radioactividade - fq.ciberprof.com · descobrem que o hélio é um dos produtos da desintegração...

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RADIOACTIVIDADE

Marília Peres

2009

RADIOACTIVIDADE

Um pouco de históriaA RadioactividadeA origem dos elementosAplicaçõesAplicações

2Marília Peres

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UM POUCO DE HISTÓRIA

1895 RőNTGEN

Um pouco de história . . .

1895 - RőNTGENEm 1895 o professor alemão descobriuuma radiação, que designou por “RAIOSX”, enquanto estudava os efeitos de umadescarga eléctrica no interior deampolas de vidro onde o ar foraeliminado.Supôs que os raios X provinham dafluorescência que o vidro da ampolaadquiria sob a acção dos raios catódicosa que a descarga originava. 4Marília Peres

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1896 POINCARÉ


1896 – POINCARÉ

Relacionou a fluorescência

com a emissão de Raios X.

5Marília Peres


Especializado no estudo da

1896 – HENRI BECQUERELEspecializado no estudo dafluorescência, sujeitou à verificação aideia de Poincaré.Guardou numa gaveta cristais sobreuma chapa fotográfica, que estavaprotegida dentro de um invólucro.Mais tarde descobriu que a chapaapresentava a imagem dos cristais!Becquerel concluiu que os cristais deBecquerel concluiu que os cristais desulfato de urânio e potássio emitiamuma radiação capaz de actuar sobre amatéria mesmo sem ser necessárioexpô-los à luz do Sol para lhes excitar afluorescência.

Estava descoberta a RADIOACTIVIDADE. 6Marília Peres

4

Um pouco de história . . . 1896 – HENRI BECQUEREL

Becquerel serviu-se de um espectroscópio defolhas de ouro de tal modo isolado quepermitia que as suas folhas se mantivessemafastadas durante muito tempo. Abriu umajanela e tapou-a com alumínio. Posteriormente

t i t l d lf t d l d â iencontrou um cristal de sulfato duplo de urânioe potássio e verificou que as folhas descaiam.

Significava que as radiações emitidas pelo sal de urânioelectrizavam o ar.

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M i Skl d k


Marie Sklodoswka

Doutoramento em radiações

emitidas pelos sais de urânio

Nobel da Física – 1903Nobel da Física 1903

Nobel da Química – 1911

8Marília Peres

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Pierre Curie


Pierre Curie

Nobel da Física – 1903

Um dos físicos franceses mais notáveis da

segunda metade do séc. XIX.

Sobre ele escreveu Poincaré:

“...os fenómenos físicos tomavam um aspecto diferente quando eram apreciados através do seu espírito original e lúcido...”.

cit. in Carvalho(2)9Marília Peres

Um pouco de história . . . O casal Curie ligado por laços profundamentef ti i t t iafectivos e por interesses mentais comuns,

entregaram-se, à investigação científica.Sobre o trabalho de Becquerel, Marie Curie disse:“... Becquerel assegurou-se que estaspropriedades não dependem de umainsolação prévia e que persistem (...).Parece-nos extremamente atraente oestudo deste fenómenos e ainda maispor se tratar de um assuntocompletamente desconhe-cido, semqualquer bibliografia. Resolvi-me,portanto, a fazer um trabalho sobre estetema”.

cit. in Carvalho(2)

10Marília Peres

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Um pouco de história . . . Os trabalhos iniciais consistiram em avaliar a intensidadeda radiação emitida pelo urânio em condições variadasda radiação emitida pelo urânio em condições variadas.M. Curie concluiu que a intensidade da radiação éproporcional à quantidade de urânio presente.Concluiu também que se tratava de uma propriedadeatómica do urânio, isto é, que a intensidade da radiaçãoemitida só depende do facto do urânio estar presente. Eportanto dos seus próprios átomos.

Electroscópio com câmara de utilização utilizado por M.Curiefonte: Birch (10)

“Tornava-se necessário dar um nome a estapropriedade nova da matéria (...) propus onome de radioactividade.(...) Os elementosradioactivos receberam o nome deradioelementos.”

M.Curie, cit. in Carvalho(2)11Marília Peres


Laboratório instalado num velho barracão abandonado. Aqui ao utilizaruma porção de pechblenda, que continha uma certa percentagem deurânio. M. Curie descobriu que este minério descarregava oelectroscópio quatro vezes mais depressa do que seria de esperar.Uma nova descoberta!

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Um pouco de história . . . Após meses de trabalho árduo o casal Curied b hbl d lé d â idescobre que na pechblenda além de urânioexiste um outro elemento radioactivo.Numa comunicação em 1898 liam-se asseguintes palavras: “No caso de seconfirmar a existência deste novometal, propomos que se lhe dê onome de polónio, derivado donome do país de origem de um dePlaca original de quartzo piezo- p gnós.”

M.Curie, cit. in Carvalho(2)

g q peléctrico usado por M. Curie paramedir a radioactividadeFonte: Birch(10)

Em Dezembro de 1898 foi anunciada a segunda descoberta, a deum elemento mais radioactivo que os anteriores: o rádio.

13Marília Peres


Em 1900 depois de tratar mais de umatonelada de pechblenda os Curieconseguiram obter cristais de brometo derádio puros. Os cristais emitiam umaluminosidade pálida que os tornavamvisíveis na escuridão.Só em 1910 com a ajuda de AndréDebierne, isolaram o rádio.Por cada tonelada de urânio contido naElectroscópio com câmara de utilização pechblenda existiam três decigramas derádio!!

Electroscópio com câmara de utilização utilizado por M.CurieFonte: Birch(10)

“Pode mesmo pensar-se que o rádio se poderia tornar muito perigoso(...) Eu sou, um dos que acredita, do mesmo modo que Nobel , que ahumanidade aproveitará, das descobertas, mais o lado bom que omau.”

P.Curie, no discurso de entrega do prémio Nobel, 6 de Junho de 1905, cit. in Birch(10)14Marília Peres

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1899 – André Debierne descobre um novo elemento radioactivo -o actínio.1904 – Armet de Lisle, fundou a primeira fábrica com o fim defornecer aos médicos o rádio necessário para o tratamento detumores.O interesse pelas aplicações médicas do rádio provocaraminteresse em todo o mundo à procura de minérios radioactivos e

i t l ã d fáb i t ã d l l tna instalação de fábricas para a extracção daquele elemento.Portugal teve na altura grande desenvolvimento nessa área.Possuíamos urânio na Beira Alta e na Beira Baixa. As minas maisimportantes foram as dos Rosmaninhal (no concelho de Sabugal)e as de Urgeiriça (no concelho de Nelas).

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1902 Ernest Rutherford e


Ernest Rutherford e Frédérick Soddy

A descoberta dos raios alfa e dosraios beta conduziram estes doiscientistas à hipótese de que osátomos não são partículassimples, mas conjuntos com-plexos de corpúsculos.

Villard, físico francês descobre um terceiro tipo de radiação emitido pelassubstâncias radioactivas – a radiação gama. Ao contrário das anteriores estapartícula não é electrizada – é uma espécie de luz.

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Frédérick Soddy e Willidm Ramsay


y yDescobrem que o hélio é um dos produtos da desintegraçãoradioactiva.

Rutherford (em 1909)Descobre que são as partículas alfa que dão origem aos átomos dehélio

Sabendo que cada átomo de rádio emite uma partícula alfa e que estapor sua vez dá origem a um átomo de hélio. Contando o número departículas alfa e conhecendo o volume de hélio pode-se saber quantosátomos de hélio existem num certo volume de gás!

hélio.

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Um pouco de história . . . Ernest Rutherford e Boltwood

C i i l á i l t di ti AConseguiram isolar vários elementos radioactivos. Apenasassinalaram outros, visto que estes estavam constantemente atransformar-se (os de transformação mais rápida).

Concluíram que nem todos os radioelementos emitemsimultaneamente as radiações alfa , beta e gama.

Concluíram que os elementos radioactivos têm períodos detransformação de diferentes tempos (o do urânio é de 4500milhões de anos e o do polónio é de 140 dias) e que oselementos se vão transformando em outros mais estáveis,sendo o chumbo, o termo final para a série urânio-rádio. 18Marília Peres

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Ernest Rutherford, Geiger e Marsden - 1911

Bombardearam, com partículas α, folhas de metais. As partículas α sofriam deflexões

Descobriram o núcleo“Uma pequena zona densa e central do átomocom carga positiva”.

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A Fig ra representa m fei e de raios Experiência de Rutherford

A Figura representa um feixe de raios alfa, que se dirige para a lamina metálica. A1 e A2 são átomos dessa lamina. Pode observar-se que: ou as partículas (como α2) atravessam o intervalo entre os átomos e nada sofrem;ou (como α3 e α4) passará perto dos núcleos dos átomos e são desviados da direcção que seguiam embora continuem a avançar; ou (como α1) vão direitas ao núcleo atómico e são obrigadas a recuar.

Font

e: C

arva

lho

(2)

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1928 - George Gamow


1928 - George GamowExplica o decaimento α.

1932 - James ChadwickIdentifica o neutrão.Nobel da Física – 1935.

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Um pouco de história . . . 1932 - Primeira desintegração artificial com partículas aceleradaspartículas aceleradas.

1934 - Irène e Frédéric Joilot-Curie - Os primeiros elementos radioactivos artificiais.

1934 - Enrico Fermi - Reacções Nucleares 1934 - Enrico Fermi - Reacções Nucleares por bombardeamento de neutrões.Produziu novos elementos radioactivos –Transuranianos - Teoria do decaimento βNobel da Física - 1938

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Um pouco de história . . . 1935 - Hideki Yukawa – propõe a hipótese de existirem mesões no núcleoexistirem mesões no núcleo.

1936 - Niels Bohr - Verifica que ao bombardear um núcleo com partículas, só volta a adquirir estabilidade depois de emitir radiações alfa, beta e gama.

1938 - Otto Hahn e Fritz StrassmanConseguem a Cisão do urânio a partir do bombardeamento de neutrões.

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1938 Lise Meitner e Otto Frisch Explicaram a Cisão do Urânio como sendo umprocesso espontâneo, ou induzido porbombardeamento de neutrões.

1938 - Hans Bethe1938 Hans BetheDefende que a obtenção da energia das estrelas de obtêm por cisãode núcleos leves.

1940 - Glenn SeaborgObtém os primeiros transurianos: o neptúnio e o plutónio. 24Marília Peres

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1942 Enrico Fermi Consegue a primeira reacção em cadeia1942 - Enrico Fermi – Consegue a primeira reacção em cadeiado urânio.

1945 - Robert Oppenheimer – Um dos responsáveis pelabomba atómica.

1947 - Cecil Powell – Consegue identificar mesões.

1964 – Gell-Mann – Identifica pela primeira vez os QUARKS!

25Marília Peres

A RADIOACTIVIDADE

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A Radioactividade

Desde os tempos mais remotos, filósofos ecientistas têm estado interessados nos blocoselementares do nosso universo. Foram osgregos os primeiros a sugerir que toda a matériafosse feita a partir de blocos indivisíveis – osátomos. fonte:qmcweb(9)

Entretanto, foi somente no século XX que a ideia de um átomo divisível,isto é, uma partícula elementar que, por sua vez, é formada por outraspartículas elementares, passou a ocupar a mente dos cientistas.

27Marília Peres

A RadioactividadeExperiências clássicas (Thomsom, R theford Chad ick Bohr) tentaram Rutheford, Chadwick, Bohr) tentaram compreender a estrutura deste átomo: Seria algo formado por um grande espaço vazio, ocupado por minúsculos electrões, que permanecem em prováveis regiões permanecem em prováveis regiões nas proximidades do núcleo - um pequeno e massivo conjunto de protões e neutrões, mais de 100.000 vezes menor do que o átomo ao qual pertence.

fonte:qmcweb(9)

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A RadioactividadeQue pensam os físicos de hoje?H j h á i t d tí lHoje conhecem-se várias centenas de partículas,elementares ou não. Visitemos as famílias das partículaselementares.

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A Radioactividade

A CADA UM DOS FERMIÕES É NECESSÁRIO ACRESCENTAR A SUA ANTIPARTÍCULA.

Fotão

Interacção electromagnética

8 Gluões

Interacção forteBosões intermédios W+, W- e Zo

Interacção fraca

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AS QUATRO INTERACÇÕES

A Radioactividade

Nuclear ForteMantém a estabilidade do núcleo, unindo os protões e os neutrões

ElectromagnéticaPermite que os electrões circulem à volta do núcleo. Faz com que as cargas do mesmo sinal se repilam e de sinal contrário se atraiam.

fonte:Silva(7)

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AS QUATRO INTERACÇÕES

A Radioactividade

GravidadeResponsável pela atracção entre o Sol e os planetas ou outros quaisquer 2 corpos com massa.

Nuclear FracaFaz com que exista reactividade natural; transforma os electrões celibatários num par protão-electrão (mais um neutrino).

fonte:Silva(7)

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O Núcleo Instável

neutrãoneutrão

ãã

Tanto os protões como os neutrões são, por sua vez, formadospor outras sub-partículas: os quarks.Cada protão ou neutrão é formado por 3 quarks.A energia que mantém todas esta partículas e sub-partículasunidas é muito grande, e pode ser aproveitada.

protãoprotão

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O Núcleo InstávelO núcleo possui carga positiva devido à carga dos

tõ já t õ ãprotões, já que os neutrões não possuem carga.

O número de protões e, consequentemente, a cargado núcleo, são característica fundamental do átomo: oque identifica um elemento é justamente o número deprotões (Z) do seu núcleo – o número atómico.

Embora o número de protões seja sempre o mesmo, onúmero de neutrões pode diferir em átomos de umpmesmo elemento, originando átomos com massasatómicas (A) ligeiramente diferentes.

Dois átomos com o mesmo Z, mas com diferente A,são isótopos.

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A RadioactividadeAlguns isótopos são muito estáveis: a combinação adequada

t t õ tõ f i t bilid dentre neutrões e protões parece conferir sua estabilidade.

Outros, entretanto, possuem núcleos particularmenteinstáveis: os núcleos desintegram-se espontaneamente,por vários processos, resultando na emissão de radiação,sob a forma de partículas e/ou energia.

Um determinado isótopo do Rádio (A=226; Z=88) porUm determinado isótopo do Rádio (A=226; Z=88), porexemplo, pode sofrer um decaimento espontâneo para outroelemento (Radão A=222; Z=86), libertando partículas alfa(núcleos de Hélio).

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A RadioactividadeComo se manifesta a radioactividade do Rádio:

Impressiona as emulsões fotográficas;Torna, em seu redor, o ar bom condutor daelectricidade;Excita a luminescência de certas substâncias;Emite espontaneamente calor, mantendo-se a umaEmite espontaneamente calor, mantendo se a umatemperatura mais elevada do que a do meio ambiente;É luminoso na escuridão;Tem acção destrutiva sobre os tecidos animais.

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Alfa , Beta e Gama

As acções provocadas pelas substâncias radioactivas são, de factoç p p ,devidas às radiações que emitem.

Verificou-se que por exemplo o rádio emitia as três tipos deradiações a que se deu o nome de alfa, beta e gama.

fonte: Birch (10)37Marília Peres

Alfa , Beta e Gama

Os raios beta são, na verdade, electrões - uma partículanegativa, com uma massa 1/1837 vezes menor que a doprotão É representa pela letra β

As partículas alfa contém dois protões e dois neutrões, talcomo o núcleo do átomo de Hélio. Por isso, podem serrepresentadas pela designação 4He2+, além do símbolo α.

protão. É representa pela letra β.

A radiação gama (γ), tal com os raios - X, são formas daradiação eletromagnética, que é uma forma de energiaquantizada em "pacotes" chamados fotões.

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A Radioactividade

Fonte:Birch (10)

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A RadioactividadeComo se subdivide a radiação nuclear por efeito de um campo magnético

Invólucro de Chumbo Raios Gama

Raios Beta

p g

Fonte: Repossi (11)

Substância Radioactiva Raios Alfa

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As Famílias RadioactivasComo já foi referido o Rádio – 226 origina um novo elemento – oRadão-222 e uma partícula alfa, que podemos representarp , q p pesquematicamente por:226Ra 224Rn + 4HeDesintegrações sucessivas do rádio poderão originar átomos demassa 206 u.Por sua vez o rádio já resulta de desintegrações sucessivas em que

i i é â io primeiro é o urânio.Estamos perante uma família de substâncias radioactivas (ou série).Existem outras famílias radioactivas além da do urânio, como porexemplo a família radioactiva do Tório (232u), que termina emátomo de massa 208u.

41Marília Peres

Decaimento do Urânio-238Na figura ao lado, representa-

se toda a série de decaimento di ti d U â i 238 radioactivo do Urânio-238.

Cada emissão ALFA corresponde a uma diminuição

de 4 unidades no número de massa atómica e de 2

unidades no número atómico, pois a partícula alfa é o 4He2+.

Uma emissão BETA não provoca alteração no número p ç

de massa, uma vez que um neutrão se transforma em um protão: com um consequente

aumento do número atómico. O processo culmina com a

emissão de electrões - as partículas beta

fonte:qmcweb(9)

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Semivida das Substâncias RadioactivasA transformação de umasubstância radioactiva na quese lhe segue, na respectivafamília, decorre num ritmo tãocerto que pode servir paracaracterizar a substância.Assim, o período desemidesintegração, ou desemivida é característica dasvárias espécies radioactivas, eé o tempo necessário paraque a massa (m) de umaamostra se reduza a metade(m/2) por efeito da suadesintegração.

Gráfico do declínio de uma substância radioactiva. Fonte: Carvalho (1)

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Reacções Reacções

A Radioactividade

químicasç

nucleares

Os núcleos dos átomos não são alterados.

Os núcleos dos átomos são alterados.

Os elementos químicos mantêm-se.

Há transformação de uns elementos noutros diferentes.

Outra diferença importante ! A energia posta em jogo nas reacções nucleares é milhões de vezes superior à que é posta em jogo na reacções químicas.44Marília Peres

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Reacções Químicas vs Reacções Nucleares

A Radioactividadeç ç

Formação do hidreto de lítio a partir do lítio e do hidrogénio

Produção de hélio-4 a partir do lítio-7 quando este é bombardeado com protões acelerados.

fonte:Mendonça(6)

Li(g) + 1/2H2(g) LiH(s) + Energia

Energia = 1,3x104J/g de Li consumido.

Não há alterações dos elementos envolvido são sempre H e Li.

Litio-7 + protão 2 Hélio-4 + Energia

Energia = 2,4x1011J/g de Li consumido

A energia é cerca de dez milhões de vezes superior! 45Marília Peres

As Reacções Nucleares

Reacçõesnucleares

fusão nuclear fissão nuclear

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As Reacções NuclearesNa escrita das equações correspondentes às reacçõesq ç p çnucleares deve-se ter em conta:

a lei da conservação do número de nucleões – a soma dosnúmeros de massa deve ser igual nos dois membros daequação.

a conservação da carga total – a soma dos números atómicosdeve ser igual nos dois membros da equação.

EnergiaHepLi +→+ 42

11

73 2

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O que é a Fusão Nuclear?É uma reacção em que pequenos núcleos atómicos se juntam para produzir núcleos atómicos

Protão

Neutrão

Positrão

atómicos maiores e mais estáveis, com uma grande libertação de energia.

fonte: Simões(8) 48Marília Peres

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O que é a Fusão Nuclear?

A síntese dos elementos é um processo de fusãoA síntese dos elementos é um processo de fusãonuclear que requer temperaturas da ordem de 107 a108 K.

O Universo comporta-se como uma centralprodutora de energia à custa das reacçõesnucleares de fusãonucleares de fusão.

Nas centrais nucleares que existem na Terra aindanão se consegue obter energia por fusão nuclear,gerando-se energia por fissão nuclear.

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O que é a Fissão Nuclear?É uma reacção em que se bombardeiam os núcleos de átomos “pesados”com neutrões.

Obtêm-se como resultados dois fragmentos de massa semelhantes eemissão de neutrões.

Estes por sua vez voltam a bombardear outros núcleos, produzindo-seassim uma reacção em cadeia. 50Marília Peres

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Nas Centrais Nucleares . . .Utilizam-se átomos de urânio enriquecido (urânio -235)235).

Este ao ser bombardeado com neutrões divide-seem dois fragmentos, libertando-se uma grandequantidade de energia e um ou mais neutrões.

fonte: Simões(8)51Marília Peres

Diagrama de Fluxo de um Reactor Nuclearfon

te: S

imõe

s(8)

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APLICAÇÕES

Datação Radioactiva

A técnica de datação radioactivaçtem por base a desintegração denúcleos de elementos radio-activos.O 14C é um dos isótoposradioactivos mais usados pelosarqueólogos para determinar aidade de pinturas rupestres,múmias, etc...

font

e: S

ilva(

7)

Foi em 1946 que Libby previu a natureza radioactiva do 14C, quandoprocurou interpretar os efeitos das reacções dos raios cósmicos coma atmosfera terrestre.O 14C é produzido, nas altas camadas da atmosfera, a partir dobombardeamento de átomos de azoto por neutrões provenientes deraios cósmicos. 54Marília Peres

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Datação Radioactiva

Os átomos de 14C vão-se combinando com ooxigénio formando o 14CO2, que por sua vez semistura com o 12CO2 e vai sendo absorvidopelas plantas.Durante o tempo que o ser é vivo aconcentração do carbono radioactivo mantém-se constante e igual à da atmosfera.Quando morre, deixa de receber 14C e a sua

font

e: M

acie

l(5)

concentração vai diminuindo, pois este vaisofrendo um decaimento radioactivo (sendo t1/2= 5730 anos).Medindo a quantidade de 14C existente emquaisquer vestígios de restos mortais é possíveldeterminar há quanto tempo morreu oorganismo.

55Marília Peres

Técnicas Auxiliares de Diagnóstico

Além da velha conhecida técnica deraios X é possível hoje utilizar outrastécnicas que envolvem menos riscos epermitam obter imagens que não eramvisíveis na técnica mais antiga.A CT – tomografia computorizada(sendo a TAC a mais vulgar) permiteobter imagens a 3 dimensões,

iti d d t ã d lid d

font

e: M

acie

l(5)

Imagem do cérebro humano permitindo a detecção de anormalidadessem o recurso a isótopos radioactivos.

A MRI - imagem por ressonância magnética usa a informação sobre aposição de protões para construir uma imagemA PET – tomografia por emissão de positrões – combina a tomografiae os isótopos radioactivos.

gobtida por MRI

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Aplicações

Tratamento do Cancro:Tratamento do Cancro:Bombardeando tecidos cancerosos com radiações, as células podemser selectivamente eliminadas. Utilizou-se durante muito tempo o 60Co.Hoje utilizam-se isótopos radioactivos como 198AU na regiãocancerosa.

Conservação de Alimentos:çDeterminadas doses de radiação podem eliminar as bactérias dosalimentos, embora se argumente contra, por se considerar que aradiação pode alterar o próprio alimento.

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Aplicações

fonte: Maciel(5)

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AplicaçõesAplicações

As aplicações tecnológicas da energia nuclear são imensas, têm os seusp ç g griscos, mas podem trazer grandes benefícios. Tudo depende dahumanidade.

“Pode mesmo pensar-se que o rádio se poderia tornar muito perigoso (...)

Eu sou, um dos que acredita, do mesmo modo que Nobel , que a humanidade q N l , q

aproveitará, das descobertas, mais o lado bom que o mau.”

P.Curie, no discurso de entrega do prémio Nobel, 6 de Junho de 1905- cit. In Carvalho(2)

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19851985.2. Carvalho, R., História da Radioactividade, Atlântida Editora,

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Editora, Porto, 2003.6. Mendonça, L., Dantas, C., Ramalho, M., Jogo de Partículas –

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– Química A – 10.º ano, Plátano Editora, Lisboa, 2003.60

Marília Peres

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10. Birch, B., Marie Curie, Editora Replicação, Lisboa, 1990.11. Repossi, G., A Química, Círculo de Leitores, Lisboa, 1977.12. Cabral J. M., Química e Pré-história: datação pelo

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