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Professor: Paulo Roberto Assunto: Radioatividade I- A descoberta dos raios X

No ano de 1895 Wilhelm Roentgen, um físico alemão descobriu os raios X enquanto realizava pesquisas num tubo de raios catódicos. Foi uma descoberta inesperada, pois no momento em que Rontgen ligou o tubo, uma placa fluorescente, que estava fora do tubo, acendeu. Roentgen entendeu que o que saía do tubo era um tipo de raio, que passou a se chamado de raio X. Ao colocar sua mão na trajetória do raio X, o físico pôde notar a sombra dos seus ossos sobre a placa. II- Descoberta da radioatividade Após a descoberta dos raios x houve uma revolução na Ciência. A partir desta importante descoberta, outro físico francês iniciou um estudo para tentar descobrir os raios x em substâncias fluorescentes. Antoine Henri Becquerel descobriu que o sulfato duplo de potássio e uranila emitia raios desconhecidos, que impressionavam chapas fotográficas após atravessar o papel negro, estes raios foram nomeados, inicialmente, de “raios Becquerel”.

Marie Sklodowska e Pierre Curie, um casal de cientistas, interessados pela descoberta de Becquerel acabaram descobrindo que todos os compostos que possuíam urânio tinham a propriedade de emitir esses raios, portanto ficou evidente que ele era o elemento responsável por emitir os raios desconhecidos. Assim, o casal nomeou este fenômeno como radioatividade, que significa emitir raios (do latim radius).

O casal Curie iniciou um trabalho com amostras retidas do elemento urânio. Após medir as radiações emitidas em cada amostra, constataram que, quanto maior era a proporção de urânio na amostra, mais radioativa ela seria.

Ao estudar a pechblenda, um minério de urânio, mais uma descoberta inesperada aconteceu. Verificou-se que uma das partes de impureza extraídas do minério era muito mais radioativa do que o próprio urânio puro. Desse modo, o casal Curie desconfiou que houvesse outro elemento radioativo desconhecido. Em 1898, o casal descobriu o elemento que era 400 vezes mais radioativo do que o urânio, este elemento foi denominado “polônio”.

Mesmo com a descoberta do polônio, o casal não cessava as suas pesquisas, até que descobriram outro elemento mais radioativo que o polônio, este foi nomeado de “rádio”.

O rádio é um elemento que produz intensas emissões, capazes de atravessar as camadas de chumbo. Tal capacidade não pertence aos raios X.

III- Características das radiações

• Partícula alfa A capacidade de alcance no ar das partículas alfa é menor do que 10 cm. São formadas por 2 prótons e 2 nêutrons, portanto são excessivamente ionizantes. Papel, roupas e a própria pele são barreiras para essas partículas. Sendo assim, quando as partículas alfa são de origem externa ao organismo, elas praticamente não oferecem nenhum risco aos seres humanos. No entanto, se essas partículas forem oriundas de uma fonte interna ao organismo, ou seja, se esse material radioativo foi inalado, ingerido, ou absorvido pela pele, ele apresenta sérios riscos, pois a partícula alfa se desloca lentamente, provocando uma intensa ionização.

• Partícula beta As partículas beta são capazes de alcançar até 13 m no ar, e atravessar até 1 mm de alumínio, pois elas são formadas por elétrons mais leves e mais velozes. Porém, possuem um poder de ionização menos intenso, por isso apresentam riscos moderados, seja ele de origem interna ou externa ao organismo. • Raios gama Os raios gama são ondas eletromagnéticas de comprimento de onda muito pequeno, e por isso possuem uma enorme capacidade de penetração, somente placas de chumbo com 3 cm de espessura são barreiras para os raios gama. Os raios gama originados de uma fonte externa ao organismo apresentam sérios riscos aos seres humanos, no entanto quando são de origem interna o risco é menor, pois toda energia das radiações alfa e beta são absorvidas pelo organismo, na medida em que apenas uma porção da radiação gama é absorvida. A capacidade de alcance no ar do raio gama também é muito grande.

IV- Efeitos da radiação 1) Absorção de 0 a 25 rem – nada se observa. 2) Absorção de 25 a 50 rem – redução dos glóbulos brancos. 3) Absorção de 100 a 200 rem – náuseas – intensa redução dos glóbulos brancos. 4) Absorção de 500 rem – 50% de probabilidade de morte entre 30 dias. V- O corpo humano é insensível à radiação ionizante

As radiações nucleares possuem uma quantidade de energia suficiente para provocar a ionização, enquanto as radiações mais comuns como o calor e a luz visível não possuem essa capacidade.

Nas células, a ionização pode provocar alterações moleculares, e formação de um tipo de espécies químicas que causam danos para a célula.

O ser humano é o alvo mais susceptível à radiação nuclear, e os efeitos da radiação no corpo humano resultam dos danos de cada célula em particular.

Os danos que a radiação pode provocar no homem são: - impedimento da divisão celular. - danificação da divisão celular. - modificações na estrutura genética das células reprodutoras. - destruição total da célula.

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Se o corpo humano receber de uma vez 700 rads, ocorrerá um efeito fatal. A exposição à doses de 50 rads não provoca nos seres humanos sinais de doenças imediatos.

VI- Natureza das emissões

Com a descoberta da radioatividade, o físico e químico E. Rutherford anunciou que neste fenômeno havia a emissão de “partículas e ondas eletromagnéticas”.

A emissão radioativa constitui-se de partículas de carga elétrica positiva, partículas de carga elétrica negativa e ondas eletromagnéticas.

Tais radiações foram nomeadas da seguinte forma:

- Partículas alfa (α): carga positiva; formadas por 2 prótons e 2 nêutrons. Representada por: - Partículas beta (β): carga negativa; são elétrons de alta energia que saem do núcleo.

Sabe-se que ocorre a desintegração de um nêutron, formando um próton, um elétron e um neutrino.

- Emissões gama (γ): ondas eletromagnéticas.

Com a saída de uma partícula do núcleo ocorre simultaneamente a emissão de raios gama pelo núcleo. VII- Equações de desintegração

A partícula alfa é formada por 2 prótons e 2 nêutrons, portanto nas equações de desintegração podemos escrever

. Considere que tório emitiu uma partícula α e se converteu em rádio:

Assim, os números de massa e as cargas elétricas ficam equilibrados.

Se um átomo emitir uma partícula β, podemos escrever: . Isto é, o número de massa do átomo não sofreu alteração, e se subtrairmos uma unidade do número atômico do átomo resultante, obteremos o número atômico inicial. Considere que o tório converteu-se em protactínio:

Nota:

• Partículas alfa com índices →

• Partículas beta com índices → • Soma dos índices superiores ou inferiores do 1º membro = soma dos índices superiores ou inferiores do 2º membro. VIII- Explicação da 1ª lei {Primeira lei da radioatividade natural (Soddy)}

Frederick Soddy, um cientista inglês, considerou a suposta idéia de que a radioatividade era um fenômeno que resulta de uma instabilidade nuclear. Desse modo, um átomo radioativo, após emitir uma partícula (α) ou (β), iria converter-se em átomo de outro elemento.

Foi constatado que, após a emissão de uma partícula α, o átomo se converte em um elemento no qual seu número atômico diminui 2 unidades, e sua massa atômica diminui de 4 unidades. Assim, Frederick Soddy apresentou a Primeira Lei da Radioatividade também conhecida como Lei de Soddy: Quando um átomo radioativo emite uma partícula (α), seu número atômico diminui de 2 unidades e seu número de massa diminui de 4 unidades. IX- Explicação da 2ª lei {Segunda lei de radioatividade natural (Soddy, Fajans e Russel)}

A Segunda Lei da Radioatividade foi enunciada por Soddy, Fajans e Russel. Esses três cientistas descobriram que ao emitir uma partícula (β), o átomo radioativo aumenta 1 unidade no seu número atômico e seu número de massa permanece constante.

Esta Lei também ficou conhecida como Lei de Soddy, Fajans e Russel: Quando um átomo radioativo emite uma partícula (β), seu número atômico aumenta de uma unidade, e seu número de massa permanece constante.

Sabemos que os nêutrons podem sofrer desintegração.

Ele se transforma em próton + elétron + neutrino, sendo que apenas o próton fica no núcleo. O neutrino é uma partícula sem carga e praticamente sem massa, nem mesmo pode ser detectado pelos contadores Geiger comuns.

Além disso, sempre que o núcleo perde um elétron,

consequentemente um nêutron é convertido em próton. Nesse caso, o número atômico aumenta de 1 unidade e o número de massa permanece constante, pois no lugar de um nêutron que diminuiu apareceu um próton, sem provocar mudanças na contagem de prótons + nêutrons. X- Famílias radiativas ou series radioativas

De acordo com os estudos realizados sobre a natureza dos átomos radioativos, existem apenas 3 famílias ou séries de desintegração. Isto é, todos os átomos radioativos naturais que existem, foram originados de apenas 3 átomos radioativos.

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As três famílias radioativas são encabeçadas pelos seguintes átomos:

Ao emitir uma partícula α, o átomo de urânio é convertido

em que ao emitir uma partícula β converte-se em

, e assim, após sucessivas emissões o átomo é convertido em chumbo estável. Inicialmente, surgiu na natureza uma grande aglomeração de átomos radioativos, porém a origem desses átomos era de apenas três tipos de elementos radioativos:

XI- Fissão Nuclear Enrico Fermi, um físico italiano, descobriu em 1932 o fenômeno da fissão nuclear que consiste no bombardeamento dos átomos por nêutrons, resultando em átomos de núcleos radioativos.

No ano de 1934, Fermi bombardeou o urânio (Z = 92) com nêutrons, e obteve átomos radioativos. Porém, não foi desta vez que o fenômeno foi completamente esclarecido.

Alguns anos depois dois cientistas alemães, Otto Hahn e Fritz Strassman, descobriram a presença de bário, lantânio e criptônio ao bombardear o urânio com nêutrons.

No entanto, tal experiência só foi explicada pelos cientistas Lise Meitner e Frisk em 1939.

O átomo de urânio-235 é bombardeado por um nêutron, e divide-se em dois novos átomos radioativos que emitem normalmente dois ou três nêutrons. Massa crítica

Quanto maior for o número de urânio-235, mais chances haverá de ocorrer novas divisões, originando novos nêutrons e outras divisões, sucessivamente. Chamamos esse processo de reação em cadeia, que só ocorre acima de determinada massa de urânio.

Para que a reação em cadeia ocorra é necessária certa quantidade de massa de urânio. Chamamos de massa crítica essa quantidade de massa suficiente para iniciar o processo. Reator Nuclear

Reator nuclear é uma bomba atômica controlada, ou seja, a qualquer momento a reação em cadeia pode ser cessada ou acelerada através da introdução ou retirada de barras de cádmio, que é o elemento que possui a propriedade de absorver os nêutrons. XII- Fusão nuclear

O Sol é responsável por quase toda a energia que a Terra recebe todos os dias. Tal energia é liberada por reações termonucleares.

No Sol, a temperatura é muito elevada, e essa temperatura fornece a energia de ativação necessária para a aglutinação dos átomos de hidrogênio (H), num processo chamado fusão nuclear.

Portanto, a síntese do elemento hélio ocorre a partir do hidrogênio no Sol. A fusão nuclear libera uma quantidade de energia muito grande, mas tal processo só ocorre através de temperaturas de milhões de °C como a do Sol. Para que fosse possível realizar uma reação semelhante a essa, tentou-se sintetizar o hélio pela fusão de isótopos de hidrogênio, produzindo uma bomba de hidrogênio para que ocorra a reação nuclear.

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MEIA – VIDA

I- Período de semi-desintegração ou meia- vida (P ou t½) “O período de semi-desintegração ou meia- vida (P ou t½) é o tempo necessário para que a metade dos núcleos radioativos se desintegre, ou seja, para que uma amostra radioativa se reduza a metade.” Considere uma amostra com n0 átomos radioativos iniciais.

Depois de um espaço de tempo, haverá

átomos que ainda

não se desintegraram. P é definido como o período de semi-desintegração. O tempo para que ocorra a desintegração da metade dos átomos não depende do número de átomos radioativos iniciais, pois quanto maior for o número de átomos, maior será a velocidade

de desintegração. Para cada período “P” que se decorre, há uma redução da metade da amostra que vai se reduzindo incessantemente até que atingir uma quantidade muito pequena. Logo, temos:

onde, n = número de átomos final n0 = número de massa inicial x = número de períodos transcorridos A figura abaixo ilustra o decaimento de uma amostra radioativa que começa, no instante t=0, com N0 átomos e tem meia-vida t½. De qualquer modo, basta entender o seguinte: se a gente conhece a meia vida de uma substância radioativa e sabe quanto átomos dessa substância existem na amostra em um dado instante, sabe também quantos existirão em qualquer tempo futuro. Basta traçar uma curva como essa aí em cima com os valores conhecidos. Ex: Polônio – 218 → meia-vida = 3 minutos

II- Algumas Aplicações da Radioatividade Datação com Carbono – 14 O carbono-14 (radiocarbono) é um radioisótopo formado na atmosfera, quando os nêutrons de raios cósmicos bombardeiam os átomos de nitrogênio-14.

Ao ser formado, o carbono-14 reage com o O2 atmosférico, formando o C

14O2 que é absorvido pelas plantas através da

fotossíntese, assim os animais e até mesmo seres humanos, quando ingerem esses vegetais absorvem também o C-14 que se torna constituinte da estrutura destes organismos. Quando a planta ou o animal morre ocorre uma redução na quantidade de C-14 devido à seguinte desintegração:

Essa desintegração ocorre num período de semi-desintegração de 5730 anos, portanto, é possível fazer a datação por carbono-14, um processo que determina a idade de fósseis arqueológicos com até 50 mil anos, pois depois deste período a quantidade de C-14 será muito pequena, e os aparelhos não seriam capazes detectar as radiações.

Principais Partículas que tomam parte nas transmutações artificiais

alfa ou

dêuteron ou

beta ou

pósitron

gama neutrino

próton ou

nêutron

Obs: Quando a massa de um

radioisótopo se reduz à metade, também

se reduzem à metade o número de

átomos, a quantidade em mols e

atividade radioativa (desintegração por

segundo) desse radioisótopo.

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Alguns Exercícios: 1. Determine o valor do número atômico (Z) e do número de

massa (A) do nuclídeo formado quando o Radônio 222

( ) emite uma partícula a. Escreva a equação nuclear

balanceada.

2. O nuclídeo emite uma partícula β e forma outro

nuclídeo, . Determine os Valores de A e Z e escreva a

equação nuclear balanceada.

3. Calcule número de partículas α e β que o urânio 238( )

precisa emitir para se transformar em rádio 226( ).

4. Quantas partículas alfa e beta foram emitidas para um

se transmutar em ?

5. Quantas partículas alfa e beta, no total, são emitidas quando

o átomo de se transforma até

?

6. Na família radioativa natural do tório, parte-se e

chega-se ao . Quantas partículas alfa e beta foram

emitidas nesse processo?

7. Ao se desintegrar, o átomo emite três partículas a e

quatro partículas b. Determine os números atômicos e de massa do átomo resultante. a) V e W. b) Y e W. c) Y e V. d) X e W. e) X e W.

8. Sejam A, B, C e D os elementos de uma série radioativa

envolvidos no esquema simplificado de desintegração nuclear

238A92→ α + β, B→ β + C e C → β + D; então

a) B, C e D são isótopos. b) A e D são isóbaros. c) C tem nêutrons. d) B tem 92 prótons. e) A e B são isótonos.

9. No processo de desintegração natural de

238U92, pela

emissão sucessiva de partícula alfa e beta, forma-se o 226

Re88. 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.

10. (FUVEST/SP) Mediu-se a radioatividade de uma amostra

arqueológica de madeira, verificando-se que o nível de sua radioatividade devido ao carbono 14 era 1/16 do apresentado por uma amostra de madeira recente. Sabendo-se que a meia-vida do isótopo

14C é 5,73. 10

3 anos,

a idade, em anos, dessa amostra é: a) 3,58. 10

2

b) 1,43. 103

c) 5,73. 103

d) 2,29. 104

e) 9,17. 104

11. Certo isótopo tem vida média igual a 10min. Pergunta-se: a) Qual sua meia-vida ou período de semidesintegração? b) Partindo-se de 80g de isótopo, qual a massa ainda não

desintegrada após 35 minutos?

12. A meia-vida do é de 15 horas. Se a quantidade inicial

deste isótopo for de 100 g, após 120 horas, teremos qual

massa residual de ?

13. A meia-vida do polônio 218 é 3 minutos. Qual o tempo

necessário para que restem 12,5% de uma amostra desse isótopo?

14. Após 40 dias, uma amostra de 1,6 g de iodo 131 de reduz a

50mg. Qual A meia-vida desse radionuclídeo?

15. Temos 45g de uma amostra radiativa que, após certo tempo, se reduz a 15g. Determine o tempo transcorrido nessa redução, sabendo-se a meia-vida do isótopo radiativo desse material é de 5 horas. (Dados: log2 = 0,3; log3 = 0,47.)