AS RADIAÇÕES NUCLEARES 4 AULA

Nesta Aula:

Caracterização das radiações Nucleares

Caracterização das radiações Nucleares

UM 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.

Radiação nuclear é o nome dado às partículas ou ondas eletromagnéticas emitidas pelo núcleo durante o processo de reestruturação interna para atingir sua estabilidade

Devido a intensidade das forças nucleares, as radiações nucleares são altamente energéticas comparadas com as radiações emitidas pelas camadas eletrônicas

Esta energia é geralmente expressa em eletron-Volt (eV): um eV é a energia cinética adquirida por um elétron ao ser acelerado por uma diferença de potencial de 1 Volt

Durante os primeiros 30 anos do século XX foram feitas por Ernest Rutherford (1871-1937) e seus colaboradores diversos experimentos que identificaram as radiações nucleares

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

• escurece filmes,

Características das Radiações Nucleares

• produz cintilação (flashes de luz) em certos materiais,

• penetra na matéria, mata tecido vivo,

• libera grande quantidade de energia com pequena perda de massa,

• ioniza gases,

• não é afetada por alterações químicas e físicas no material a qual está emitida.

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.

Experimento repetido por Rutherford

e Royds em 1909:

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

• 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.

4 4

2 2

A A

Z ZX Y He

252 248 4

154 152 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 0,0058

p d eQ M M M M

uma

0,0058 931 5,4MeV

Q 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 21

2Q MV mv

mvMV mv V

M

2

2

2

1

2

11 ;

2

mvQ M mv

M

mQ K K mv

M

210

1 /

5,4( ) 5,3

1 4 / 260

QK

m 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

•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 nêutron em um próton mais um elétron e um neutrino, segundo a reação

1 1 0

0 1 1n H e

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

0

1 1

A A

Z 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 0

15 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 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:

0

1 1

A A

Z 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 0

11 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

MeV

Mev 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:

0

1 1

A A

Z 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 21,998352

931 /

0,0036 3,352

p e fQ M Na M M Ne

MeV

Mev 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

A 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.