1

Química

Radiotividade

Resumo

A radioatividade, que hoje conhecemos e utilizamos, estuda a emissão de radiações do núcleo instável de

um átomo. Ou seja, átomos de alguns elementos – especialmente os que possuem massa muito grande –

se desintegram espontaneamente, perdem/liberam partículas presentes em seus núcleos (partículas

nucleares) ou ondas eletromagnéticas, para obterem estabilidade. Isso significa que tais átomos têm

atividade radioativa.

Mas como toda ciência, o estudo das radiações evoluiu ao longo do tempo, até chegar ao conhecimento

atual. Vamos resumir essa história?

Histórico

• Antoine-Henri Becquerel → físico francês que trabalhava com sais de urânio, percebeu que um desses

sais, o sulfato duplo de potássio e uranila – K2(UO2)(SO4)2 – era capaz de impressionar filmes

fotográficos. Estudou-se tal comportamento e viu-se que isso se devia a radiações emitidas pelo sal.

• Wilhelm Conrad Roentgen → físico alemão que trabalhava com raios catódicos (do tubo de Crookie),

percebeu que esses raios emitiam uma nova radiação – os raios X – quando em contato com vidro ou

metal. Posteriormente, viu-se que ela não possui massa nem carga.

• Marie Sklodowska Curie → física e química polonesa que também trabalhava com sais de urânio,

percebeu que impressões fotográficas feitas por esses sais aumentavam de intensidade à medida que

aumentava-se a quantidade desses sais. Concluiu, assim, que a intensidade de radiação é proporcional

à quantidade de urânio e, portanto, a radioatividade era um fenômeno atômico.

• Ernest Rutherford → físico neozelandês que trabalhou com polônio, estudou a ação de campos

eletromagnéticos sobre as radiações e, assim, descobriu os raios α (alfa), β (beta) e γ (gama). Veremos

com detalhes a seguir.

Experimento de Rutherford

• Criou uma aparelhagem contendo: polônio (elemento com atividade radioativa) em um bloco de chumbo,

campo magnético, placas carregadas eletricamente (uma positiva e uma negativa) e uma placa

fluorescente com sulfeto de zinco, que emite luminosidade ao ser atingida por radiação.

β → como é desviada em direção à placa positiva, concluiu-se

que possui carga negativa;

→ como sofreu desvio com facilidade (desvio grande),

concluiu-se que possui massa pequena.

γ → como não sofre desvio, concluiu-se que não possui carga;

→ não possui massa;

α → como é desviada em direção à placa negativa, concluiu-se

que possui carga positiva;

→ como sofreu desvio com dificuldade (desvio pequeno),

concluiu-se que possui massa maior.

2

Química

Radiações

• Partícula 2α4 A (massa) = 4

Z (carga) = 2

• É uma partícula nuclear;

• Tem 1/10 da velocidade da luz;

• É igual ao núcleo do hélio (possui 2 prótons, 2 nêutrons e número de massa 4);

• Tem baixo poder de penetração, não ultrapassa papel, roupas finas e a nossa pele.

• Partícula –1β0 A (massa) = 0

Z (carga) = –1

• É uma partícula nuclear;

• Tem 9/10 da velocidade da luz;

• É igual a um elétron – ou é o elétron – deriva da quebra de um nêutron;

• Tem poder de penetração superior ao da partícula α, não ultrapassa roupas grossas e madeira.

• Radiação 0γ0 A (massa) = 0

Z (carga) = 0

• Como não tem carga nem massa, não é uma partícula nuclear, é uma onda eletromagnética, assim

como a luz e os raios X, de comprimento pequeno;

• Trafega na velocidade da luz;

• Tem maior poder de penetração, mas não ultrapassa paredes de concreto ou chumbo.

• Próton 1p1 A (massa) = 1

Z (carga) = 1

• É uma partícula nuclear;

• Tem carga positiva.

• Nêutron 0n1 A (massa) = 1

Z (carga) = 0

• É uma partícula nuclear;

• Não tem carga, é neutra.

• Pósitron +1β0 A (massa) = 0

Z (carga) = +1

• É a antimatéria da partícula beta;

• Tem carga positiva.

3

Química

OPA, antimatéria?

Assim como a matéria é composta de partículas, a antimatéria é composta de antipartículas, que se

tratam da partícula correspondente, mas com sinal contrário. O pósitron também é chamado de

antielétron, já que é a antipartícula do elétron (é o elétron com carga +1). Acredita-se que, para cada

matéria, há uma antimatéria correspondente.

Você pode ler essa matéria show, para entender melhor:

Leis da radioatividade

• 1ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy: emissão de partículas α

O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula α, origina um elemento com número atômico

menor em 2 unidades e número de massa menor em 4 unidades. Veja:

ZXA → 2α4 + Z–2YA–4

Exemplo:

92U238 → 2α4 + Z–2YA–4

• Mas por quê? Porque como “na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, a soma dos

números atômicos (número de prótons) de antes da seta da reação nuclear deve ser igual à soma dos

números atômicos de depois da seta. O mesmo deve ocorre com o número de massa.

Z antes = Z depois / ZP = ZR e A antes = A depois / AP = AR

IMPORTANTE À BEÇA: em uma reação nuclear, são representados os nuclídeos dos átomos envolvidos.

OPA, nuclídeo? É a representação do núcleo de um átomo, e sua notação se faz com o símbolo do elemento mais

seu número atômico e seu número de massa, geralmente.

Exemplo: se for representado o nuclídeo do oxigênio-16 (isótopo do oxigênio de número de massa

16), será assim: 8O16.

• 2ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy-Fajans-Russel: emissão de partículas β

O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula β, origina um elemento com número

atômico maior em 1 unidade e número de massa igual ao do elemento desintegrado. Veja:

ZXA → –1β0 + Z+1YA

Exemplo:

6C14 → –1β0 + 7N14

• O motivo é o mesmo da primeira Lei.

4

Química

Cinética Radioativa

Como toda "cinética", ela estuda velocidade. Já que é "radioativa", estuda a velocidade da desintegração de

núcleos, ou o tempo necessário para que o núcleo de um elemento emita certa quantidade de radiação.

• Tempo de meia-vida (T½ /P) É o tempo em que uma amostra de átomos de um elemento radioativo tem sua quantidade reduzida à metade,

como diz o nome. Cada elemento possui seu tempo de meia-vida específico.

Exemplo: O tempo de meia vida do fósforo-32 é de 32 dias. Isso significa que uma amostra contendo 1 mol

(6,02.1023 átomos/32 g) desse elemento hoje terá ½ mol (3,01.1023 átomos/16 g) dele daqui a 32 dias.

• Logo, daqui a 128 dias (4 x 32), a sua quantidade será a inicial dividida por 2, depois por 2 de novo,

depois por mais 2 e por fim, por mais 2.

1 mol / 32 g → ½ mol / 16 g → ¼ mol / 8 g → ⅛ mol / 4 g → ⅟16 mol / 2 g

• Sendo assim, quantidade final (Qf) será igual a quantidade inicial (Qi)/2/2/2/2 ou Qi/24. Dessa resolução,

tiramos a fórmula:

Qf = Qi /2P

Onde:

Qf e Qi = pode ser mf e mi, se a quantidade for em massa; nf e ni, se for em número de mols, e por aí vai; P = é o período de meia-vida do elemento em questão.

Transmutação artificial

Chamamos de transmutação nuclear o bombardeamento de um nuclídeo com alguma partícula, formando

um novo elemento químico e, geralmente, outras partículas são liberadas. Dizemos que é artificial porque

não ocorre de forma espontânea, natural, há a intervenção humana.

Exemplo: No bombardeamento do nitrogênio-14 com partículas alfa, há a agregação da mesma a esse

elemento e a liberação de um próton, gerando oxigênio-17 (Z=8).

2α4 +7N14 → 8O17 + + 1p1

Fissão nuclear

Caso a transmutação rompa o nuclídeo bombardeado, gerando nuclídeos de elementos diferentes de

números atômicos menores e complementares ao do primeiro (ou seja, Z2+Z3=Z1, sendo Z1 o número atômico

do nuclídeo bombardeado e Z2 e Z3 os dos elements resultantes), houve uma fissão nuclear. Fissão porque

o elemento foi fissonado/dividido em outros.

Exemplo: No bombardeamento do urânio-235 com nêutrons, como ocorre na bomba nuclear, há a fissão do

urânio, liberando bário e criptônio e mais três nêutrons.

92U235 + 0n1 → 36Kr92 + 56Ba141 + 3 0n1 + γ

32 dias + 32 dias + 32 dias + 32 dias

÷ 2 ÷ 2 ÷ 2 ÷ 2

5

Química

• Na bomba nuclear, cada nêutron formado bombardeia mais um átomo de urânio-235, liberando mais

bário, criptônio e mais 3 nêutrons, que bombardeiam mais 3 átomos de urânio, e assim sucessivamente. A isso, damos o nome de reação em cadeia.

• A fissão de um átomo de urânio-235 já libera muita energia, em forma de calor. Sendo alguns quilos desse elemento, a quantidade de energia liberada é absurdamente maior, o que faz da bomba nuclear um material bélico de altíssimo potencial de destruição, muito superior à de uma bomba de TNT, por exemplo.

• A fissão nuclear também ocorre em uma usina nuclear, em que se faz a quebra do urânio, liberando muita energia, que aquece a água, fazendo-a vaporizar e girar uma turbina, a qual resulta em produção de energia elétrica.

Fusão nuclear

Como o próprio nome explica, consiste na fusão dos núcleos de elementos, formando outro elemento e

liberando partículas e energia. No Sol, por exemplo, ocorre a reação de fusão de dois núcleos de hidrogênio,

gerando hélio, um neutron e muita energia, em forma de calor.

1H3 + 1H2 → 2He4 + 1n + energia

• Na bomba de hidrogênio, ou bomba H, ocorre a mesma reação, por isso é um material bélico tão preocupante para a humanidade. A energia térmica liberada é muito superior à de uma bomba atômica.

6

Química

Importante à beça:

A arqueologia e outros ramos do estudo da história natural utilizam o método de datação de fósseis com

carbono-14. Trata-se de um isótopo do carbono com número de massa igual a 14 (6 prótons e 8 nêutrons)

que tem núcleo instável, e por isso tem atividade radioativa.

• A frequência desse isótopo na natureza é conhecida pelos cientistas, ou seja, a proporção entre a

quantidade de carbono-12 (C-12, o mais estável e mais presente na natureza) e de carbono-14 (C-14)

incorporados aos organismos vivos e aos compostos químicos espalhados pelo ambiente já foi

calculada.

• Além disso, conhece-se a meia-vida do C-14, que é de aproximadamente 5600 anos. Então, é possível

datar um fóssil, isto é, calcular em qual data ele viveu.

• Mas como? Vamos supor que a proporção de C-12 e C-14 no ambiente seja de 1000:1, respectivamente.

Se um cadáver possuir 1000 mols de C-12, vai possuir 1 mol de C-14, caso tenha morrido há pouco

tempo e ainda não tenha havido decaimento dele. Então, se nesse cadáver encontramos apenas 0,5 mol

de C-14 (metade da quantidade inicial do elemento), sabemos que já se passaram 5600 anos desde que

o organismo morreu e parou de incorporar matéria orgânica.

• Quanto menos C-14 no fóssil, mais antigo ele é.

Obs: O exemplo acima (proporção 1000:1) foi apenas suposição, a concentração real de C-14 na Terra é de

10 ppb (10 átomos de C-14 por bilhão de átomos na natureza).

Quer assistir um QQD sobre o assunto e ainda baixar um mapa mental? Só clicar aqui!

Quer ainda saber o que aconteceu em Chernobyl? Só clicar aqui!

7

Química

Exercícios

1. O elemento radioativo tório (Th) pode substituir os combustíveis fósseis e baterias. Pequenas

quantidades desse elemento seriam suficientes para gerar grande quantidade de energia. A partícula liberada em seu decaimento poderia ser bloqueada utilizando-se uma caixa de aço inoxidável. A

equação nuclear para o decaimento do 23090Th é:

230 226

90 88Th Ra partícula energia→ + +

Considerando a equação de decaimento nuclear, a partícula que fica bloqueada na caixa de aço inoxidável é o(a) a) alfa. b) beta. c) próton. d) nêutron. e) pósitron.

2. O terremoto e o tsunami ocorridos no Japão em 11 de março de 2011 romperam as paredes de isolamento de alguns reatores da usina nuclear de Fukushima, o que ocasionou a liberação de substâncias radioativas. Entre elas está o iodo-131, cuja presença na natureza está limitada por sua meia-vida de oito dias.

O tempo estimado para que esse material se desintegre até atingir 1

16 da sua massa inicial é de

a) 8 dias.

b) 16 dias.

c) 24 dias.

d) 32 dias.

e) 128 dias.

3. A técnica do carbono-14 permite a datação de fósseis pela medição dos valores de emissão beta

desse isótopo presente no fóssil. Para um ser em vida, o máximo são 15 emissões beta (min g). Após

a morte, a quantidade de 14 C se reduz pela metade a cada 5.730 anos. A prova do carbono 14. Disponível em: http:///noticias.terra.com.br. Acesso em: 9 nov. 2013 (adaptado).

Considere que um fragmento fóssil de massa igual a 30 g foi encontrado em um sítio arqueológico, e

a medição de radiação apresentou 6.750 emissões beta por hora. A idade desse fóssil, em anos, é

a) 450.

b) 1.433.

c) 11.460.

d) 17.190.

e) 27.000.

8

Química

4. O avanço científico e tecnológico da física nuclear permitiu conhecer, com maiores detalhes, o

decaimento radioativo dos núcleos atômicos instáveis, desenvolvendo-se algumas aplicações para a

radiação de grande penetração no corpo humano, utilizada, por exemplo, no tratamento do câncer.

A aplicação citada no texto se refere a qual tipo de radiação?

a) Beta.

b) Alfa.

c) Gama.

d) Raios X.

e) Ultravioleta.

5. A energia nuclear é uma alternativa aos combustíveis fósseis que, se não gerenciada de forma correta,

pode causar impactos ambientais graves. O princípio da geração dessa energia pode se basear na

reação de fissão controlada do urânio por bombardeio de nêutrons, como ilustrado:

235 95 139U n Sr Xe 2 n energia+ → + + +

Um grande risco decorre da geração do chamado lixo atômico, que exige condições muito rígidas de

tratamento e armazenamento para evitar vazamentos para o meio ambiente.

Esse lixo é prejudicial, pois

a) favorece a proliferação de microrganismos termófilos.

b) produz nêutrons livres que ionizam o ar, tornando-o condutor.

c) libera gases que alteram a composição da atmosfera terrestre.

d) acentua o efeito estufa decorrente do calor produzido na fissão.

e) emite radiação capaz de provocar danos à saúde dos seres vivos.

6. Pesquisadores recuperaram DNA de ossos de mamute (Mammuthus primigenius) encontrados na

Sibéria, que tiveram sua idade de cerca de 28 mil anos confirmada pela técnica do carbono 14.− FAPESP. DNA do mamute é revelado. Disponível em: http://agencia.fapesp.br. Acesso em: 13 ago. 2012 (adaptado).

A técnica de datação apresentada no texto só é possível devido à

a) proporção conhecida entre carbono 14− e carbono 12− na atmosfera ao longo dos anos.

b) decomposição de todo o carbono 12− presente no organismo após a morte.

c) fixação maior do carbono-14 nos tecidos de organismos após a morte.

d) emissão de carbono-12 pelos tecidos de organismos após a morte.

e) transformação do carbono-12 em carbono-14 ao longo dos anos.

9

Química

7. A bomba reduz neutros e neutrinos, e abana-se com o leque da reação em cadeia. ANDRADE C. D. Poesia completa e prosa. Rio de Janeiro. Aguilar, 1973 (fragmento).

Nesse fragmento de poema, o autor refere-se à bomba atômica de urânio. Essa reação é dita “em

cadeia” porque na

a) fissão do 235U ocorre liberação de grande quantidade de calor, que dá continuidade à reação.

b) fissão de 235U ocorre liberação de energia, que vai desintegrando o isótopo 238U, enriquecendo-

o em mais 235U.

c) fissão do 235U ocorre uma liberação de nêutrons, que bombardearão outros núcleos.

d) fusão do 235U com 238U ocorre formação de neutrino, que bombardeará outros núcleos

radioativos.

e) fusão do 235U com 238U ocorre formação de outros elementos radioativos mais pesados, que

desencadeiam novos processos de fusão.

8. Glicose marcada com nuclídeos de carbono-11 é utilizada na medicina para se obter imagens

tridimensionais do cérebro, por meio de tomografia de emissão de pósitrons. A desintegração do

carbono-11 gera um pósitron, com tempo de meia-vida de 20,4 min, de acordo com a equação da

reação nuclear:

11 11 06 5 1C B e

(pósitron)

→ +

A partir da injeção de glicose marcada com esse nuclídeo, o tempo de aquisição de uma imagem de

tomografia é cinco meias-vidas.

Considerando que o medicamento contém 1,00 g do carbono-11, a massa, em miligramas, do nuclídeo

restante, após a aquisição da imagem, é mais próxima de

a) 0,200.

b) 0,969.

c) 9,80.

d) 31,3.

e) 200.

10

Química

9. O lixo radioativo ou nuclear é resultado da manipulação de materiais radioativos, utilizados hoje na

agricultura, na indústria, na medicina, em pesquisas científicas, na produção de energia etc. Embora a

radioatividade se reduza com o tempo, o processo de decaimento radioativo de alguns materiais pode

levar milhões de anos.

Por isso, existe a necessidade de se fazer um descarte adequado e controlado de resíduos dessa

natureza. A taxa de decaimento radioativo é medida em termos de um tempo característico, chamado

meia-vida, que é o tempo necessário para que uma amostra perca metade de sua radioatividade

original. O gráfico seguinte representa a taxa de decaimento radioativo do rádio-226, elemento

químico pertencente à família dos metais alcalinos terrosos e que foi utilizado durante muito tempo

na medicina.

As informações fornecidas mostram que

a) quanto maior é a meia-vida de uma substância mais rápido ela se desintegra.

b) apenas 1

8de uma amostra de rádio-226 terá decaído ao final de 4.860 anos.

c) metade da quantidade original de rádio-226, ao final de 3.240 anos, ainda estará por decair.

d) restará menos de 1% de rádio-226 em qualquer amostra dessa substância após decorridas 3

meias-vidas.

e) a amostra de rádio-226 diminui a sua quantidade pela metade a cada intervalo de 1.620 anos

devido à desintegração radioativa.

10. No último dia 9 de agosto, o Japão lembrou os 71 anos do bombardeio de Nagasaki. Uma fusão nuclear consiste na união de dois núcleos atômicos, com grande liberação de energia. A seguir, apresentam-se representações de duas equações de fusão nuclear.

2 41 2

2 3 41 1 2

a H He energia

H H He b energia

+ → +

+ → + +

Assinale a alternativa que informa corretamente o que representam a e b, respectivamente:

a) Partícula alfa e nêutron.

b) Núcleo de deutério e nêutron.

c) Núcleo de hidrogênio e próton.

d) Núcleo de deutério e neutrino.

e) Nêutron e fóton.

11

Química

Gabarito

1. A 230 226 A

90 88 Z

A 4 4Z 2 2

Th Ra X energia

230 226 A

A 230 226 4

90 88 Z

Z 90 88

Z 2

X X (partícula alfa)α

→ + +

= +

= − =

= +

= −

=

=

2. D

8 dias 8 dias 8 dias 8 diasm m m mm

2 4 8 16

Tempo estimado 8 dias 4 32 dias

⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯→

= =

3. C

Início:

emissões beta15

min g

emissões beta15

min

emissões

1 g

n

emissões

30g

n 450 emissões beta min=

Final:

1

p p

1h 60 min

1min 60 h

emissões beta emissões beta6.750 6.750 112,5 emissões beta min

h 60 min

450 225 112,5

t 2 p

p 5.730 anos

t 2 5.730 anos

t 11.460 anos

−

=

=

= =

⎯⎯→ ⎯⎯→

=

=

=

=

4. C

A aplicação citada no texto se refere à radiação gama ( ).γ

5. E

Esse lixo é prejudicial, pois é composto, entre outros, por elementos químicos que possuem tempo de

meia-vida elevado e emitem radiação capaz de provocar danos à saúde dos seres vivos.

12

Química

6. A A determinação da idade de materiais pode ser feita a partir da medição da sua radioatividade devido à

presença do carbono-14.

Esta técnica pode ser aplicada a materiais com até 20.000 anos de idade e permite o cálculo da idade

de amostras que contenham carbono com um erro máximo de duzentos anos.

O carbono-14 é formado numa velocidade constante devido ao choque dos nêutrons presentes nos

raios cósmicos (raios provenientes de estrelas, inclusive do Sol) com o nitrogênio presente na atmosfera

superior ( )14 1 14 17 0 6 1N n C H .+ → + O carbono-14 produzido nesta transmutação reage com o gás oxigênio

da atmosfera formando gás carbônico.

O gás carbônico produzido será radioativo e se misturará com o gás carbônico não radioativo da

atmosfera pela ação dos ventos e sua concentração se manterá constante com o passar do tempo em

torno de uma molécula com carbono-14 radioativo para cada um trilhão 12(10 ) de moléculas não

radioativas. Tanto o gás carbônico radioativo como o não radioativo serão absorvidos pelas plantas e

passarão a fazer parte dos seus tecidos e de seus consumidores.

7. C

As reações em cadeia são iniciadas por nêutrons, por exemplo, um núcleo de urânio-235 pode

combinar-se com um nêutron e formar urânio-236, como esse núcleo é instável ele se divide em

partículas de número atômico próximo (novos núcleos) e libera mais nêutrons que podem se combinar

com novos átomos de urânio-236 e assim sucessivamente liberando assim uma quantidade gigantesca

de energia.

8. D

A partir da injeção de glicose marcada com esse nuclídeo, o tempo de aquisição de uma imagem de tomografia é cinco meias-vidas. Teremos:

20,4 min 20,4 min 20,4 min

20,4 min 20,4 min

31,25 mg31,3 mg

1,00 g 0,500 g 0,250 g 0,125 g

0,125 g 0,0625 g 0,03125 g

⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯→

⎯⎯⎯⎯⎯→ ⎯⎯⎯⎯⎯→

13

Química

9. E De acordo com o gráfico para ½ quilo de rádio-226 temos 1620 anos, que equivale à sua meia-vida, ou

seja, a amostra de rádio-226 diminui a sua quantidade pela metade a cada intervalo de 1.620 anos

devido à desintegração radioativa.

10. B

+ → +

+ = = =+ = =

+ → + +

+ = + = =+ = + =

x 2 4y 1 2

x 2 2y 1 1

2 3 4 t1 1 2 w

1tw 0

a H He energia

x 2 4 x 2 a H ou D (deutério ou hidrogênio pesado)

y 1 2 y 1

H H He b energia

2 3 4 t t 1 b n (nêutron)

1 1 2 w w 0