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AS RADIAÇÕES NUCLEARES 4 AULA

Nesta Aula:

Caracterização das radiações NuclearesRadiação aRadiação bRadiação g

Caracterização das radiações NuclearesUm POUCO DE HISTÓRIA....

O físico francês Henri Becquerel (1852-1908), em 1896, acidentalmente observou o efeito da exposição de chapas fotográficas a sais de urânio

Ela e seu marido Pierre Curie (1859-1906), descobriram dois novos elementos que exibiam esse comportamento: o Rádio e Polônio.

Em 1898, Marie Curie (1867-1934) voltou sua atenção a esse novo fenômeno, e lançou o termo radioatividade para descrever essa forma de energia.

Por volta de em 1904, cerca de 20 elementos naturalmente radioativos já eram conhecidos

Durante os primeiros 30 anos do século XX foram feitas por Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores

•escurece filmes, •ioniza gases, •produz cintilação (flashes de luz) em certos materiais, •penetra na matéria, mata tecido vivo, •libera grande quantidade de energia com pequena perda de massa, •não é afetada por alterações químicas e físicas no material a qual está emitida.

Características das Radiações Nucleares

O Experimento de Rutherfor

O que é a Radiação Nuclear?

A partir dela, observou-se que a estrutura dos átomos podia ser alterada, e que alguns átomos encontrados na natureza, especialmente os mais pesados, possuíam núcleos instáveis.

Experiências posteriores revelaram que os raios g são os mais penetrantes, enquanto que os raios a são os de menor penetração.

Radiação a

Experimento repetido por Rutherford e Royds em 1909:

•observou-se que uma partícula a tem uma massa igual a 4 vezes a massa do próton (ou 7000 vezes a massa do elétron), •duas unidades de carrega de carga elétrica positiva. •Essas 4 partícula estão fortemente ligadas entre si (energia de ligação alta), de forma que a partícula a se comporta, em muitas situações, como se fosse uma partícula fundamental.

Sir James Dewar em 1908 - identidade da partícula a: núcleo de hélio, ²He (2 prótons e 2 neutrons)

O processo de decaimento a

4 42 2

A AZ ZX Y He

252 248 4154 152 2Cf Cm He

•É o único tipo de decaimento radioativo espontâneo que emite partículas pesadas. •Sendo a energia de ligação desta partícula extremamente alta (~28 MeV) quando comparada à dos nucleons (~6-8 MeV), a emissão espontânea de partícula α ocorrera somente em núcleos pesados (A > 150 ou Z > 82)

O Processo de emissão α pode ser melhor entendido, se considerarmos que nos núcleos com número atômico maior que 82, as forças eletrostáticas repulsivas crescem muito mais rapidamente que as forças nucleares de coesão, tornando-se, em magnitude, maiores ou iguais as forças nucleares, configurando-se como uma barreira de potencial

Geralmente para que uma emissão a ocorra, a seguinte equação de conservação de energia deve ser satisfeita:

2p d eM M M M Q

2

210,04850 206,03883 4,00277 2 0.00055 0,0058p d eQ M M M M

uma

0,0058 931 5,4MeVQ uma MeVuma

A divisão exata de energia entre a partícula a e o núcleo, dependerá da massa do núcleo filho, podendo ser calculada através da aplicação das leis de conservação de energia e momentum:

2 212

Q MV mv

mvMV mv VM

22

2

12

11 ;2

mvQ M mvM

mQ K K mvM

210

1 /5,4( ) 5,31 4 / 260

QKm M

MeVK Po MeV

5,4 5,3 0,1RE Q K MeV MeV MeV

Como as partículas α emitidas pelos núcleos têm energia entre 3 e 7 MeV, e velocidades da ordem de 0,1 c, não se levam em conta efeitos relativísticos

Radiação b

•A emissão de radiação β é o processo mais comum entre os núcleos leves ou de massa intermediária, que possuem um excesso de neutrons ou de prótons em relação à estrutura estável correspondente.

•Radiação β é o termo usado para descrever elétrons de origem nuclear, carregados negativamente (β⁻) ou positivamente (β⁺).

Existem 3 formas de emissão β: β⁻, β⁺ e EC. Dentre as propriedades do decaimento β, destacam-se:

a) a quantidade de núcleos que se desintegram por β⁺, β⁻, e EC é bem maior do que por desintegração a, já que núcleos leves também sofrem desintegração beta;b) sendo a velocidade das partículas β da ordem da velocidade da luz (v~ O,99c), deve-se levar em conta efeitos relativísticos;c) O espectro de energia β, apresenta uma característica totalmente diferente do espectro de energia da partícula a. Pauli, em 1930, a formular a hipótese da existência do neutrino e do antineutrino, como sendo uma terceira partícula que acompanharia a desintegração β,

d) Os decaimentos β⁺, β⁻, e EC são chamados de transformações isobáricas, porque alteram a carga nuclear (Z), mas não alteram o seu numero de massa (A). Junto com a emissão de elétrons e pôsitrons, pode ocorrer também a emissão de raios gama.

Emissão β⁻

•Consiste de elétrons de alta energia que se originam no núcleo.

•Por si só, um elétron não poderia existir independentemente no núcleo, o que nos leva a conclusão de que esta partícula seja formada no instante de sua emissão, pela transformação de um neutron em um próton mais um elétron e um neutrino, segundo a reação

1 1 00 1 1n H e

Um núcleo instável, porque tem poucos prótons, e então apresenta excesso de neutrons, tenderá a se estabilizar aumentando sua carga nuclear, ou seja, emitindo elétrons:

01 1

A AZ ZX Y e

Para que este tipo de emissão seja possível, a massa do núcleo pai deve ser exatamente igual a soma das massas do núcleo filho mais a massa da partícula β mais a diferença de massa, em energia, dos núcleos pai e filho:

p fM M M Q

32 32 015 16 1 1,17P S e MeV

31,98403 3198224 0,00179 1,71Q Q uma MeV

Como exemplo deste tipo de reação vamos observar o decaimento do do fosforo radioativo no enxofre estável:

Emissão β⁺

•Esta radiação consiste de partículas de massa igual à massa do elétron, mas tendo carga elétrica positiva.

•Descoberta por C.D. Anderson em 1932.

•Sua existência está limitada à interação elétron-pósitron, que aniqüila ambas as partículas, resultando numa emissão de 2 fótons de 0,511 MeV de energia cada. Este fenômeno é de interesse fundamental na detecção de radioisótopos emissores de β⁺.

Emissão de Partículas β⁺:

O decaimento β⁺ se reduz na transformação do próton num neutron através da reação:

01 1

A AZ ZX Y e

Para a emissão de um pósitron a seguinte equação de conservação de massa (energia), deve ser satisfeita:

2p f eM M M Q

Como o núcleo pai perder uma carga positiva quando um pósitron é emitido, o que leva ao núcleo filho ser um número atômico menor que o núcleo paí, para que o átomo se mantenha neutro é preciso que o núcleo filho imediatamente após a reação também perca um elétron orbital. Com isto, a equação deve ser reescrita levando em conta os dois elétrons que são perdidos

Uma reação que é de grande interesse em pesquisas biomédicas, é o decaimento do ²²Na:

22 22 011 10 1Na S e

22 22( ) ( ) 2

0,544 1,27722,001404 2 0,00548

931 /21,998352

f p eM Ne M Na M Q

MeVMev uma

uma

Captura Eletrônica Orbital EC

•A terceira forma de decaimento β foi descoberta por Alvarez, em 1938,•Envolve a aniquilação da carga do próton, transformando-o em neutron, pela captura de um elétron orbital.

•Um exemplo típico desse tipo de decaimento chamado de captura eletrônica orbital (CE), é:

01 1

A AZ Ze X Y

O processo de captura eletrônica orbital deve atender ao seguinte princípio de conservação de energia:

p e fM M M Q

Esta reação pode ser ilustrada através do decaimento do ²²Na, que também pode ser feito por CE. A energia de ligação do elétron capturado,φ, é 1,08 keV:

22 22( ) ( )

0,0010822,001404 0,00548 21,998352931 /

0,0036 3,352

p e fQ M Na M M Ne

MeVMev uma

uma MeV

Desde que uma radiação g de 1,277 MeV é emitida e, que o recuo do núcleo devido a esta emissão é insignificante, o excesso de energia, 3,352-1,277=2,075MeV deve ser transportado pelo neutrino

Radiação gA radiação gama pertence a uma classe conhecida como radiação eletromagnética. Este tipo de radiação consiste de quanta ou pacotes de energia transmitidos em forma de um movimento ondulatório.

A diferença essencial entre a radiação gama e a radiação X está na sua origem. Enquanto os raios gama resultam de mudanças no núcleo, os raios X são emitidos quando os elétrons atômicos sofrem uma mudança de orbital.