos núcleos das estrelas ou durante reações nucleares artificiais, como nos casos das ogivas nucleares.

Aplicações da fissão nuclear

A vasta quantidade de energia liberada durante o processo de fissão nuclear pode ser usada para a geração de energia nas usinas nucleares. A maior parte dessa energia aquece a água, evaporando-a. Ao liberar o vapor de água do confinamento, é possível mover grandes geradores que operam segundo o princípio de indução eletromagnética, isto é, no interior desses geradores, é possível encontrar enormes magnetos giratórios, colocados no interior de bobinas condutoras (enrolamentos de fios metálicos). Esses geradores são capazes de gerar abundante quantidade de energia elétrica.

Outra aplicação bastante difundida da fissão nuclear é a na medicina. A medicina nuclear utiliza diversos radioisótopos (elementos com o mesmo número de prótons, mas instáveis) para a obtenção de imagens detalhadas de diversos órgãos.

Quem descobriu a fissão nuclear?

A fissão nuclear foi descoberta em 1938 pelos pesquisadores Otto Hahn, Lise Meitner e Fritz Strassman. Na ocasião, eles perceberam que o bombardeamento do urânio com nêutrons produzia átomos mais leves, como os átomos de bário criptônio.

Há, também, as reações de fissão nuclear.



Fonte:

Toda Matéria - Radioatividade
Brasil Escola - Fórmulas da Radioatividade
Brasil Escola - Fusão Nuclear
Brasil Escola - Fissão Nuclear

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