radioatividade

Química: Radioatividade

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RADIOATIVIDADE A maioria das transformações químicas envolve, apenas, a eletrosfera dos átomos, conservando-se inalterada a estrutura nuclear. As transformações que se verificam, natural ou artificialmente no núcleo do átomo, constituem as reações nucleares. Tais reações desprendem quantidades de energia milhões de vezes superiores às reações químicas normais. O uso adequado da química nuclear traz inúmeros benefícios, porém, seu uso de forma desordenada ou irresponsável pode acarretar problemas ao meio ambiente e aos seres vivos, de forma irreversível. A descoberta da radiatividade foi um dos acontecimentos mais importantes no processo que culminou no desenvolvimento da estrutura atômica. Em 1896, o francês Antonie Henri Becquerel observou que o urânio emitia raios de grande poder de penetração, capazes de sensibilizar filmes fotográficos, mesmo lacrados. Essa propriedade que certos materiais têm de emitir raios espontaneamente foi chamada de radiatividade ou radioatividade. Assim, radioatividade é o fenômeno pelo qual um núcleo instável emite espontaneamente determinadas entidades (partículas e ondas), genericamente chamadas de radiações, transformando-se em outro núcleo mais estável.

TIPOS DE RADIAÇÕES NATURAIS As radiações emitidas por núcleos de materiais radioativos são: raios alfa (α), raios beta (β) e raios gama (γ). Essas radiações têm comportamento distinto ao atravessar um campo elétrico no vácuo ou a matéria. Veja a Figura 1.

Figura 1: Comportamento das radiações num campo elétrico.

ββββ γγγγ αααα

Principais características das radiações alfa, beta e gama:

� Radiação Alfa ( α42 ou +242 He ):

- são partículas positivas, apresentando carga +2 e massa 4 (núcleo de hélio).

- Apresenta velocidade de 20.000 Km/s e percorre 2,5 cm no ar.

- Atravessa lâminas de 0,0001mm de alumínio ou ouro. - Barrada por uma folha de papel. - Não atravessa a pele, mas apesar disso pode causar

câncer em partes sensíveis do corpo, como olhos, etc.

� Radiação Beta ( β01− ):

- são partículas negativas, apresentando carga –1 e massa 0.

- Formada da desintegração de um nêutron. - Apresenta velocidade próxima à da luz e percorre metros

no ar. - Atravessa lâminas de 2 mm de chumbo ou de 5 mm de

alumínio. - Barrada por uma placa de madeira de 2,5 cm. - Atravessa a pele, e pode penetrar até 2,5 cm no corpo

humano.

� Radiação Gama ( γ00 ):

- por serem ondas eletromagnéticas, apresentam carga nula e comprimento de onda que varia de 0,5 a 0,005Å.

- Acompanha as radiações alfa e beta. - Apresentam velocidade da luz (300.000 Km/s) e percorre

quilômetros no ar. - Atravessa chapas de aço de 15 cm. - Barrada por grossas placas de chumbo (5 cm) e grossas

paredes de concreto (10 cm).

Fatores químicos, estados físicos, pressão e temperatura NÃO INFLUEM na radiatividade de um elemento. Isso porque ela não depende da nuvem eletrônica do átomo, mas apenas do fato de seu núcleo ser instável.

CONCEITOS IMPORTANTES Elementos radioativos: um elemento químico é considerado radioativo, somente, quando seu isótopo mais abundante for radioativo. Nuclídeo: é o nome dado a um núcleo caracterizado por um número atômico e um número de massa. Radionuclídeo ou radioisótopo: é um nuclídeo emissor de radiação, ou seja, um átomo radioativo. Transmutação nuclear: é a transformação de um nuclídeo em outro, pode ser natural (radioatividade natural) ou artificial (fusão ou fissão) provocada pelo bombardeamento com uma partícula.

PODER DE IONIZAÇÃO As partículas α e β e os raios γ possuem a propriedade de ionizar as moléculas que encontram em seu caminho, isto é, arrancar elétrons, originando íons. Ao atravessar tecidos biológicos, as partículas radioativas provocam a ionização de moléculas existentes nas células. Essa ionização pode conduzir a reações químicas anormais e à destruição da célula ou alteração de suas funções. Isso é particularmente preocupante no caso de lesões no material genético, o que pode causar uma reprodução celular descontrolada, provocando o câncer. As radiações α são as que apresentam o maior poder de ionização e os raios γ possuem menor poder de ionização, mas apesar disso os raios γ são geralmente os mais perigosos em virtude de seu elevado poder de penetração.

LEIS DA RADIOATIVIDADE LEI DE SODDY: “Ao emitir uma partícula alfa, o nuclídeo tem o seu número atômico (Z) diminuído em duas unidades, e o seu número de massa (A) diminuído em quatro unidades.”

Material Radioativo


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X U 23490

23892 →α

LEI DE SODDY-FAJANS: “Ao emitir uma partícula beta, o nuclídeo tem o seu número atômico aumentado em uma unidade, e o seu número de massa permanece inalterado”.

X U 23893

23892 →β

CINÉTICA RADIOATIVA A radioatividade é um fenômeno estatístico. Isso significa que não é possível prever quanto tempo determinado átomo levará para se desintegrar emitindo partículas α ou β, mas é possível determinar quanto tempo uma amostra desses átomos levará para se desintegrar.

Período de semidesintegração ou tempo de meia-vida Seja uma amostra com n0 átomos radioativos iniciais. Após

certo tempo, teremos a metade

20n átomos não-

desintegrados. Definiremos esse tempo como período de semidesintegração ou tempo de meia-vida, e representaremos por “ 21t ”.

Note que o tempo, para que sejam desintegrados 50% dos átomos da amostra, independe do número global de átomos iniciais, pois quanto mais átomos, maior será a velocidade de desintegração. Se continuarmos observando a amostra inicial, é de se prever que, após mais um período igual ao anterior, teremos uma desintegração de mais de 50% dos átomos restantes. Isto quer dizer que, em relação ao n0, teremos como átomos

restantes apenas 40n

. Após mais um período, teremos

apenas 8

0n

átomos, e assim sucessivamente.

Na prática, um átomo que produziu uma emissão continuará junto aos outros átomos. Por questão de simplificação didática vamos, teoricamente, considerar excluídos da amostra os átomos que já produziram emissões. Daí, na figura, aparecem as amostras com uma diminuição gradativa de átomos no decorrer dos períodos, pois estamos englobando apenas os átomos que ainda não produziram emissões. Para cada período “ 21t ” que passa, teremos uma diminuição

de 50% da amostra, que continuamente, vai diminuindo, até chegar a uma quantidade muito pequena, para a qual não valem mais as previsões probabilísticas. Passados “x” períodos, teremos genericamente “n” átomos restantes na amostra. Note que, se considerarmos os números de átomos na amostra em intervalos de um período, esses números constituirão uma progressão geométrica (P.G.) de razão ½. O primeiro termo da P.G. é o “n0” e o último termo é o “n”.

x

nn

⋅=2

10 ou

x

nn

20=

Observação “n” pode representar também a massa final de uma amostra radioativa. Pode-se relacionar o número de períodos com o tempo observado:

Período ------------------- tempo 1 ------------------- 21t de onde t = x 21t

x ------------------- t “ 21t ” é o tempo correspondente a um período expresso em

anos, dias, horas etc. “x” é o número de períodos transcorridos. “t” é o tempo de observação na mesma unidade de “ 21t ”.

As duas fórmulas utilizadas para a resolução de problemas

são: x

nn

20=

21txt ⋅=

Exemplo: Certa amostra radioativa produz 8000 emissões por minuto. Após 60 horas, constata-se que o número de emissões acusadas num contador Geiger cai para 250 por minuto. Qual é o período de semidesintegração dessa amostra?

Resolução:

Como: 322250

80002 0 ==== xx

n

n

Logo: x = 5

Então: horastx

tt 12

5

602121 =∴==

Resposta: 12 horas

PRINCIPAIS EFEITOS DAS RADIAÇÕES SOBRE OS TECIDOS BIOLÓGICOS

A radiação ionizante causa efeitos danosos nos seres humanos, como queimaduras, câncer, defeitos genéticos em gerações futuras, morte. Os efeitos da radiação no organismo podem ser divididos em duas classes: efeitos somáticos e hereditários. Os efeitos hereditários ou genéticos surgem somente no descendente da pessoa irradiada. Resultam do dano causado pela radiação em células dos órgãos reprodutores. Têm caráter cumulativo. Os efeitos somáticos resultam de danos nas células do corpo e aparecem na própria pessoa irradiada. Esses efeitos dependem da dose total absorvida, do intervalo de tempo em que a radiação foi absorvida, da região e área do corpo. Quando toda a dose é recebida num pequeno intervalo de tempo, a exposição é aguda. Temos exposição crônica quando a dose é recebida pouco a pouco, durante anos. Assim, se o corpo inteiro receber 700 rads de uma só vez, sofrerá um efeito fatal. Se a mesma dose for recebida em 30 anos, não haverá efeito aparente. Os tecidos mais sensíveis são os da medula óssea, o tecido linfóide, os dos órgãos genitais, os do sistema gastrointestinal. A pele e os pulmões apresentam sensibilidade média. Os músculos e os ossos plenamente desenvolvidos são os menos sensíveis.

Efeitos imediatos são aqueles que ocorrem num período de poucas horas até umas poucas semanas após uma exposição aguda. Exemplos: náusea, vômito, depilação, perda de apetite, indisposição, garganta dolorida, diarréia, emagrecimento, morte. Efeitos retardados ou tardios somente aparecem depois de anos ou décadas. Exemplos: úlcera, câncer, catarata, anemia, leucemia, esterilidade, envelhecimento precoce.A radiação ionizante causa efeitos danosos nos seres humanos, como queimaduras, câncer, defeitos genéticos em gerações futuras, morte.

O estudo dos efeitos da radiação vem sendo feito em pessoas:

a) expostas à radiação em tratamentos médicos (radioterapia);

b) que sofreram acidentes com radiações (ex.: acidente nuclear de Goiânia, Chernobyl etc);

c) sobreviventes das bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki.

A radiação atua de forma diferente, dependendo do tipo de célula.

Figura 2: Efeitos das Radiações sobre os tecidos biológicos


Efeitos imediatos são aqueles que ocorrem num período de poucas horas até umas poucas semanas após uma exposição aguda. Exemplos: náusea, vômito, depilação, perda de apetite, indisposição, garganta dolorida, diarréia,

Efeitos retardados ou tardios somente aparecem depois de anos ou décadas. Exemplos: úlcera, câncer, catarata, anemia, leucemia, esterilidade, envelhecimento precoce. A radiação ionizante causa efeitos danosos nos seres

ueimaduras, câncer, defeitos genéticos em

O estudo dos efeitos da radiação vem sendo feito em

expostas à radiação em tratamentos médicos

que sofreram acidentes com radiações (ex.: acidente nia, Chernobyl etc);

sobreviventes das bombas atômicas de Hiroshima e

A radiação atua de forma diferente, dependendo do tipo de

Efeitos das Radiações sobre os tecidos biológicos.

ímica: Radioatividade

Lei de Bergonie e Tribondeau A sensibilidade das células à radiação é diretamente proporcional à sua atividade reprodutora e inversamente proporcional ao seu grau de especialização.Exemplos: a) As células cancerosas, que se dividem rapidamente e não

são especializadas, são bastante (base da radioterapia).

b) As células nervosas, que se dividem mais lentamente e são altamente especializadas, são mais resistentes à radiação.

c) As crianças são especialmente vulneráveis à radiação, e são mais susceptíveis antes do nascimefase suas células se multiplicam rapidamente.

EFEITOS DA RADIAÇÃO1) Absorção de 0 a 25 rem – nada se observa.2) Absorção de 25 a 50 rem –

glóbulos brancos. 3) Absorção de 100 a 200 rem

drástica do número de glóbulos brancos.4) Absorção de 500 rem – 50% de probabilidade de morte

dentro de 30 dias.

O corpo humano é insensível à radiação ionizante. O corpo humano não tem um reflexo condicionado para tirar a mão de perto de uma fonte de radiações ionizanuma fonte de calor. A diferença básica entre as radiações nucleares e as radiações mais comumente encontradas, como o calor, a luz visível, é que as primeiras têm energia suficiente para causar ionização. Nas células, a ionização pode condmoleculares e à formação de espécies químicas de um tipo tal que são danosas para a célula.O alvo mais vulnerável à radiação nuclear é o homem, e os efeitos da radiação no corpo humano são resultado dos danos em células individuais. As rA) inibição da divisão celular; B) deterioração das funções da célula;C) alterações na estrutura genética das células reprodutoras,D) morte das células.

Doses de 700 rads são fatais. Metade das pessoas expostas a 450 rads morrerão. Doses até 50 rads não causam nem sinais imediatos de doença nos seres humanos. Metade de uma população de baratas sobrevive a uma dose de 100.000 rads. Coelhos e ratos podem receber 2 vezes mais radiações que os seres humanos. Normalmente um indivíduo recebe 200de 30% são provenientes dos raios cósmicos (radiações que vêm do espaço); 20% vêm do corpos. Os outros 50% são provenientes de radiografias, alimentos e do radônio. O radônio é um exala do solo proveniente do decaimento de minerais contendo urânio. Íons de potássio ocorrem no fluido que existe dentro da célula. Estão envolvidos na transmissão dos impulsos elétricos nas células. O 40K é um natureza com 0,012% entre os isótopos do potássio.

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sensibilidade das células à radiação é diretamente proporcional à sua atividade reprodutora e inversamente proporcional ao seu grau de especialização.

As células cancerosas, que se dividem rapidamente e não são especializadas, são bastante sensíveis à radiação

As células nervosas, que se dividem mais lentamente e são altamente especializadas, são mais resistentes à

As crianças são especialmente vulneráveis à radiação, e são mais susceptíveis antes do nascimento, pois nessa fase suas células se multiplicam rapidamente.

EFEITOS DA RADIAÇÃO nada se observa.

– diminuição do número de

Absorção de 100 a 200 rem – náuseas; diminuição número de glóbulos brancos.

50% de probabilidade de morte

O corpo humano é insensível à radiação ionizante. O corpo humano não tem um reflexo condicionado para tirar a mão de perto de uma fonte de radiações ionizantes, como tem de

A diferença básica entre as radiações nucleares e as radiações mais comumente encontradas, como o calor, a luz visível, é que as primeiras têm energia suficiente para causar

Nas células, a ionização pode conduzir a alterações moleculares e à formação de espécies químicas de um tipo tal que são danosas para a célula. O alvo mais vulnerável à radiação nuclear é o homem, e os efeitos da radiação no corpo humano são resultado dos

s radiações podem provocar:

deterioração das funções da célula; alterações na estrutura genética das células reprodutoras,

Doses de 700 rads são fatais. Metade das pessoas expostas até 50 rads não causam nem

sinais imediatos de doença nos seres humanos. Metade de uma população de baratas sobrevive a uma dose de 100.000 rads. Coelhos e ratos podem receber 2 vezes mais radiações

Normalmente um indivíduo recebe 200 mrem por ano. Cerca de 30% são provenientes dos raios cósmicos (radiações que vêm do espaço); 20% vêm do 40K radioativo em nossos corpos. Os outros 50% são provenientes de radiografias, alimentos e do radônio. O radônio é um alfa emissor que

proveniente do decaimento de minerais

Íons de potássio ocorrem no fluido que existe dentro da célula. Estão envolvidos na transmissão dos impulsos

K é um beta emissor e aparece na ótopos do potássio.


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Nota: As radiações, além de provocar destruição das células, queimaduras, etc., podem também causar defeitos genéticos

e, com isso, determinar mutações nos descendentes.

APLICAÇÕES DAS RADIAÇÕES IONIZANTES Os principais usos da radioatividade se dão na medicina (na identificação e tratamento de várias doenças, como cânceres), na agricultura (devido ao seu alto poder bactericida e germicida, além de ser usado também como traçador), na indústria (para detectar trincas e corrosões em lâminas e peças metálicas) e na arqueologia (na datação de fósseis). Em 1895, o físico alemão Wihelm Konrad Röentgen (1845-1923), que descobriu os raios-X, logo percebeu que eles poderiam ser usados para revelar o interior do corpo sem a necessidade de um processo invasivo (cirúrgico). Röentgen estava certo: a utilidade dos raios-X no diagnóstico de luxações, fraturas ósseas, artroses, pneumonias, bronquites, presença de corpos estranhos, como cálculos biliares ou renais, tumores de mama e no tratamento dentário para verificar a extensão de uma cárie ou para orientar um tratamento de canal, é inquestionável. Atualmente há ainda outras formas de diagnóstico por imagem – que utilizam outros tipos de radiação – que oferecem uma visão esclarecedora da situação do órgão investigado, permitindo inclusive o rastreamento de tumores, da circulação do sangue, e o acompanhamento do funcionamento de órgãos, como coração e rins. Todos esses procedimentos, em geral, são relativamente rápidos e indolores e, feitos da maneira correta, não oferecem risco à saúde do paciente. Dentre essas principais técnicas destacam-se: � Radiografia convencional. � Radiografia com contraste. � Mamografia. � Ultra-sonografia. � Tomografia computadorizada. � Ressonância magnética. � Cintilografia.

Os radioisótopos apresentam 3 utilidades básicas: podem ser usados como traçadores, como fontes de radiação para fotografias e como fonte de radiação direta. Como traçadores, os radioisótopos podem ser comparados a pequenas emissoras de rádio, que enviam sinais que podem ser rastreados por certos dispositivos. Marcando uma partícula de material com um radioisótopo, é possível seguir seus movimentos, seja em metais, fluidos, ou no corpo humano. Como os raios γ são muito penetrantes, é possível fotografar objetos. A gamagrafia é muito usada no controle de qualidade, na indústria, por exemplo, no controle de solda, peças de fundição etc. Alguns radioisótopos são utilizados como fontes de irradiação, quando controlados e concentrados sobre determinado alvo. Esse tipo de aplicação de radioisótopos se evidencia na radioterapia, que tem por objetivo destruir o tumor, conservando a possibilidade de cicatrização dos tecidos sãos, vizinhos ao tumor maligno.

As aplicações de radioisótopos estão bastante difundidas. Poderíamos citar, ainda: preservação de alimentos, determinação da idade de rochas e fósseis, geração de energia nos reatores nucleares etc. Uma das aplicações nobres da energia nuclear é a síntese de radioisótopos que são aplicados na medicina, no diagnóstico e tratamento de doenças. O Brasil é um país que se destaca na pesquisa e fabricação desses radioisótopos. O fósforo-32 ( P32

15 ), por exemplo, é utilizado na medicina nuclear para

tratamento de problemas vasculares. Como citado os elementos radiativos têm muitas aplicações. A seguir, estão detalhadas algumas delas. Iodo Radioativo O iodo é utilizado na medicina nos diagnósticos de distúrbios da glândula tireóide. O isótopo 53I131 tem um tempo de meia-vida de 8 dias. Em primeiro lugar, injetamos no paciente uma dose de iodo radioativo, que é facilmente absorvido pelas glândulas da tireóide. Após certo tempo, pode-se “mapear”, ou seja, localizar e delimitar os contornos dessas glândulas. Sabe-se que os tecidos afetados da tireóide geralmente absorvem iodo de modo diferente (mais ou menos intensamente) do tecido animal normal. Esse isótopo de iodo é fabricado de acordo com a seguinte reação:

β01-13153

10

13052 I n Te +→+

Cobalto-60 Este isótopo é obtido do cobalto (Co59), quando bombardeado por nêutrons.

6027

10

5927 ConCo →+

Por sua vez, o Co-60 é radioativo, sendo capaz de emitir raio “β”, com um tempo de meia-vida de 5,3 anos. Observem o longo tempo de meia-vida, que proporciona excelente aplicação na medicina, pois tem-se material radioativo por longo tempo. Sua equação de decaimento radioativo é:

6028

01

6027 NiCo +→− β 21t = 5,3 anos.

Descobriu-se que as células cancerígenas são fulminadas pelo efeito de radiações intensas. As células normais suportam doses bem maiores de radiação. Tomografia: os pósitrons a serviço da medicina A história do pósitron é um exemplo do ciclo completo que vai da previsão teórica a uma extraordinária aplicação prática das descobertas científicas. Em 1928, as equações matemáticas do físico inglês Paul Dirac (1902-1984) previam que alguns núcleos radioativos poderiam emitir um anti-elétron, ou seja, uma partícula com a mesma massa do elétron, mas com carga positiva. Efetivamente, essas estranhas partículas foram descobertas em 1932 pelo físico norte-americano Carl David Anderson (1905-1991), que as chamou de pósitrons. Pela descoberta do pósitron, Carl Davi Anderson recebeu o prêmio Nobel de Física, em 1936.


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De acordo com as previsões realizadas por Paul Dirac, observou-se que a vida do pósitron era muito curta, pois sua colisão com um elétron provocava a destruição de ambas as partículas, com transformação integral de suas massas em ondas eletromagnéticas. Veja a reação desse processo:

→+−+ ee 01

01 energia (ondas eletromagnéticas)

Nos anos seguintes foram constatados vários núcleos que emitiam pósitrons, produzidos em aceleradores de partículas. É o caso, por exemplo, do nitrogênio-13.

eCN 01

136

137 ++→

Na década de 1980, a desintegração dos pósitrons encontrou uma aplicação de grande interesse social: o desenvolvimento de um aparelho para diagnósticos médicos, denominado tomógrafo por emissão de pósitrons, PET (do inglês, pósitron emission tomography). Para efetuar um exame em um desses aparelhos, o paciente recebe uma injeção com o radioisótopo emissor de pósitrons, ligado a uma molécula que tenha afinidade com o órgão a ser estudado. Nessas condições, o radioisótopo emitirá pósitrons que irão colidir com elétrons e formar ondas eletromagnéticas. Sistemas detectores de radiação, situados ao redor do paciente, acusarão a emissão dessas ondas, de modo que haverá um mapeamento do órgão que está sendo investigado. Imagens Radiológicas O tecnécio metaestável é utilizado como reagente de diagnóstico radiológico, pois emite exclusivamente radiação gama. Além disso, o tecnécio pode ser utilizado na forma do íon pertecnetato ( )−

4TcO que se comporta no corpo humano de forma semelhante aos íons cloreto e iodeto, e é facilmente eliminado pelos rins, e pode se acumular no cérebro e no fígado, por isso o tecnécio é usado na obtenção de imagens do cérebro, fígado e rins. Sua equação de decaimento pode ser representada pela equação:

γ009943

*9943 Tc Tc +→

Carbono-14 É um isótopo radioativo que se forma no ar atmosférico, quando nêutrons de raios cósmicos colidem com núcleos de nitrogênio, segundo a equação da reação abaixo:

11

144

10

147 pCnN ++→+

O carbono-14, assim formado, reage com o O2 da atmosfera, resultando C*O2 radioativo (vamos colocar um asterisco no C* radioativo). Este C*O2 poderá ser absorvido por uma planta, em um processo de fotossíntese, e tornar-se um constituinte do tecido vegetal. Por outro lado, um animal, pode alimentar-se dessa erva e o C-14 tornar-se, assim, constituinte do tecido animal. Mesmo os seres humanos possuem C-14. Quando o ser humano, ou mesmo um outro animal, morre, a quantidade de C-14 só tende a diminuir, pois ocorre a seguinte desintegração:

147

01

146 NC +→− β

O período de semidesintegração é de 5730 anos para esse isótopo. Pode-se, então, pensar num processo de determinação da idade de fósseis arqueológicos. No entanto, após 10 períodos de semidesintegração (57300 anos), a quantidade de C-14 resultante é tão pequena que não existem ainda aparelhos capazes de detectar as radiações. Esta é a mais séria limitação desse processo. Curiosidade: A idade de materiais como: madeira, papiro e múmias pode ser determinada, medindo-se a radioatividade residual de C-14. Foi usando esse método que se determinou a idade dos Pergaminhos do Mar Morto.

Determinação da idade do fóssil Vamos supor que os fósseis de um animal acusam num contador Geiger apenas 25% de C-14 que teria o mesmo espécime na atualidade. Isto vem esclarecer que o fóssil tem a idade de 11460 anos! Consideremos que a atividade do C-14 era 100% no instante em que o animal morreu.

%25%50%100 57305730 → → anosanos

Por outro lado, os nêutrons de uma pilha atômica podem ser empregados na obtenção de C-14 artificialmente. É importante o emprego de C-14 para sintetizar substâncias orgânicas, a fim de acompanhar os processos do metabolismo. É muito usado na obtenção de radioproteínas e radioaçúcares. Cálculo da idade da Terra A idade da Terra pode ser avaliada pela razão entre o número de átomos de 238U e o número de átomos de 206Pb nos minerais de urânio. A meia-vida do 238U é incomparavelmente superior à de qualquer outro elemento de sua série radioativa. Assim, a meia-vida (t1/2) de 238U é igual a 4,5 bilhões de anos (4,5 x 109 anos) e a segunda menor meia-vida da série é cerca de 10 mil vezes menor que a do 238U. Por isso podemos considerar que o número de átomos de U238 que se desintegram desde a formação da Terra é o próprio número de átomos de 206Pb presentes na amostra. O número inicial de átomos de 238U ( o

uN ) na amostra é o

número de átomos de 238U no instante da formação da amostra, isto é, no instante em que se formou a Terra.

19

2/1

238

105,4

693,0693,0

11

sinº

111

−

−

==

−=−=∴

==−

−=−⇒−=−

=⇒⋅=

anoxt

k

em

moue

N

N

NTerradaformação

adesdetegradosdeUdeátomosdenNN

eN

NNe

N

N

eN

NeNN

kt

U

Pbtk

U

Pb

Pb

UOU

kt

Uu

UOUkt

U

OU

kt

U

OUktO

UU


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Como conhecemos a razão U

Pb

m

m(experimentalmente

determinada) e o valor de k, podemos calcular o valor de t, que será a idade do mineral (idade da Terra). O valor encontrado é da ordem de 3x109anos. A radioatividade nas indústrias Isótopos radioativos são usados em análise não-destrutiva de materiais e como radiotraçadores em processos industriais. Veja alguns exemplos: • Fe-59: medida de desgaste de molas e êmbolos de

motores; • P-32: medida de desgaste dos frisos de pneus; • Na-24 e I-131: localização de pequenos vazamentos em

tubulações de água e medida da espessura de lâminas metálicas.

Agricultura e alimentação Para impedir o crescimento de agentes produtores da deterioração de alimentos, costuma-se fazer a pasteurização térmica e a conservação refrigerada. Porém, muitos alimentos frescos não podem ser submetidos a esses processos, como carnes, peixes, mariscos, aves etc. Esses alimentos são submetidos a radiações que destroem fungos e bactérias, principais responsáveis pelo apodrecimento. O processo de Irradiação pode ser utilizado para aumentar o tempo de conservação dos alimentos, por meio da eliminação de microrganismos patogênicos e de insetos. A irradiação geralmente é feita com raios gama originados do cobalto-60 (60Co). Abaixo é mostrada a aparência de uma cebola que foi tratada com radiações gama do cobalto-60 (à direita) em comparação com outra cebola (à esquerda) que foi coletada e armazenada nas mesmas condições, mas não passou pelo processo de irradiação.

Figura 3: Conservação de alimentos com cobalto 60.

Fotos: Arquivo IPEN – Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares. Os irradiadores de alimentos representam hoje uma opção interessante na sua preservação. O alimento irradiado, ao contrário do que se imagina, não se torna radioativo, uma vez que a radiação que recebe é do tipo gama. O fósforo é utilizado na agricultura como elemento traçador para proporcionar a melhoria na produção do milho, e pode ser obtido pela reação:

α42

3215

10

3517 P n Cl +→+

Sua reação de decaimento é:

β01-

3216

3215 S P +→

O QUE É RADIOTERAPIA? É uma especialidade dentro da medicina que se utiliza das radiações e da sensibilidade dos tumores a ela para o seu tratamento. Existem vários tipos de radiação, porém as mais utilizadas são as eletromagnéticas (raios-x ou raios gama) e os elétrons (estes disponíveis apenas em aceleradores lineares de alta energia). A radiação gama é um tipo de radiação eletromagnética gerada e emitida continuamente no núcleo de elementos radiativos como o Cobalto, Césio e Irídio. Os elementos radiativos são armazenados dentro de um recipiente de material de número atômico alto i.e. chumbo, para impedir o vazamento da radiação para o ambiente. A bomba de Cobalto é um recipiente contendo uma fonte de Cobalto, com um dispositivo que abre uma pequena janela e deixa o feixe de radiação sair de forma controlada, permitindo o tratamento do tumor e ao mesmo tempo preservando os tecidos normais a sua volta. Neste caso o tempo de tratamento e todos os outros parâmetros físicos envolvidos são cuidadosamente controlados e verificados através de um programa de controle de qualidade permanente. Já o acelerador linear funciona de maneira muito semelhante a um aparelho de raios-x, ou seja, a radiação somente é produzida quando o aparelho é ligado a uma fonte de energia elétrica. O mecanismo de formação da radiação é um pouco mais complicado, mas no final o seu efeito é o mesmo: um feixe de radiação controlado incide sobre o alvo a ser tratado. A Braquiterapia é uma técnica de tratamento em que uma pequena fonte radiativa é colocada em contato com o tumor para um tratamento mais localizado. Trata-se de um procedimento cirúrgico e deve ser feito em sala de cirurgia com anestesia. Atualmente usam-se equipamentos ultramodernos e robotizados, que liberam Alta Taxa de Dose (HDR - High Dose Rate) evitando que o paciente fique internado no hospital. Obviamente todos estes aparelhos necessitam de proteção radiológica na sala em que se encontram, obedecendo as normas de proteção vigentes no país. Para isto, as paredes recebem um tratamento especial com concreto a fim de formar uma barreira de proteção para os trabalhadores e o público.

INDICAÇÕES DA RADIOTERAPIA Estima-se que cerca de 60% de todos os pacientes portadores de doenças malignas terão alguma indicação de radioterapia durante o curso de sua doença, seja com o objetivo curativo ou paliativo. A radioterapia atualmente pode ser aplicada em diversas situações: 1. tratamento adjuvante para assegurar a esterilização do

leito tumoral após uma cirurgia. 2. tratamento exclusivo, como única modalidade terapêutica

empregada. 3. tratamento neo-adjuvante, com o objetivo de causar

redução tumoral em lesões irressecáveis a fim de torná-la operáveis.


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4. tratamento associado (sinérgico) com Quimioterapia. 5. tratamento paliativo seja do tumor primário ou de

metásteses. 6. para prevenir ou coibir hemorragias ou obstruções

respiratórias. 7. como parte integrante dos protocolos de tratamento no

transplante de medula óssea. 8. tratamento de alguma doenças benignas com indicações

restritas. Tratamento de câncer através da colocação de fontes junto do tumor (braquiterapia).

FISSÃO NUCLEAR

O começo da era atômica se deu com a bomba atômica, detonada em uma serra deserta do Novo México. A povoação mais próxima é Alamogordo. Foi colocada numa torre de aço de 30m de altura, unida à cidade secreta de Los Alamos. O explosivo era o plutônio. Um abrigo de concreto foi construído a 10.000m da torre. Muitos acreditavam que poderia haver uma catástrofe. Enrico Fermi, que conseguira a primeira reação em cadeia, declarou que a bomba mandaria pelos ares o Novo México. Outros disseram que ela abrasaria a atmosfera e ainda alguns acharam que ela não funcionaria. No entanto, o estrondo que se ouviu pareceu vir das próprias entranhas da Terra. A torre de aço desapareceu sem deixar o menor vestígio. O mundo entrava na era atômica e a primeira vítima seria o Japão. Em 1932, o físico italiano Enrico Fermi observou que, quando os átomos eram bombardeados por nêutrons (então descobertos por Chadwich), resultavam em átomos de núcleos radioativos. Em 1934, esse físico italiano bombardeou o urânio (Z=92) com nêutrons, obtendo radioativos. Ele imaginou que fossem átomos com número atômico maior que 92, ou seja, um elemento “transurânio”. Não conseguiu, no entanto, esclarecer o fenômeno de um modo completo.

Otto Hahn e Strassmann repetiram o bombardeamento do urânio com nêutrons em 1938 e constataram a presença de átomos de bário, como produtos da experiência.

No mesmo ano, Lise Meitner e Frisk conseguiram, então, interpretar a referida experiência. O átomo de urânio-235, recebendo um “tiro” de nêutron, divide-se, produzindo dois novos átomos radioativos acompanhados de alguns nêutrons. A notícia da fissão nuclear foi feira por Niels Bohr e, em diversos países, foram realizadas experiências análogas, confirmando-se as seguintes conclusões:

a) O urânio-235, quando bombardeado por nêutrons sofre fissão nuclear, originando dois átomos radioativos.

b) Cada átomo fissionado produz átomos-fragmentos de número de massa que pode variar de 72 a 158. Portanto, não se pode falar apenas em uma reação de fissão nuclear para o U-235.

c) Além de 2 átomos-fragmentos, libertam-se 2 ou 3 nêutrons em cada fissão. Em média, temos 2,5 nêutrons/fissão.

d) Em cada fissão libera-se espantosa quantidade de energia.

Apenas para exemplificar, podemos equacionar:

Para justificar a incrível quantidade de energia liberada, mostrou-se plausível aceitar a equação de Einstein:

∆∆∆∆E = c2 . ∆∆∆∆m

A variação de energia (∆E) resultou da transformação de massa (∆m) em energia (“c” é a velocidade da luz).

Portanto, os produtos da reação têm massa menor que os componentes antes da fissão.

Em 1939, Fermi declarou que se poderia obter uma reação em cadeia, isto é, que os nêutrons resultantes da desintegração do U235 poderiam incidir em outros átomos de urânio vizinhos, provocando novas desintegrações e assim sucessivamente.

Sabe-se que o urânio encontrado na natureza é constituído de 2 isótopos: U238 (com 99,3%) e U235 (com apenas 0,7%).

Apenas o isótopo mais leve é fissionável. O isótopo U238 é capaz de absorver um nêutron rapidamente, transformando-se em U239, que, logo em seguida, se transforma em Np (neptúnio), após a emissão de partícula β.

92U238 + 0n1 92U239

92U239 93Np239 + -1ββββ0

Percebe-se, então, a necessidade de se obter urânio, constituído apenas do isótopo U235, para ocorrer reação em cadeia, já que o outro isótopo de urânio (U-238) é não-fissionável.

Era necessário separar o isótopo U-235. Esse processo de separação é muito oneroso, o que limita o número de países a possuírem a bomba A.

Massa Crítica

A reação em cadeia só ocorre acima de determinada massa de urânio. A reação em cadeia ocorre com velocidade máxima quando a amostra de material físsil é grande o suficiente para a maioria dos nêutrons emitidos ser capturada por outros núcleos.

Portanto, a reação em cadeia se mantém, se a massa do material é superior a um certo valor característico chamado massa crítica. Para o urânio 235 a massa crítica está por volta de 3,25kg.


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A bomba possuía duas porções de U-235 puro com massas menores que a massa crítica e previamente dotado de nêutrons em movimento dentro dessas massas.

Acionando o detonador, primeiramente explodiria a carga de TNT (Trinitrotolueno). Isto empurraria o U-235 contra a outra porção, e a união dessas massas ultrapassaria a massa crítica. Daí, imediatamente, ocorreria a reação em cadeia.

Reator Nuclear

O reator nuclear nada mais é do que uma bomba atômica controlada. A reação em cadeia pode ser interrompida ou acelerada, mediante a introdução ou retirada de barras de cádmio. Este tem propriedades de absorver nêutrons.

Após o fim da 2ªGuerra Mundial, as pesquisas voltaram-se para o lado positivo da energia nuclear. Como aproveitar a fantástica emissão de energia gerada pela fissão de alguns núcleos, tais como o urânio-235 e o plutônio-239?

Na década de 1950 foram construídos os primeiros reatores nucleares, nos Estados Unidos. Basicamente, o reator nuclear é um sistema que realiza a fissão nuclear de forma controlada e libera energia para ser utilizada na produção de energia elétrica.

Em março de 2000, oficialmente entrou em funcionamento a usina Angra-2, situada em Angra dos Reis (RJ), após 16 anos de atraso e ao custo de aproximadamente seis bilhões de dólares.

E isso em um movimento em que o mundo está abandonado a construção dessas fontes de energia.

Como funciona a Usina Angra-2

Centrais nucleares são termelétricas, que produzem eletricidade a partir do calor.

Apesar de sua complexidade tecnológica, o funcionamento de uma usina nuclear é fácil de compreender. Ela funciona com princípio semelhante ao de uma usina térmica convencional: o calor gerado pela combustão do carvão, do óleo ou do gás vaporiza a água em uma caldeira. Este vapor aciona uma turbina, à qual está acoplado um gerador, que produz a energia elétrica. Na usina nuclear, o calor é produzido pela fissão do urânio no núcleo do reator.

O sistema PWR, utilizado nas usinas brasileiras, é constituído por três circuitos: primário, secundário e de água de refrigeração. A água do circuito primário é aquecida pelo calor decorrente da fissão do urânio no reator, chegando a uma temperatura de cerca de 320°C. Em seguida, a água passa por tubulações até o gerador de vapor, onde vaporiza a água do circuito secundário sem, no entanto, entrar em contato com ela. O vapor resultante vai acionar a turbina, que movimentará o gerador e produzirá eletricidade. Para que a água do circuito primário não entre em ebulição ao ultrapassar 100°C, a pressão é mantida elevada - 157 atmosferas - daí o sistema denominar-se "água leve pressurizada".

FUSÃO NUCLEAR

A análise da luz solar revela que a massa do Sol é composta por 73% de hidrogênio, 26% de hélio e 1% de elementos diversos. Mas de onde vem a energia produzida por essa estrela?

A teoria mais aceita atualmente afirma que essa energia é proveniente de um processo, chamado fusão nuclear, no qual núcleos de hidrogênio se reúnem para formar um núcleo de hélio.

Um processo de fusão nuclear pode liberar energia até dez vezes mais que o de uma fissão nuclear, quando comparamos massas iguais de material participante.

Há várias reações nucleares de fusão possíveis. Veja alguns exemplos:

1H2 + 1H2 2He3 + 0n1

1H2 + 1H3 2He4 + 0n1

Como vimos no estudo no estudo da fissão nuclear, o processo sem controle gerou a bomba atômica, enquanto o processo controlado passou a ser usado em reatores nucleares. No caso da fusão nuclear, os caminhos parecem ser historicamente semelhantes.

A primeira aplicação da fusão nuclear, sem controle, ocorreu na bomba de hidrogênio, também chamada de bomba termonuclear. Detonada pela primeira vez no dia 1º de novembro de 1952, com uma potência de vários megatons, ela literalmente vaporizou um atol no oceano Pacífico. Cada


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megaton equivale a um milhão de toneladas de TNT, ou seja, cinqüenta bombas atômicas como a de Hiroshima.

O reator nuclear a fusão

A fusão nuclear ocorre em temperaturas elevadas. Tal fato constitui um grande obstáculo para a construção de um reator a fusão. Afinal, como é possível trabalhar de maneira controlada com materiais a milhares de graus Celsius?

Na busca de resolver essa questão, as pesquisas avançam rapidamente. Reatores chamados tokamak já estão sendo testados.

Gases como o deutério e o trítio são aquecidos a milhares de graus pela passagem da corrente elétrica e confinados em fortes campos magnéticos. Esses gases, sem contato com as paredes do reator, passam a constituir um plasma e nessas condições pode ocorrer a fusão nuclear.

OS ACIDENTES NUCLEARES Ao contrário do que se imagina um reator nuclear não pode explodir como se fosse uma bomba atômica, uma vez que trabalha com massas subcríticas de urânio. Entretanto, tremores de terra e falhas nos sistemas de refrigeração podem causar sérios acidentes, como os que ocorreram nos reatores de Three-Mile Island (EUA, 1979) e em Chernobyl (Ucrânia, 1986). Além disso, sempre há possibilidade de falhas humanas, como as que provocaram os acidentes de Goiânia (GO, 1987) e na usina de Tokaimura (Japão, 1999). Acidente Nuclear em Three-Mile Island EUA registram vazamento em reator nuclear:

28/03/1979 – A usina nuclear de Three Mile Island, na Pensilvânia, corre o risco de derretimento, o mais grave tipo de acidente nuclear. A ameaça provém de uma bolha de vapor existente dentro do reator, que pode aumentar de tamanho à medida que as pressões internas forem relaxadas, deixando o núcleo sem a água vital para seu resfriamento. Nuvens de partículas radioativas já escaparam do reator para a atmosfera, mas os técnicos em radioatividade afirmam que o risco de contaminação ainda é pequeno. Jornal do Brasil Em 28.03.1979, próximo a Harrisburg, na Pensilvânia, aconteceu o pior acidente nuclear dos Estados Unidos com o reator da unidade 2 de 900 MW PWR da Usina Nuclear de Three Mile Island, meses após o começo de sua operação comercial que se deu em 30.10.1978. O acidente foi causado por falha de equipamento e erro operacional em avaliar-se as condições do reator. A falha de equipamento causou uma perda gradual de água de resfriamento no núcleo do reator, o que resultou em fusão parcial das varetas de elemento-combustível e urânio e na liberação de material radioativo. Não houve vítimas, nem mortes. Devido a este acontecimento foi criado o Institute of Nuclear Power Operations destinado a promover a excelência no treinamento, gerenciamento e operação.

Acidente nuclear em Chernobyl

O acidente aconteceu em 1986, na usina nuclear situada numa região escassamente povoada da Ucrânia, perto de Kiev. Apenas duas pessoas morreram na explosão, mas a exposição a fortes doses de radioatividade matou várias outras nas semanas seguintes. Milhares de cidadãos dificilmente ficarão sabendo se foram afetados. O impacto da explosão teve efeito não só sobre aquela região. Uma grande nuvem, invisível, de gases radioativos foi liberada na atmosfera e levada pelo vento para os países vizinhos. Na Alemanha, muitas colheitas foram contaminadas e tiveram que ser destruídas. Os animais que pastavam nas áreas onde caiu a chuva radioativa tornaram-se impróprios para o consumo, e os fazendeiros precisaram pedir ao governo ajuda financeira para resistirem até a safra seguinte. Até 1988, dois anos depois do acidente, criadores de carneiro da Inglaterra estavam proibidos de vender seus animais. E possível que todos os traços da radioatividade de Chernobyl ainda não tenham desaparecido totalmente até 2016.

Acidente nuclear em Goiânia

Os restos radioativos de um material radioativo utilizado em uma usina nuclear, em hospitais ou centros de pesquisa constituem o lixo atômico. Devido à enorme quantidade de lixo atômico que se forma anualmente e à escassez de locais apropriados para o seu correto confinamento, as dificuldades são grandes para a manutenção da segurança do ambiente e da população. Se juntarmos as dificuldades naturais de armazenamento de lixo atômico a uma grande dose de negligência, a situação se tornará verdadeiramente alarmante. Foi o que ocorreu em 1987 na cidade de Goiânia. Uma clínica médica abandonada não havia providenciado a correta embalagem do césio-137, usado em um aparelho de radioterapia. Esse aparelho foi roubado e vendido como sucata; cerca de 20g de cloreto de césio foram retirados do interior do aparelho e manuseados por diversas pessoas, completamente ignorantes dos possíveis riscos a que estavam se submetendo. Por emitir luminosidade, o sal de césio era passado de mão em mão e, assim, contaminou roupas e corpos. Como resultado, quatro pessoas morreram e cerca de 130 ficaram contaminadas.

Acidente nuclear em Tokaimura

Tokaimura, a sede da indústria nuclear japonesa desde os anos 50, fica a 140 km de Tóquio. Em uma usina de reprocessamento, controlada pela empresa JCO, subsidiária da Sumitomo Metal Mining Corporation, em Tokaimura, o urânio bruto é purificado antes de ser distribuído pelos 51 reatores que geram 35% da energia no Japão. Durante o processo, três funcionários deveriam mergulhar 2,3kg de UO2 no ácido nítrico, que remove as impurezas. Desta forma, as reações nucleares acontecem sob controle, sem haver uma reação em cadeia. O acidente aconteceu por volta de 10:35 (22:35, em Brasília), quando por engano e pressa em concluir suas tarefas, foram


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lançados 16 kg de urânio num tanque só, i.e., quase oito vezes acima do limite de segurança. A presença de tantos átomos juntos criou uma reação descontrolada em microssegundos, voando nêutrons para todo lado, reação esta que só foi controlada no dia seguinte. A reação nuclear auto-sustentada passou a liberar grande quantidade de energia e radioatividade, como em um reator nuclear em estado de criticalidade, sendo que em local totalmente impróprio, pois não haviam as proteções biológicas normais a uma instalação nuclear. No total, 57 japoneses foram afetados: 47 funcionários, 3 bombeiros e 7 moradores das redondezas. Os vizinhos foram contaminados pelo ar. Por precaução, 320.000 pessoas num raio de 10 km tiveram que deixar suas casas por 24 horas. Três funcionários foram hospitalizados, sendo que dois deles em estado grave morreram mais tarde. Os bombeiros foram contaminados porque entraram sem equipamentos de proteção contra radiação. "Fomos chamados por telefone e nos disseram que alguém estava mal, mas ninguém nos informou o que havia acontecido com o urânio", disse um dos bombeiros ao jornal Asahi Shimbum. O acidente atingiu nível 4 na Escala Internacional de Eventos Nucleares. O acidente de 30 de setembro de 1999 não pode ser inteiramente atribuído ao relaxamento de normas de segurança numa companhia. O acidente deve ser encarado, também, como uma falha do sistema de administração e supervisão do sistema de energia nuclear japonês. Este acidente não é o primeiro a chamar atenção na ilha japonesa.

Robô vai investigar Chernobyl

Desenhado pela agência espacial dos EUA, o Pioneer deve explorar sarcófago atômico que cobre reator que explodiu em 1986

Os cientistas da agência espacial norte-americana (Nasa), encarregados de desenhar e construir o Sojourner Rover, que explorou a superfície de Marte, estão aperfeiçoando um novo robô para enfrentar um ambiente ainda mais hostil – o quarto reator nuclear de Chernobyl.

O “irmão” do Rover, batizado de Pioneer (pioneiro), deve entrar no reator – que se tornou um verdadeiro inferno radioativo depois de explodir em 1986 – dentro de alguns meses para mapear sua estrutura e colher amostras de cimento. Tudo para garantir que a radiação não vazará do local.

“A tarefa só pode ser executada por um robô”, explica o pesquisador Fred Serricchio, do laboratório de Propulsão a Jato de Pasadena, na Califórnia. “A intensidade da radiação dentro do reator é letal para qualquer ser humano e cria dificuldades enormes até mesmo para uma máquina.”

As partículas radioativas são tão violentas que podem derreter o silício dos chips usados pelo robô, assim como muitos de seus componentes plásticos e poliméricos. As lentes das máquinas fotográficas montadas no Pioneer também são vulneráveis.

radioatividade

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