RADIOATIVIDADE

INTRODUÇÃO

A radioatividade foi descoberta por Becquerel em 1896, precedida pelo químico analítico M. H. Klaproth que descobriu o urânio em 1789 enquanto estudava pechblenda. O urânio foi inicialmente denominado uranit em homenagem ao planeta Urano e depois uranium. Depois que Becquerel descobriu a radioatividade foi possível averiguar que urânio é progênitos de outros igualmente radioativos, como o uranium II identificado por McCoy e Ross, ou a emanation, sob forma gasosa, muito usada por Rutherford em suas experiências. Sabe-se hoje que essas designações hoje correspondem ao Urânio 238, Urânio 234, e Radônio 222. Becquerel realizou diversos estudos e verificou que sais de urânio emitiam radiação semelhante à dos raios-X, impressionando chapas fotográficas.

Todos os organismos e materiais estão expostos a fontes naturais de radioatividade, como por exemplo, os raios cósmicos, conhecidos como a radiação galáctica (Sol e Via Láctea). Essa radiação extraterrestre é constituída principalmente de prótons de alta energia (aprox. 85%), partículas alfa (aprox. 14%) e núcleos atômicos mais pesados (aprox. 1%). Quando a interação com a Terra é pequena são chamados primários, senão são chamados secundários, consistindo, nessa situação, de píons, múons, elétrons, etc., resultantes da interação com a atmosfera. Dessa interação, muitos radionuclídeos são gerados na estratosfera e na troposfera, como o H❑

3 e o C❑14 , ambos muito utilizados na hidrologia, sobretudo para identificar águas

recentes ou datar escalas de tempo de até 40 mil anos atrás.

Além disso, existem os elementos originários desde a formação da Terra e que possuem isótopos cuja meia vida é suficientemente longa para permanecerem até os dias de hoje. Os mais importantes são o urânio, tório e potássio, que se concentram principalmente nas rochas ígneas ácidas e não nas básicas e ultrabásicas.

O Urânio é constituinte essencial em quase cem minerais, ocorrendo principalmente na uraninita UO2 e na pechblenda (variedade não cristalina da uraninita), na cofinita [U(SiO4)1-x (OH)4x], uranotorita [(Th, U) SiO4] e uranotorianita [(Th, U)O2].

No geral, Urânio, Tório e Potássio são os elementos radioativos mais importantes. Urânio e Tório por apresentarem radioatividade em razão maior que a maioria dos outros elementos, enquanto o Potássio não tem radioatividade forte, porém está presente na maioria dos minerais e em grande quantidade, ou seja, cada elemento sozinho não é relativamente considerável radioativamente, porém em grande quantidade assume valores significativos.

FONTES DE RADIAÇÃO NATURAIS 1- Corpos extraterrestres: Os raios cósmicos são partículas carregadas e íons pesados de altíssima energia produzidos por reações nucleares em toda galáxia (Radiação cósmica de fundo) e no Sol. A maior parte desta chuva de partículas (múons, píons, káons, anti-prótons, elétrons etc.) é desviada pelo campo magnético da Terra. Ao interagir com a atmosfera estas partículas interferem com as telecomunicações e/ou geram fenômenos na alta atmosfera como a Aurora boreal (ao norte) e austral (ao sul). Além dos raios cósmicos, o Sol também irradia muitos outros tipos de radiação, como as ondas ultravioletas, luz visível e infravermelho e o campo gravitacional. 2- Planeta Terra: Irradia um campo gravitacional e um magnético que desvia a maior parte do vento solar. 3- Qualquer corpo acima de 0 ºK irradia calor através da radiação infravermelha. 4- Seres vivos: em alguns animais a bioluminescência é causada por oxidação da luciferina em oxiluciferina e liberando Luz. 5- Núcleos atômicos instáveis: São núcleos que se desintegram expontâneamente gerando partículas e/ou radiação gama (por aniquilação de pares - pósitron-elétron). Foram objetos de estudo de e *Becquerel e **Curie.

FONTES DE RADIAÇÃO ARTIFICIAIS 1- Bomba atômica e Reator nuclear - usa-se para gerar outros radioisótopos como o 131I. 2- Máquina emissora de pósitrons - O Flúor radioativo ligado à glicose é o gerador de pósitrons que se anquila com um elétron gerando os raios gama que são escaneados na Tomografia por Emissão de Pósitrons (PET). 3- Gerador de raios gama - A máquina Geradora de Tecnécio produz 99m43Tc, um emissor de Raios gama (meia-vida de 6 horas), a partir do decaimento do 9942Mo (Molibdênio). 4- Gerador de raios beta- - Raios ß- da TV que excitam a película de Fósforo do ecran gerando Luz visível. 3- Máquina de Raio X - descobertos por Röntgen. 4- Lâmpadas fluorescentes e Fluorescência - São as lâmpadas de Luz negra. Fluorescência ocorre quando certas substância iluminadas pela radiação UV com comprimento de onda maior que o da incidente. 5- Lâmpadas comuns - A luz visível tem comprimento de onda entre 400 nm (0,4 µm) a 700 nm (0,7 µm). 6- Lâmpadas infravermelhas - São as lâmpadas de filamento incandescente que transformam a maior parte da energia em radiação infravermelha (calor). 7- Forno de microondas 8- Estação de rádio e TV - Antenas emissoras de ondas de rádio e TV.

Apesar dos efeitos nocivos à saúde, a radioatividade está presente em muitas áreas. Muitas pessoas fazem a associação da radioatividade com apenas coisas negativas como bombas atômicas ou armas nucleares, mas a energia nuclear é mais do que isso. O uso de radiação para os mais diversos fins tem se intensificado nas últimas décadas, uma vez que esta é uma

poderosa fonte de energia. A radiação tem sido utilizada especialmente na medicina, engenharia civil, indústria armamentista e espacial. Reatores nucleares são utilizados nas usinas nucleares para produção de energia elétrica e térmica. Abaixo algumas aplicações benéficas da radioatividade:

NA MEDICINAVários isótopos radioativos são usados na medicina. Um exemplo é quando vamos fazer uma cintilografia com o intuito de verificar as condições de nossos órgãos internos, e introduzimos no organismo uma pequena quantidade de material radioativo. Os isótopos que apresentam essa característica são denominados radiotraçadores, eles possuem a proprieadade de se acumularem em um determinado órgão.

Figura X: à esquerda, imagem ilustrando elementos usados para realçar determinados órgãos em imagens em ressonâncias magnéticas, técnica chamada de Contraste. À direita, um aparelho de ressonância magnética

(atualmente cada vez menores).

USO MILITAR (inclui-se nisso o uso terrorista)Armas nucleares, propulsão nuclear em navios e submarinos (já existem projetos para aviões e espaçonaves com propulsão nuclear). Desde o lançamento do primeiro submarino movido à propulsão nuclear USS Nautilus, a US Navy já colocou em serviço e desativou cerca de 80 submarinos nucleares de ataque (SSN) e lançadores de mísseis balísticos (SSBN). Os da foto estão para ser enterrados. Mencione-se também quanto aos navios que muitos “quebra-gelo” também possuem propulsão nuclear.

Figura X: Disparo de foguetes representando a ameaça nuclear (esquerda). Imagem de uma explosão nuclear em formato do “cogumelo da morte”.

Figura X: Corpos carbonizados no ataque americano a Hiroshima. Surpreendidos com a explosão violenta e principalmente pelas ondas termais de choque, milhares de pessoas morreram tragicamente em meio a grandes

sofrimentos e mais ainda sofreram as conseqüências da contaminação por radiação.

Figura X: Na era do combustível nuclear submarinos e navios passaram a usar tal tecnologia. Submarinos poderiam ficar submersos por muito mais tempo.

Figura X: Já existem projetos de aviões e espaçonaves que poderão utilizar propulsão nuclear.

Figura X: Navio quebra-gelo movido a energia nuclear.

Figura X: Greenpeace observa o navio Russo TNT27 a despejar resíduos nucleares no mar.

Um dos usos militares ou terroristas que tem sido cogitado é o envenenamento por isótopos. Dentre possíveis vítimas de envenenamento por radioatividade estão Alexander Valterovich Litvinenko (ex-expião russo) e Yasser Arafat (presidente da Organização para a Libertação da Palestina, mortos supostamente por Polônio-210. Um outro elemento, o tálio, é altamente tóxico, por isso era usado como produto para matar ratos e insetos. Há indícios de que cause câncer em seres humanos. Atualmente é usado em detectores de radiação infravermelha, radiação gama , e em medicina nuclear. É encontrado e obtido a partir do mineral pirita e, também, é obtido como subproduto de minérios de chumbo e zinco.Sabe-se que muitos cigarros têm em sua composição materiais tóxicos, porém também contêm materiais radioativos, como polônio-210 (o isótopo radioativo usado para assassinar Alexander Litvinenko) e chumbo-210. Estes materiais, que sobrevivem nas folhas de tabaco durante todo o processo de produção dos cigarros, são libertados para o ar na forma de vapor quando o cigarro é aceso e inalado pelo fumante. Embora estes materiais sejam liberados em concentrações baixas, os depósitos destes produtos químicos podem acumular-se de forma significativa nos órgãos de fumantes médios a pesados, e acredita-se estarem ligados ao desenvolvimento de certos cânceres. O caulim também é usado comumente como aditivo alimentar e como ingrediente em muitas drogas, podendo, no decorrer de uso excessivo, trazer malefícios a saúde.

SEGURANÇANa identificação de ameaças, caça a terroristas, aeroportos, etc.

Figura X: Carregamento de material radioativo interceptado pela polícia francesa.

Figura X: Exemplos de imagens de radiação infravermelha termal.

AGRICULTURAConforme se sabe, as radiações causam danos aos organismos vivos, assim alguns alimentos são irradiados, matando fungos e bactérias, que são os principais causadores do apodrecimento. Dessa forma, os alimentos, como frutas e verduras, permanecem bons para o consumo por muito mais tempo. Muitos alimentos frescos (carnes, peixes, mariscos, etc.), não podem passar por métodos convencionais de eliminação de bactérias como a pausterização térmica. Sendo assim, para impedir o crescimento de agentes produtores da deterioração, esses alimentos são submetidos a radiações que destroem fungos e bactérias. Por segurança, ao aplicar essa técnica, é preciso que os átomos radioativos cessem as suas atividades antes de os alimentos serem embalados

Outra forma de utilização pela agricultura de radiação é injetando radiotraçadores nas plantas. Esses radioisótopos artificiais recebem esse nome porque, ao serem transportados pelo corpo da pessoa, emitem radiações que permitem ver a absorção de fertilizantes pelas plantas, como ela utiliza o nutriente, determinar em que parte da folha ou das raízes certo elemento químico é mais importante e assim avaliar a eficácia do controle de insetos. Um radiotraçador muito utilizado para essa finalidade é o P-32.

Essa técnica dos radiotraçadores também é importante para detectar quais são os predadores de determinadas pragas. Dessa forma, eles podem ser usados no lugar de inseticidas. Ou, então, podem ser esterilizados por radiação gama os machos das espécies que são consideradas pragas e depois soltá-los no meio ambiente para competirem com os machos normais. Isso diminuirá progressivamente a sua reprodução e o seu número.

A aplicação da radioatividade na agricultura não serve somente para aumentar a produção de alimentos, mas também garante a nossa saúde e a do meio ambiente. Pois os agrotóxicos também podem ser marcados com radiotraçadores e, então, detectar quanto dele fica retido no alimento e quanto dele contamina o solo, as águas e a atmosfera.

O objetivo da irradiação aplicada a alimentos é o aumento de sua vida útil. Este processo de conservação pode ser aplicado em vários tipos de alimentos. Além de aumentar o tempo de conservação, o tratamento pode ser utilizado para a destruição de insetos, bactérias patogênicas, fungos e leveduras. O retardo de maturação e senescência (envelhecimento) de frutas e a inibição de brotamento de bulbos e tubérculos também podem ser citados como influências benéficas na conservação desses alimentos.

O processo de irradiação pode impedir a divisão de células vivas, tais como bactérias, e de células de organismos superiores, ao alterar suas estruturas moleculares, além de retardar a maturação de algumas frutas e legumes, ao produzir reações bioquímicas nos processos fisiológicos dos tecidos vegetais.

Figura X: Da esquerda para direita. Morangos irradiados com radiação Gama. Teste com contador Geiger procurando por radiação em vegetais irradiados. Exemplos de vegetais irradiados e o símbolo que deve ser usado

nas embalagens para indicar tal característica. Símbolo chamado Radura.

Dentre alguns alimentos, bananas são naturalmente radioativas, (também os tijolos, tomates, granito, castanha-do-pará, diversos tipos de rochas, etc). Todos estes apresentam uma certa dose de radioatividade, que ocorre naturalmente e normalmente é inofensiva. As bananas contém uma boa quantidade de potássio, este de grande valia na dieta, principalmente em exercícios físicos prolongados. E é este potássio o principal responsável pela pequena dose de radioatividade que existe em uma banana. Para 100 gramas de banana teremos em torno de 358 mg de potássio. E desta quantidade, apenas uma fração será de 40K, o potássio radioativo. São conhecidos ao todo 24 isótopos do potássio, e três deles ocorrem naturalmente: 39K (93.3% e estável), 40K (0.0117% e radioativo) e 41K (6.7% e estável).

Figura X: Bananas e castanha-do-pará possuem radioatividade.

A quantidade de 40K em uma banana é mínima e a dose de radiação decorrente da ingestão desta, é desprezível. Tanto que quando a radiação é considerada baixa, alguns apelidam de "Dose equivalente a uma banana" . Mesmo se uma pessoa comer diversas bananas por dia, a dose de potássio no seu corpo será praticamente constante devido aos mecanismos naturais de eliminação de excesso.

DATAÇÃO DE FÓSSEIS E MATERIAISOs elementos usados para datação estão o Urânio-235 e Urânio-238, Potássio-40 e o Carbono-14 (este é o mais conhecido, porém serve principalmente para datar seres vivos até aproximadamente 40 mil anos).

Figura X: Fóssil de peixe e múmia, ambos podem ser datados pelo Carbono 14.

Estudos recentes desenvolvidos por pesquisadores brasileiros e italianos deve trazer mais precisão para um recente e promissor método de datação geológica baseado na radiação emitida por certos núcleos do elemento químico platina.

Figura X: Isótopos utilizados nos métodos de datação.

ACIDENTES COM RADIAÇÃOInfelizmente a ciência também traz conseqüências pelo mau uso e/ou pela falta de cuidado.

Acidentes mais conhecidos Chernobyl - Europa

Em 26 de abril de 1986, ocorreu na Ucrânia o pior acidente nuclear da história. Causado por falha humana devido a um experimento perigoso, o acidente aconteceu com problemas em hastes de controle do reator que foram mal projetadas e por erros no manuseio da máquina. Dentre as conseqüências do acidente cita-se a poeira radioativa que tomou conta do local e a contaminação dos seres viventes da região.

Césio 137 - BrasilEm 13 de setembro de 1987 foi encontrado em Goiânia um aparelho de radioterapia abandonado que continha uma fonte de cloreto de césio do Instituto Goiano de Radioterapia. A cápsula com cloreto de césio foi aberta vendida a um ferro-velho. Atraídos pela luminescência do césio, adultos e crianças o manipularam e distribuíram entre parentes e amigos.

Fukushima – JapãoO acidente na usina de Fukushima Daiichi, provocado pelo terremoto e tsunami de 11 de março de 2011, foi o pior em uma central nuclear desde o de Chernobyl, na Ucrânia, em 1986. A radiação afetou gravemente a agricultura, pecuária e pesca local e cerca de 52 mil pessoas, que viviam em torno da central, tiveram que abandonar suas casas. A empresa responsável pela operação da usina nuclear de Fukushima, Tokyo Electric Power (Tepco) revelou que o líquido coletado de um poço de observação entre os reatores 1 e 2 da fábrica no dia 5 de julho do ano passado, continha o nível recorde de 5 milhões de becquerels por litro de estrôncio-90.

Outros- Em setembro de 1957, um vazamento de radioatividade na usina russa de tcheliabinski contamina 270 mil pessoas.- Em dezembro de 1957, o superaquecimento de um tanque para resíduos nucleares causa uma explosão que libera compostos radioativos numa área de 23 mil km2. Mais de 30 pequenas comunidades, numa área de 1.200 km², foram riscadas do mapa na antiga União Soviética e 17.200 pessoas foram evacuadas. Um relatório de 1992 informava que 8.015 pessoas já haviam morrido ate aquele ano em decorrência dos efeitos do acidente.- Em março de 1979, a usina americana de Three Mile Island, na Pensilvânia, quando a perda de uma máquina refrigerante fez parte do núcleo do reator derreter.- Em julho de 1997, o reator nuclear de Angra II, no Brasil, é desligado por defeito numa válvula, mas aparentemente não causou nenhum dano. Segundo o físico Luiz Pinguelli Rosa, foi “um problema semelhante ao ocorrido na usina de Three Mile Island”, nos Estados Unidos, em 1979.

Ser atingido por radiação é algo sutil e impossível de ser percebido imediatamente, já que no momento do impacto não ocorre dor ou lesão visível. Alguns dos impactos são listados abaixo:

- Lançamento de partículas radioativas no ar;- Absorção de radiação pelos trabalhadores e moradores de cidades vizinhas, ocasionando mortes, e probabilidade de desenvolvimento de cânceres fatais, quando em caso grave;- A contaminação por estrôncio 90 pode levar á anemia e leucemia, pelo fato de ficar incorporado no sistema esquelético do indivíduo;- A contaminação por iodo 129 e 131, que aloja-se na tireóide, reduz a atividade desta glândula, podendo causar câncer na mesma. Este elemento radioativo foi liberado no acidente nuclear de Chernobyl em 1986;- O césio 137 pode ficar incorporado aos músculos, fígado, baço, podendo causar distrofia muscular, afetar a medula óssea, queimaduras pelo corpo, queda de cabelos e até a morte;- A radiação penetra no DNA alterando-o e provocando deformações aparecendo após muito tempo;- O Câncer é outra das doenças as mais comuns nas pessoas com exposição a radioatividade;- Contamina o solo e as plantas, tornando os alimentos provenientes das mesmas impróprios para consumo;- Elementos radioativos contaminam a atmosfera sob a forma de poeira radioativa em caso de explosões;- Os elementos radioativos dissolvem-se na água, contaminando os lençóis de água subterrâneos, os rios, lagos e mares; O grande problema com a contaminação por radiação é que não existe nenhum meio de livrar-se dela: uma vez contaminado, não existe processo de “limpeza”, como ocorre com outras formas de poluição.

Resultados da contaminação por radiação

Figura X: Efeitos da radiação no corpo humano.

RADIOATIVIDADE

Como visto antes, a radioatividade é uma forma de energia nuclear, usada em diversas áreas e consiste no fato de alguns átomos como os do urânio, rádio e tório serem “instáveis”, perdendo constantemente partículas alfa, beta e gama (raios-X). O urânio, por exemplo, tem 92 prótons, porém através dos séculos vai perdendo-os na forma de radiações, até terminar em chumbo, com 82 prótons estáveis. Foi observada pela primeira vez pelo francês Henri Becquerel em 1896 enquanto trabalhava em materiais fosforescentes.

O NÚCLEOAs teorias sobre a estrutura do átomo evoluíram bastante, até chegar ao modelo mais aceito atualmente, que envolve conceitos da mecânica quântica, com níveis e subníveis de energia para os elétrons orbitais, formando uma nuvem eletrônica difusa em volta do núcleo.Rutherford descobriu o próton em suas pesquisas. Um átomo de nitrogênio, ao ser bombardeado com partículas alfa, resulta em um átomo de oxigênio e uma partícula positivamente carregada, o próton. Esta é a equação da reação nuclear:

N + α O + p

Com a descoberta de uma nova partícula por James Chadwick, que era produzida em conseqüência do bombardeamento de berílio com partículas alfa. Tal partícula teria uma massa quase igual à do próton e ausência de carga elétrica, sendo por isso chamada nêutron. A equação que representa a reação é:

Be + α C + n

PARTÍCULAS ALFAA desintegração radioativa por partículas alfa é típica de núcleos pesados, principalmente naqueles elementos de número atômico maior que 83. No texto anterior foram mostradas duas reações nucleares. Estas reações levaram à descoberta do próton e do nêutron. As equações são as seguintes:

N + α O + p

Be + α C + n

onde “p” e “n” são os símbolos para próton e nêutron, respectivamente. À esquerda da seta estão o “núcleo-alvo” e a partícula incidente. À direita da seta representam-se o núcleo e a partícula, resultantes da reação nuclear. Uma partícula alfa possui nº atômico (Z) igual a 2, e nº de massa (A) igual a 4, ou seja, é formada por 2 prótons e 2 nêutrons. A partícula alfa, por este motivo, muitas

vezes é representada como He2+, pois é igual, em carga e massa, ao núcleo do gás nobre hélio .

PARTÍCULAS BETAAs partículas beta (β) também são de origem nuclear. Possuem massa e carga iguais às do elétron. Por isto, muitos cientistas chegaram a acreditar que existiam elétrons dentro do núcleo. Como sua carga é negativa, muitas vezes a partícula beta é representada por β−¿¿.

RAIOS GAMAOs raios gama são ondas de radiação eletromagnética; não possuem massa nem carga elétrica. São semelhantes aos raios X, diferenciando-se somente na origem: enquanto os raios X provêm da eletrosfera do átomo, os raios gama tem origem nuclear. Por se tratar de uma onda eletromagnética, os raios gama propagam-se com velocidade igual à da luz. No entanto, sua energia é maior e, portanto, seu comprimento de onda é menor.

A radioatividade pode ser:

Radioatividade natural ou espontânea: É a que se manifesta nos elementos radioativos e nos isótopos que se encontram na natureza e poluem o meio ambiente.

Radioatividade artificial ou induzida: É aquela que é provocada por transformações nucleares artificiais.

Radioatividade artificial

Produz-se a radioatividade induzida quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Se a energia destas partículas tem um valor adequado, elas penetram no núcleo bombardeado formando um novo núcleo que, no caso de ser instável, se desintegra posteriormente. Foi realizada pela primeira vez pelo físico neozelandês Ernest Rutherford, ao bombardear átomos de nitrogênio, com partículas alfas, obtendo oxigênio. Sendo estudada pelo casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie), bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa, eles observaram que as substâncias bombardeadas emitiam radiações após retirar o corpo radioativo emissor das partículas alfa.

O estudo da radioatividade permitiu um maior conhecimento da estrutura dos núcleos atômicos e das partículas subatômicas. Abriu-se a possibilidade da transmutação dos elementos, ou seja, a transformação de elementos em elementos diferentes. Inclusive o sonho dos alquimistas de transformar outros elementos em ouro se tornou realidade, mesmo que o processo economicamente não seja rentável.

A descoberta dos raios X foi o primeiro tipo de radiação a ser descoberta.Em 1896, Henri Becquerel (1852-1908) estudava, na École Polytechnique, a possibilidade de que o sol poderia provocar a emissão de raios X pelos cristais. O método por ele utilizado era

de que o colocava-se cristais perto de placas fotográficas envoltas em um papel escuro, tendo uma tela composta de fios de cobre entre os dois.

Os raios de sol causando a emissão dos raios X nos cristais, os mesmos deveriam penetrar no papel escuro, mas não penetrando nos fios de cobre da tela e assim o cientista poderia ver a fotografia da tela na placa. Em seguida Becquerel colocou a tela em uma gaveta e deixou o cristal sem nenhuma proteção sobre uma mesa. Retornou , dias depois, e viu que nela havia uma impressão da tela de cobre. Sua conclusão foi a de que a radiação emitida pelo cristal (no caso de urânio) não havia sido provocada pelo Sol , e sim por alguma propriedade do mesmo cristal. Mais tarde Becquerel repetiu a experiência colocando o cristal e a placa fotográfica dentro de uma caixa blindada e obteve o mesmo resultado.

Em 1898, Marie (1867-1934) e Pierre Curie (1859-1906) descobriram elementos que produzem os raios catódicos, por exemplo, o rádio. Observando que a radiação deste elemento era maior que a do urânio. Logo a seguir batizou este fenômeno de radioatividade.

Logo após, Ernest Rutherford achou dois tipos de raios, os quais ele batizou de alfa e beta. O raio beta tendo uma característica de alto poder de penetração e o raio alfa, ao contrário, pequeno poder de penetração. Os raios beta são elétrons e os raios alfa são núcleos de hélio. Logo em seguida descobriu-se que os raios beta, ao serem defletidos em campos elétricos, mostravam ter carga negativa e tinham uma velocidade muito maior do que a dos raios catódicos - os raios beta são elétrons que vêm de dentro do núcleo e com muito mais energia. Rutherford, por outro lado, mostrou que a relação carga-massa do raio alfa era parecida com a do hidrogênio e que sua carga era duas vezes maior do que a do hidrogênio. Descobriu, portanto, o primeiro núcleo mais pesado que o hidrogênio - o hélio.

Tipos de decaimento

Primeira Lei da RadioatividadeQuando um radioisótopo emite uma partícula alfa (a) originará um novo elemento que apresenta redução de duas unidades em seu número atômico (Z -2 prótons) e redução de 4 unidades em seu número de massa (A – 4).

Por exemplo, o plutônio apresenta número de massa igual a 242 e número atômico de 94, ao emitir uma partícula alfa (a), será transmutado a urânio com número de massa igual a 238 e número atômico, 92.

Segunda Lei da RadioatividadeQuando um radioisótopo emite uma partícula beta (ß) o seu número atômico aumenta em uma unidade e o seu numero de massa praticamente não sofre alteração.

A desintegração de um nêutron no núcleo de um radioisótopo instável gera: um próton, uma partícula beta (ß), um antineutrino, radiação gama. Por isso, o número atômico aumenta em uma unidade, já que nesse núcleo houve a formação de um novo próton.

OS RAIOS CÓSMICOSO ar atmosférico é continuamente ionizado devido a sua capacidade de descarregar eletricamente corpos carregados. A presença de substâncias radioativas na terra, e algumas vezes também na atmosfera, sugere a idéia da ionização do ar como uma conseqüência da radiação emitida por estas substâncias.Embora a proporção dos gases radioativos na atmosfera diminua com o aumento da distância do chão, a ionização do ar atmosférico não diminui com o aumentar da distância do chão. Pelo contrário, aumenta.Uma experiência feita com balões mostrou, através de instrumentos para medida de ionização específica, que a ionização aumenta nos altos níveis da atmosfera. Uma explicação que pode ser dada é que a radiação presente na atmosfera não é de origem terrestre. As verdadeiras origens dessas radiações ainda não foram descobertas. Sabe-se somente que vêm do espaço cósmico; do Sol e, em maior parte, de fora do sistema solar.Com observações efetuadas por intermédio de foguetes e satélites, foi possível concluir que os raios cósmicos são núcleos de elementos químicos. Núcleos de hidrogênio e hélio foram observados com maior freqüência. Os núcleos de hidrogênio constituem 79% de todos os raios cósmicos; os núcleos de hélio (partículas alfa), 20%; os núcleos de carbono, nitrogênio e oxigênio, 0,7% e os 0,3% restantes são devidos a núcleos de número atômico (Z) maior que dez.Os raios cósmicos são átomos que, depois de perderem seus elétrons, propagam-se pelo espaço com velocidades muito grandes, próximas à da luz. Quando estes raios penetram na atmosfera se chocam violentamente com os gases que a compõe, originando nuclídeos radioativos, entre os quais podemos destacar o trítio (3H), o 14C e o 7Be. De importância secundária são o 22Na, 32P, 35S e 39Cl, por exemplo.A concentração de trítio na água dos rios é de um átomo para cada 2x107 átomos de hidrogênio. O 14C existe na atmosfera sob a forma de CO2 e interage com os organismos vivos incorporando-se às moléculas que formam a matéria viva. A atividade referente a este nuclídeo é de 0,287 Bq/g de carbono na matéria viva.

RADIOATIVIDADE EM DIFERENTES MATERIAISA radioatividade dos alimentos (sólidos e líquidos) varia devido ao local de procedência e ao processo de elaboração, pois tanto o solo como a água e os aditivos utilizados contêm elementos radioativos que são passados para os alimentos de acordo com suas concentrações. Desta forma, o próprio organismo humano pode incorporar estes elementos radioativos.O potássio, o carbono e o hidrogênio são indispensáveis à vida. Todos estes elementos possuem isótopos radioativos na sua composição isotópica natural. A ingestão de alimentos ou água, que contêm estes elementos, leva a um acúmulo de substâncias radioativas dentro do corpo humano. Na Tabela 3.2 podemos ver a dose recebida, em Sievert por ano, devido a estes nuclídeos e outros mais pesados, como o 210Pb e 226Ra. O chumbo deposita-se em

vegetais, entrando no corpo humano pela ingestão alimentar. O rádio (Ra), devido à sua semelhança com o cálcio, fixa-se nos ossos.

Os mais diversos tipos de materiais utilizados pelo homem apresentam uma atividade própria, já que são feitos a partir de substâncias existentes na crosta terrestre, assim serão radioativos em maior ou menor grau, dependendo de sua procedência.

PROTEÇÃO RADIOLÓGICAO principal objetivo da proteção radiológica é evitar a ação dos efeitos danosos da radiação sobre os indivíduos, seus descendentes e a humanidade. Devido ao alto poder de penetração das radiações e ao seu efeito ionizante, foram delineados limites máximos para a dose recebida (Sv) por trabalhadores e população em geral. Sabe-se que a dose tolerável é de 0,3 mSv/h, enquanto que devido a radiação natural de fundo se tem uma dose equivalente de cerca de 2,4 mSv/ano. Uma dose de 1 Sv pode causar náusea e vômitos, não sendo fatal. Nos diagnósticos médicos são utilizadas diferentes radiações, entre elas os Raios X.

FISSÃO NUCLEARA fissão nuclear ocorre quando um átomo instável, por exemplo, o de urânio (235 U) é bombardeado por um nêutron, levando à formação de bário (142 Ba) e criptônio (91 Kr) dois ou três novos nêutrons e energia.

Figura X: Esquema de fissão nuclear.

Os nêutrons gerados na fissão podem se chocar com outros núcleos instáveis de urânio (235 U) repetindo o processo em cadeia, que se intensifica de modo exponencial, levando à grande liberação de energia.

Caso haja uma quantidade mínima de material radioativo, denominada massa crítica, a reação seguirá até a fissão do último átomo de urânio de forma muito rápida, com liberação de uma imensa quantidade de energia. Esse é o princípio da bomba nuclear.

Quando a reação de fissão nuclear envolve menores quantidades de urânio (235 U) e o bombardeamento do núcleo atômico por nêutrons ocorre de modo controlado; por exemplo, limitando a velocidade dos nêutrons com o uso de água pesada, ou pela remoção de parte dos nêutrons gerados durante a fissão com o uso de grafite, que absorve o excesso de nêutrons. Haverá liberação regulada de energia, que, pode, por exemplo, gerar energia elétrica nas usinas nucleares.

PARTÍCULAS ALFAAs partículas alfa são idênticas ao núcleo do gás hélio, são partículas pesadas em relação às β, e possuem uma grande energia cinética ao serem ejetadas do núcleo. Devido a estas características, possuem uma trajetória quase retilínea, num dado meio.Em virtude de sua massa e de sua alta energia cinética, as partículas alfa colidem com um grande número de átomos, ionizando-os. Como a cada ionização a partícula perde uma parte de sua energia, a radiação alfa é de curto alcance, ou seja, não penetra muito na matéria.As partículas alfa podem ser bloqueadas com camadas muito finas de matéria. Uma folha finíssima de alumínio, uma folha de papel ou mesmo alguns centímetros de ar podem barrar estas partículas.

Figura X: Ilustração da penetrabilidade da radiação.

Figura X: Ilustração da penetrabilidade da radiação na pele humana.

PARTÍCULAS BETAAs partículas beta possuem massa muito pequena e 1 (uma) unidade de carga negativa. Seu alcance é bem maior que o das partículas alfa, em função de sua grande velocidade e pequena massa. A trajetória destas partículas em um dado meio é tortuosa. A ionização produzida por uma partícula β, em uma dada distância, é muito menor que aquela produzida por uma partícula α. Normalmente, durante o seu percurso na matéria, as partículas β ionizam somente 1% dos átomos ou moléculas que constituem o material, embora sofra colisão com cerca de 8400 átomos a cada centímetro que percorre. Para blindar as partículas β são necessárias maiores espessuras de matéria do que as utilizadas na blindagem de uma partícula α.

RAIOS GAMARaios gama, assim como os raios X, são radiações eletromagnéticas, que não possuem carga, nem massa. Estas radiações, exatamente como a luz visível, propagam-se na forma de “pacotes” de energia, denominados fótons. Cada fóton corresponde a um valor fundamental de energia, o quantum. São bastante penetrantes e provocam ionização de forma indireta. Três efeitos, decorrentes destes tipos de radiações, podem ocorrer na interação com a matéria: o efeito fotoelétrico, o efeito Compton e a produção de pares. A energia de cada fóton e o número atômico do material onde está penetrando é que determinam o tipo de interação predominante. Sua energia se transfere a um elétron orbital das camadas mais externas de um átomo, e esse elétron é ejetado. O resultado final é a liberação de um elétron, a formação de um íon positivo e o completo desaparecimento do fóton. Este efeito ocorre com fótons de pouca energia, assim a probabilidade do efeito fotoelétirco ocorrer diminui com o aumento da energia dos raios g. Com energias médias, predomina o espalhamento Compton, processo que se assemelha ao efeito fotoelétrico, com a diferença que o fóton é desviado por um elétron, transferindo-lhe somente parte de sua energia. Nesse processo, ocorre a liberação de um elétron, a formação de um íon positivo e, como o fóton não é completamente absorvido, um novo fóton de energia mais baixa continua interagindo com outros elétrons. A produção de pares acontece quando a energia do fóton é superior à 1,02 MeV. Nas vizinhanças do núcleo atômico o fóton desaparece e um elétron e um pósitron são criados.

Todos três processos de absorção de fótons liberam elétrons, ionizando a matéria. Estes elétrons, antes de perder completamente sua energia, podem produzir outras excitações ou ionizações no meio. Desta maneira, os raios g produzem mudanças ou alterações químicas e biológicas de forma semelhante ao produzido pelas partículas carregadas (α e β).Um fóton de radiação gama pode perder toda ou quase toda sua energia em uma única interação. É imprevisível a distância que ele percorre antes de interagir; pode-se, no entanto, prever uma distância, chamada camada semi-redutora, na qual há 50 % de chance de que o fóton g seja absorvido pelo material.

NÊUTRONSOs nêutrons interagem predominantemente com núcleos atômicos e não produzem, eles próprios, ionização. Antes da interação, os nêutrons percorrem grandes distâncias através da matéria. São, portanto, muito penetrantes.A intensidade de um fluxo de nêutrons pode ser reduzida, principalmente, por colisões elásticas dos nêutrons com núcleos atômicos ou, ainda, pela sua eventual captura por alguns tipos de núcleos. Ao sofrerem colisões elásticas com prótons, os nêutrons perdem rapidamente sua energia, e ela é reduzida na proporção de uma vez e meia a cada colisão. Menos de trinta colisões com prótons são necessárias para obter nêutrons com baixas velocidades.Materiais que possuam núcleos bastante pequenos, como o do hidrogênio, com apenas um próton, são muito eficientes para blindar um fluxo de nêutrons. A energia cinética pode ser reduzida a próximo de zero em um único choque. Isto deve-se à quase igualdade de tamanho e massa entre o próton e o elétron, o que permite em um choque frontal uma colisão completamente elástica, onde o nêutron transfere toda a energia de seu movimento para o núcleo do hidrogênio. Como ocorre em uma perfeita tacada de bilhar, em que a bola branca transfere seu movimento para a outra bola em que colidiu frontalmente, a bola branca pára, a outra vai para a caçapa. Assim, utiliza-se água e parafina, ricos em hidrogênio, para barrar os nêutrons.

RADIAÇÕES SECUNDÁRIASA radiação originada após a interação inicial das partículas radioativas e ondas eletromagnéticas com a matéria é chamada radiação secundária.Radiação eletromagnética ou mesmo elétrons podem ser originados após a interação das partículas alfa com a matéria.Quando as ondas eletromagnéticas interagem com a matéria, provocando a retirada de um elétron da camada K, ou quando ocorre uma captura de elétron por parte do núcleo, raios X são emitidos. O "buraco" deixado pelo elétron da camada K provoca um efeito cascata. Um elétron da camada L salta para camada K, um da camada M salta para camada L, e assim sucessivamente. A cada "salto" ocorre emissão de raios X, com energia igual à diferença entre

os respectivos níveis eletrônicos.

OS RAIOS XNa noite de 8 de novembro do ano de 1895, enquanto estudava os fenômenos de descarga dos gases, Roentgen observou uma estranha luz. Ao colocar sais de bário próximos do tubo de raios catódicos que utiliza em seus estudos com gases, notou que estes sais fluoresciam, emitindo luz. O que causou estranheza a Roentgen foi o fato da fluorescência ter se dado em uma sala completamente escura. Roentgen sabia que a fluorescência é uma emissão secundária da luz retirada do ambiente pelas substâncias que tem propriedades fluorescentes. Apesar de Roentgen ter recoberto o tubo com uma espessa cartolina preta os sais de bário continuavam a emitir luz. “Algum tipo de raio deveria estar atingindo os sais de bário”, concluiu Roentgen. Por não conhecer a natureza destes raios ele os chamou de raios X.Continuando suas pesquisas com estes raios, Roentgen descobriu algumas de suas propriedades:

chapas fotográficas são sensíveis aos raios X; não há reflexos ou refração dos raios, nem podem ser desviados por campos magnéticos; os objetos tornam-se transparentes diante dos raios X, em diferentes graus.

Quanto aos tipos de radiação radioativa, descobriu-se que um campo elétrico ou magnético podia separar as emissões em três tipos de raios. Por falta de melhores termos, os raios foram designados alfabeticamente como alfa, beta e gama, o que se mantém até hoje. Enquanto que o decaimento alfa foi apenas observado nos elementos mais pesados (número atômico 52, telúrio, e maiores), os outros dois tipos de decaimento foram observados em todos os elementos.

Ao analisar-se a natureza dos produtos do decaimento, tornou-se óbvio a partir da direção das forças eletromagnéticas produzidas sobre as radiações pelos campos magnético e elétrico externos, que os raios alfa tinham carga positiva, os raios beta carga negativa, e que os raios gama eram neutros. A partir da magnitude de deflecção, era claro que as partículas alfa eram muito mais maciças do que as partículas beta. Fazer passar partículas alfa através de uma janela de vidro muito fina e encerrá-las numa lâmpada de néon permitiu aos investigadores estudarem o espectro de emissão do gás resultante, e finalmente demonstrarem que as partículas alfa são núcleos de hélio. Outras experiências mostraram a semelhança entre a radiação beta clássica e os raios catódicos: são ambos fluxos de elétrons. De igual modo, descobriu-se que a radiação gama e os raios-X são formas semelhantes de radiação eletromagnética de alta-energia.

Embora os decaimentos alfa, beta e gama sejam os mais comuns, outros tipos seriam descobertos. Pouco depois da descoberta do pósitron em produtos de raios cósmicos, percebeu-se que o mesmo processo que opera no decaimento beta clássico pode também produzir pósitrons (emissão positrônica). Num processo análogo, descobriu-se que ao invés de

emitirem pósitrons e neutrinos, alguns nuclídeos ricos em prótons capturavam os seus próprios elétrons atômicos (captura eletrônica), e emitem apenas um neutrino (e geralmente também um raio gama). Cada um destes tipos de decaimento envolve a captura ou emissão de elétrons ou pósitrons nucleares, e leva o núcleo a aproximar-se da razão entre nêutrons e prótons que tem a menor energia para um dado número total de núcleos (nêutrons mais prótons).

Pouco tempo após a descoberta do nêutron em 1932, Enrico Fermi descobriu que certas reações de decaimento raras produziam nêutrons como partícula de decaimento (emissão de nêutrons). A emissão protônica isolada acabaria por ser observada em alguns elementos. Foi também descoberto que alguns elementos mais pesados podem sofrer fissão espontânea resultando em produtos de composição variável. Num fenômeno chamado decaimento aglomerado, observou-se que eram emitidas ocasionalmente pelos átomos combinações específicas de nêutrons e prótons (núcleos atômicos), que não as partículas alfa.

Decaimento alfa

Para cada decaimento alfa o elemento filho localiza-se:2 no atômicos abaixo; e2 no de neutrons menor

O decaimento alfa ocorre da seguinte maneira: a energia total envolvida no decaimento alfa é

Ea = Ecin part. a + Ecin núcleo + Eg

e fica representado como na imagem a seguir:

Figura X: Modelo de decaimento alfa. Carminatti 2014.

Cada elemento radioativo pode se decair emitindo diferentes quantidades de energia alfa.

Ra 222 decai para Polônio 218 emitindo 0,51 Mev como radiação gama.Th 228 decai para Rádio 224 por 4 diferentes emissões alfa e gama.

Sabendo-se que elementos se transformam em outros e conhecendo o caminho, é possível identificá-los, assim como fazer a relação elemento “pai” e elemento “filho”.

No Atômico No de nêutrons No de massaPai Z N Z + N = AFilho Z + 1 N - 1 Z + 1 + N - 1 = A

Figura X: Possibilidades de decaimentos, assim como a identificação do elemento pai. Carminatti 2014.

São possíveis até quatro tipos diferentes de emissões de partículas e suas variáveis, sendo que para cada tipo de emissão a radiação gama está associada, conforme imagem a seguir.

Figura X: Formas diferentes de decaimento alfa que podem ocorrer conforme cada elemento. Carminatti 2014.

Decaimento beta (b)

Para cada decaimento alfa o elemento filho localiza-se:1 no atômicos acima; e1 no de nêutrons menor

O decaimento beta é caracterizado pela emissão de um elétron do núcleo (carga b-) acompanhada pela emissão de radiação gama (g). Ela pode ser explicada como:

1 nêutron (0) = 1 próton (+) + 1 elétron (-)

Figura X: Modelo de decaimento beta. Carminatti 2014.

No decaimento beta haveria a emissão de antineutrinos = neutrino com spin invertido (-½ spin). Deste modo a emissão de radiação beta poderia ser escrita:

Em energia, fica representado da seguinte forma:

Figura X: Modelos da emissão de energia de decaimento beta. Carminatti 2014.

Captura eletrônica Para cada captura eletrônica o elemento filho localiza-se:1 no atômicos abaixo, e1 no de nêutrons maior

ZA X=Z+1

A X+ β−+ v̄+raios γ

Figura X: Modelo decaimento por captura eletrônica. Carminatti 2014.

No processo ocorrerá a existência de uma vacância no subnível de maior energia de onde saiu o elétron. O elétron do nível acima cairá para o nível inferior liberando o excesso de energia emitindo ondas de raios X.

Diferenças entre raios x e radiação gama:Raios X = nível de energia menores Origem = Eletrosfera Radiação gama = Níveis mais altos de energiaOrigem = Núcleo

Foram descobertos outros tipos de decaimento radioativo que emitiam partículas já conhecidas, mas por meio de mecanismos diferentes. Um exemplo é a conversão interna, a qual resulta na emissão eletrônica e por vezes emissão de fótons de alta-energia, embora não envolva nem decaimento beta nem decaimento gama. Este tipo de decaimento (como o decaimento gama de transição isomérica) não transmuta um elemento em outro.

São conhecidos eventos raros que envolvem a combinação de dois eventos de decaimento beta com ocorrência simultânea. É admissível qualquer processo de decaimento que não viole as leis de conservação da energia ou do momento (e talvez outras leis de conservação), embora nem todos tenham sido detectados.

Transformação de próton em nêutron Decaimento pósitron (b+)Para cada decaimento alfa o elemento filho localiza-se:1 no atômicos abaixo; e1 no de nêutrons maior

Esta radiação é caracterizado pela emissão de uma partícula do núcleo com massa igual a do elétron mas com carga positiva (pósitron, b+) acompanhada pela emissão de radiação gama (g). Ela pode ser explicada como:

1 próton (+) = 1 neutron (0) + 1 pósitron (+) Deste modo ocorre o efeito reverso do decaimento beta, com a diminuição do numero atômico, aumento do numero de nêutrons sem aumentar a sua massa atômica No Atômico No de nêutrons No de massa Pai Z N Z + N = AFilho Z - 1 N + 1 Z - 1 + N + 1 = A

Figura X: Modelo decaimento por decaimento pósitron. Carminatti 2014.

Figura X: Modelo da emissão de energia por decaimento pósitron. Carminatti 2014

A taxa de decaimento de uma átomo pai (instável) é proporcional para o numero de átomos (N) remanescente em qualquer tempo t. Matematicamente, isto é expresso como:

ondedN/dt = taxa de mudança do numero de átomos pai = taxa decresce em função do tempo

−dNdt

∝N

Para tornar a relação em uma equação é necessário introduzir a constante de decaimento (l) que é característica para cada elemento pai, obtendo-se a eq.:

Na equação anterior, lN quer dizer “a taxa de decaimento em qualquer tempo t”.Rearranjando e integrando a equação obtêm-se:Resolvendo:

Onde:

ln = log na base e de N (e = 2.718...)C = constante de integração

IMPUREZA RADIOATIVAA única explicação encontrada por Mme. Curie para a diferença de radioatividade entre a calcolita artificial e a natural era a existência de uma impureza altamente radioativa.Trabalhando no tratamento de um minério de urânio, a pechblenda, ainda mais radioativo, logo conseguiram isolar uma pequena parte de um produto altamente radioativo. Este produto estava longe de ser um elemento puro e, de fato, era apenas uma impureza saída de uma das amostras, mas sua alta radioatividade indicava a existência de um novo elemento. Mme. Curie propôs, então, que se este novo elemento viesse a ser isolado e caracterizado, receberia o nome de Polônio, em homenagem à sua terra natal.Continuando as análises químicas dos vários minérios de urânio, descobriram um novo elemento químico, o rádio, este elemento do grupo do bário e de alta radioatividade foi isolado mediante cristalização fracionada.Foi nesta época que Mme. Curie deu o nome de radioatividade à propriedade que o rádio e outros elementos instáveis apresentam de emitir radiações espontaneamente ao se desintegrarem.Quando um isótopo radioativo se transforma em outro não estável, depois em outro, e assim sucessivamente, até chegar a um estável, temos uma família ou série radioativa.Embora existam atualmente muitas séries radioativas obtidas artificialmente, na natureza existem apenas três séries importantes. Estas séries têm início com os isótopos U 235, U 238 e com o Th 232, por isso estes nuclídeos, muitas vezes são chamados núcleos pai. Os últimos

−dNdt

=λN

−∫ dNN

=λ∫dt

−ln N=λt+C

nuclídeos destas séries são, respectivamente, Pb 207, Pb 206 e Pb 208, isótopos do elemento de número atômico 82, o chumbo (Pb).O núcleo, ao se desintegrar, pode emitir diferentes radiações, que podem ser ondas eletromagnéticas ou partículas radioativas. Estas podem causar mudanças no número atômico, no número de massa, ou mesmo em ambos. Ao emitir partículas α, o núcleo perde dois prótons e dois nêutrons. Já com a emissão de partículas β−¿ ,¿ocorre o acréscimo de uma unidade no número atômico. Um nêutron se transforma em um próton, que fica no núcleo, e em um elétron, a própria partícula β−¿¿, que é emitido pelo núcleo.

UNIDADES DE MEDIDA DE RADIAÇÃOCom a descoberta da radioatividade e dos efeitos biológicos que este fenômeno acarreta, se fez necessária a criação de unidades que pudessem traçar algum parâmetro comparativo entre unidades, efeitos biológicos e energias de diferentes radiações.Diferentes nuclídeos radioativos possuem diferentes velocidades de desintegração. Esta velocidade chama-se atividade, que representa o número de desintegrações nucleares sofridas por um nuclídeo na unidade de tempo. Quando o nuclídeo apresenta uma desintegração por segundo, diz-se que sua atividade é de 1 Becquerel (Bq).Outra unidade importante é a da energia absorvida por um certo material quando a radiação ionizante o atinge. Quando a energia de 1 Joule (J) é absorvida por um quilograma (Kg) de material, diz-se que a dose absorvida é de um Gray (Gy). A energia, porém, não é suficiente para caracterizar os danos provocados pela radiação em organismos vivos. A distribuição destes danos depende da energia, da massa e da carga da radiação.Para expressar estes danos existe uma outra unidade chamada Sievert (Sv). Por exemplo: uma dose de 1 Gy para radiação gama faz menos danos nos tecidos vivos que a mesma dose absorvida de radiação alfa. Este fator que qualifica o efeito de cada tipo de radiação é chamado fator de qualidade e deve ser multiplicado pela dose absorvida (Gy) para se obter a dose equivalente em Sv.

Figura X: Escala Sievert.

Normalmente, no caso das radiações gama, X e beta, este fator é igual a 1; já no caso das radiações alfa, é igual a 20. A Figura 2.3 mostra as diversas unidades radiológicas existentes.No entanto, o uso destas unidades do Sistema Internacional (SI) é relativamente recente. Há outras unidades para expressar os mesmos efeitos, que ainda são muito usadas. Abaixo fazemos um comparativo entre unidades.

MEIA VIDAÉ difícil precisar quando ocorrerá decaimento de um certo radionuclídeo. Isso pode acontecer logo ou somente daqui a centenas de anos. No entanto, cada tipo de nuclídeo possui uma atividade típica, que é o número de desintegrações por unidade de tempo, ou seja, a velocidade do decaimento. Assim, uma dada fração de átomos radioativos sempre decairá em um determinado tempo. O tempo correspondente ao decaimento da metade dos átomos de uma amostra radioativa é chamado tempo de meia-vida, ou simplesmente, meia-vida.

Figura X: Exemplos de meia vida de alguns átomos.

Desta eq. surge o conceito de meia vida = tempo que leva para metade dos elementos pai tenham se transformado em elementos filhos:

t = T½ e N = ½N0

Substituindo estes valores na eq. de quantificação dos elementos pais temos:

Esta eq. relaciona a meia vida de um elemento com a sua constante de decaimento e vice versa.

Figura X: Gráfico da relação entre átomos filhos e pais em relação ao número de meias vidas. Carminatti 2014.

N=N 0 e− λt⇒1/2 N 0=N 0 e− λT1 /2

ln (1 /2 )=−λT 1/2⇒ ln 2=λT 1/2

T 1/2=ln 2λ

=0 .693λ

ou λ=0 . 693T 1/2

A partir do decaimento é possível determinar as séries radioativas.

Figura X: .Série radioativa do U238 -> Pb206. Carminatti 2014

Figura X: Série radioativa do U235 -> Pb207. Carminatti 2014

Figura X: Série radioativa do Th232 -> Pb208. Carminatti 2014

Cada decaimento emite uma determinada quantidade de energia na forma de radiação gama em conjunto com as emissões alfa e beta.Identificando a quantidade de energia das emissões gama pode-se detectar a presença de cada um dos elementos radioativos.Princípio da gamaespectrometria = identificação das janelas de energia emitidas pelos elementos radioativos de um material.Th232 = Tl208 = 1460 Mev (1.370 a 1.570 MeV).U238 e U235 = Bi214 = 1760 Mev (1.660 a 1.860 MeV).K40 = 1460 MeV (1.370 a 1.570MeV).

Equilíbrio secularCada elemento filho que é formado pelo decaimento do elemento pai dentro da série radioativa, se torna automaticamente um elemento pai que decairá em outro elemento filho e assim sucessivamente até atingir o elemento final da série (U->Pb).Cada novo elemento possui uma meia vida diferente do anterior, podendo ocorrer duas situações extremas:½ vida do elemento filho > elemento pai = Ý elemento filho½ vida do elemento filho < elemento pai = Ý elemento paiComo a quantidade de elementos pai diminui em função do tempo a produção dos filhos também diminui. Deste modo surge um ponto onde ocorre o equilíbrio, onde a mesma quantidade de filhos gerados pela desintegrações dos pais se desintegram gerando novos filhos e assim sucessivamente. Isso pode ser expresso como:

l1N1 = l2N2 = l3N3 = ... = lnNn

O tempo necessário para que este equílibrio seja estabelecido entre dois elementos é expresso pela eq.:

Este conceito é extremamente importante para o uso da quantificação dos elementos radioativos em uma rocha pela quantificação do numero de desintegrações que um dado elemento filho possui dentro da série de desitegração.No de desintegrações = No de filhos µ quantidade do paiNos casos geológicos isto é aplicado na quantificação do Th232 e U238:Th232 Þ eq. = 45 anos U238 Þ eq. = 106 anos (U328 -> Bi214 = 200 dias)Deste modo deve-se ter certeza que o sistema esta fechado para estes elementos por estes períodos para a contagem esteja coerente.DETERMINAÇÃO DA IDADE DE FÓSSEIS

t eq=( 1λ1−λ2

) ln( λ1

λ2)

Do mesmo modo que a meia vida do urânio permite a estimativa da idade da terra é possível verificar a idade de fósseis a partir da determinação da quantidade de isótopo 14 do carbono que o fóssil ainda possui.Dos isótopos do carbono, apenas o Carbono 14 é radioativo, transformando-se continuamente em nitrogênio 14 através de emissão beta. Apesar desse decaimento, o teor de Carbono 14 na atmosfera é praticamente constante, o que se deve principalmente à reação resultante do choque de átomos de nitrogênio atmosférico com nêutrons provenientes dos raios cósmicos, formando Carbono 14.As plantas, ao realizarem fotossíntese, incorporam os isótopos do carbono na mesma proporção em que são encontrados no CO2 atmosférico. A fotossíntese é um conjunto de reações químicas, e como estas envolvem apenas alterações na eletrosfera, não há distinção ou preferência por isótopos radioativos ou não radioativos. Os animais, através das mais diferentes cadeias alimentares, incorporam átomos de carbono na mesma proporção em que estão nas plantas e na atmosfera.A partir do momento em que uma planta ou animal morre, deixa de incorporar átomos de carbono: o teor de Carbono 14 começa a diminuir, caindo à metade a cada 5600 anos. Para determinar a idade de um fóssil busca-se, portanto, o teor de Carbono 14. Com este valor encontra-se, a partir da curva de decaimento, quanto tempo já se passou desde que o ser vivo morreu. Para este método de datação deve-se observar a necessidade da meia-vida do radionuclídeo escolhido ser da mesma ordem de grandeza da idade presumível do que se pretende datar. A meia-vida do Carbono 14 é da ordem de 5.500 anos e já foi utilizado na datação de fósseis com 9000 e 11000 anos, por exemplo.

O urânio, o tório, o rádio, o polônio e outros elementos, são radioativos e se encontram combinados aos mais diversos elementos, podendo ser encontrados, em diferentes quantidades, em rochas, nas praias, nas águas do mar e fluviais. O isótopo 40 do potássio (40K), radioativo, pode inclusive ser encontrado no corpo humano.Na atmosfera terrestre existem gases radioativos originados das séries radioativas. Os gases de maior importância, devido à sua maior meia-vida, são os isótopos do gás nobre radônio, 86 222Rn e 86 220Rn (que antigamente se chamava torônio, pois é originado na série radioativa do tório). Estes gases possuem meia vida de 3,5.105 e 55 segundos, respectivamente, e se originam a partir do decaimento dos isótopos 226 e 224 do rádio.Portanto, estes elementos, e os gases originados a partir deles, são fontes naturais de radiação. A soma das intensidades das radiações (atividades) provenientes destas diversas fontes é chamada radiação de fundo.

NA NATUREZAO tório e o urânio não existem livres na natureza, ocorrendo somente combinados a outros metais. O urânio é 40 vezes mais abundante que a prata e 800 vezes mais que ouro, no entanto, possui jazidas muito dispersas, o que não acontece com o tório.Os principais produtores mundiais destes metais são os Estados Unidos, a África do Sul, a Austrália, o Canadá e a França. No Brasil encontra-se urânio economicamente explorável em Minas Gerais. O tório pode ser encontrado nas areias monazíticas, que existem na orla

marítima do Rio de Janeiro, da Bahia, do Rio Grande do Norte, do Maranhão e, principalmente, no Espírito Santo.As áreas do Brasil que possuem maior intensidade de radiações, ou seja, apresentam uma alta radiação de fundo, são justamente as áreas nas quais se encontram depósitos de urânio e tório.

Os gases radioativos se misturam à atmosfera terrestre, assim o vento, a chuva e a poluição influem na sua dispersão pelo planeta. No entanto, maiores atividades serão encontradas em regiões que, por motivos geológicos ou geoquímicos, possuam maiores concentrações destes gases, ou dos elementos radioativos que os originam.

O potássio está presente nestes minerais dentro da sua estrutura:Micas

Muscovita H2KAl(SiO4)] 7,9 a 9.8%Biotita K (Mg,Fe)3 (AlSi3O10)(OH,F)2 6.2 a 10.1

FeldspatosMicroclínio KAlSi3O8 triclinico 10.9 a 16%Ortoclásio KAlSi3O8 monoclínico 11.8 a 14%

Feldspatóides Leucita K Al (SiO3)2 17.9%

Nefelina (Na, K) AlSiO4 4 a 8%

Abundância de urânio nos minerais O urânio está presente tanto na forma de minerais de urânio como na forma microscópica de inclusões, fraturas ou qualquer outra superfície interna aos grãos.Nos processos geológicos este elemento é considerado extremamente móvel pois se solubiliza na água levemente acida muito facilmente, formando sais (íon uranil UO2

2+) estando presente nos rios e lagos.Este íon pode facilmente precipitar, se fixando nos sedimentos de três modos:1) precipitação química (pH 2,5 a 4, acido) ou por redução (pH 0 a 0.4)2) adsorção pela matéria orgânica (plancton, plantas, conchas, esqueleto animal, etc 3) adsorção por fosfatos.Dificilmente ele se combina com silicatos.

Minerais de urânioAutunitaBequerelita Carnoilita até 76%Pechblenda UraninitaTiuaimunita EnriquecidosBetafita

Calcolita até 56%Fergusonita Pirocloro uranotile

O Tório é muito abundante em minerais ricos em silica, sendo mais estável do que o urânio, dificilmente se solubilizando no meio aquoso.Os minerais ricos em tórioZircônio 100 a 2500 ppm Monazita (2.5 a 20) x 104 ppm Epidotos 50 a 500 ppm Esfeno 100 a 600 ppm Alanita 500 a 5000 ppm Argilo mineraisBauxita 10 a 130 ppm Glauconita (terrestre) <10 ppm Bentonita (marinha) 4 a 55 ppm

Elementos Radioativos nos olosA concentração de elementos radioativos no solo é determinada pela radioatividade da rocha fonte e pela totalidade de processos subseqüentes que formaram o solo. A concentração má xima de U, Th e K está associada com sollos que se desenvolveram a partir de rochas magmáticas ácidas e argilas. O conteúdo de elementos radioativos é mais elevado, q uando mais elevada for a fração de argila (dimensão da partícula até 0,01 mm). Esta regra geral está estritamente ligada com a elevad a adsorção de partículas de argila. Nos so los que se desenvolveram de rochas originárias de mesmo tipo, a dependência da correlação é praticamente linear Na tabela 4 vemos a quantidade de tório e potássio em alguns tipos de solos:

Tabela x - Teor de Tório e Potássio em alguns tipos de solo.Solo Th (PPM) K %Médios e suaves sod-podzolic o 3.3 1.2Verde suave e verde floresta podzolizado 4.8 1.6Humus 6.0 1.7Solo preto 7.0 1.8

Elementos Radioativos nas RochasRochas Metamórficas: Neste tipo de rocha a quantidade de elemento radioativo está relacionada à quantidade anterior ao metamorfismo. O efeito do metamorfismo tende a diminuir a concentração destes elementos conforme o grau do metamorfismo aumenta. O

urânio sendo o mais móvel tende a sair da rocha desde o começo do metamorfismo na forma solúvel de uranila.

Rochas ígneas: Apresentam variações quanto aos teores de potássio, urânio e tório. O mais abundante dos três elementos é o potássio o qual é encontrado em feldspatos alcalinos e micas, o u seja, quanto maior a quantidade de sílica na rocha maior a quantidade de radioatividade, devido ao potássio que está dentro da estrutura dos silicatos. Urânio e tório quando presentes em rochas ígneas estão principalmente associados a minerais moderadamente radioativos, ou ocorrem nos interstícios de minerais ou inclusões fluídos. Espera-se, portanto, que solos derivados de rochas básicas, como os diabásios, apresentem radiação gama inferior àqueles solos provenientes do intemperismo de rochas ácidas.

Rochas Sedimentares: É o tipo de rocha que apresenta a maior quantidade de argilominerais, portanto é encontrado elemento radioativo em bastante quantidade (potássio). Em arenitos feldspatódicos, micáceos e em arenitos ricos em met ais pesados é facilmente encontrado elemento radioativo. No primeiro devido ao potássio na forma de k-feldspato e nos demais devido à presença de tório e urânio. Neste tipo de rocha, a presença de elementos como o tório e o urânio nos trazem informações sobre a gênese da rocha e a determinação de que há outros minerais associados àquela rocha.

MÉTODOS RADIOMÉTRICOSO método radiométrico ou radiometria, consiste em detectar as emissões nucleares das rochas que contêm minerais radioativos. Normalmente detecta-se a radiação gama através de um cintilômetro, gamaespectômetro ou até mesmo o mais simples, o contador Geiger. Os instrumentos radiométricos foram desenvolvidos primordialmente para a detecção de urânio, mas logo apareceram outras aplicações importantes. As informações são processadas por meio de softwares especializados e os resultados apresentados na forma de mapas e perfis, para os três elementos Urânio, Potássio e Tório, assim como para a Contagem Total e para razões entre os elementos (U/Th, Th/K, U/K, K.U/Th).

CONTADOR GEYGERO contador Geyger-Müller é um aparelho que serve para medir a radiação emitida por uma fonte radioativa, para isso utiliza a ionização que as radiações provocam. Um tubo cilíndrico com paredes metálicas, contendo um gás em seu interior, é conectado a uma fonte de alta tensão. Quando a radiação penetra no cilindro, ioniza o gás. Os elétrons entram em movimento, devido à ação de um forte campo elétrico, e são atraídos por um filamento carregado positivamente disposto ao longo do cilindro. Ao atingirem o filamento, os elétrons geram um rápido pulso (variação) de tensão. Este pulso provoca o deslocamento de um ponteiro na escala do aparelho, ou um sinal sonoro, o que indicará a quantidade, ou presença, de radiação.

Figura X: Modelo geoarqueológico demonstrando diferentes anomalias gama superficiais de acordo com o material do solo, sua espessura e percentagem de concentração de CaCO3 no sítio. Note que logo acima da

concentração de conchas, a contagem é menor.

Figura X: Ilustração do poder de penetração no solo e alcance de superfície da leitura do contador Geiger.

CINTILOMETRIAO método geofísico da cintilometria fundamenta-se na captura de radiação proveniente de elementos radioativos naturais (40K, 232Th e 223U) encontrados em minerais, intimamente correlacionados à composição mineralógica das rochas. Em particular, desempenham um papel predominante no estudo da radioatividade das rochas da crosta terrestre, devido à abundância inicial destes elementos. Após as correções, as coordenadas são transformadas em coordenadas planares para a construção de gráficos de distância (em metros) x cintilações por segundo (cps), para a elaboração dos perfis de cintilometria.

Figura X: Dois modelos de Cintilômetros que existem no mercado.

Figura X: Exemplo de levantamento por cintilometria.

GAMAESPECTÔMETRIAPela grande diferença existente entre os tipos de rochas com a afinidade dos radioelementos pode-se dizer que os dados gamaespectrométricos são mais efetivos para:- mapear rochas áçidas em relação as básicas (afinidade c silica)

- mapear rochas sedimentares ricas em argilas ou com clastos acidos (conglomerados arcoseanos)- mapear o avanço do metamorfismo (diminuição da radioatividade)A medida do canal total (U + Th + K) é melhor aplicada para isolar unidades radiométricas por possuir uma maior intensidade e precisão estatística.

A medida dos canais individuais (Th, U e K separadamente) são mais confiáveis na identificação do tipo litológico, podendo separar os possíveis tipos de rochas (ígneas – sedimentares – metamórficas).Além disto estes dados também auxiliam na identificação de trends estruturais.Para a localização de zonas de exploração mineral os dados de razões Th/U, Th/K e U,K são mais indicados. Como zonas mineralizadas estão associados a processos de concentração preferencial (hidrotermalismo, evolução magmática, alteração, oxi-redução, etc.). Modificando preferencialmente a concentração inicial de um elemento em relação aos demais.

Os espectrômetros de fótons gama detectam as radiações gama, e transformam as energias eletromagnéticas em pulsos elétricos de amplitudes proporcionais às energias incidentes. As energias transportadas pelos fótons gama originados dos elementos radioativos são convertidos em pulsos elétricos, pelo conjunto cristal sensor - válvula fotomultiplicadora - amplificador espectroscópico, que são discriminados de acordo com as janelas de interesse. Um conjunto de canais de energia, correspondendo a fotopicos de raios gama, também designados de janelas de energia ROI ( Region Of Interest), é escolhido para melhor discriminação dos radioelementos de interesse.As energias dos gama emissores do K, U e Th atingem 2615 KeV e acima de 3 MeV são denominados de raios cósmicos. O espectrômetro portátil GS-512, usado neste projeto, é um detetor multicanal MCA (multichannel analyzer) para medida do espectro de energias dos raios gama, que opera com baterias internas. O espectrômetro é formado de um detector de cintilação de NaI(Tl) (Iodeto de sódio dopado com tálio) de 76 x 76 mm e de um analisador de amplitude de 512 canais, controlado por um microcomputador.A memória digital do espectrômetro armazena os dados resultantes do levantamento nas estações (identificação da estação e dados de contagem nas janelas do K, U e Th) ou o espectro total de 512 canais. A memória de 240 Kb permite armazenar resultados de até 4000 estações, ou de aproximadamente 200 espectros completos, ou então, uma combinação de ambos.Medidas de superfície são feitas com o detector encostado no solo ou situado a uma altura não muito elevada, e a geometria adotada é de 2 (espaço semi-infinito), isto considerando uma camada de solo com atividade distribuída uniformemente, extensa tanto lateralmente como em profundidade e, onde mais de 50% da intensidade de radiação origina no nível superior da camada, que é de 5cm para solos (Figura 7.3). Camadas de solos com mais de 25cm contribuem com 15% da intensidade total detectada. Não obstante, fontes radioativas situadas a profundidades maiores podem ser detectadas na superfície, pois uma atividade maior pode compensar a absorção da radiação pela matéria localizada acima da fonte e, uma fração dessa radiação pode chegar até a superfície e ser detectada (LEIPUNSKII et al., 1965).

As determinações das concentrações dos elementos-pai das séries do U e do Th são indiretas, e são expressas em ppm (partes por milhão) de eU, eTh, e em % para K pois sua ocorrência é maior na natureza. Espectrômetros multicanais registram os espectros da radiação gama numa ampla região de interesse e os valores de ROI quando corrigidos,podem ser convertidos em concentrações, se as constantes de sensibilidade do detetor são conhecidas.Para estudos geofísicos são utilizados elementos - filho beta emissores, de maiores atividades, das séries radioativas. O Urânio (238U) é medido através do elemento filho Bismuto (214Bi) e o Tório (232Th), através do elemento filho Tálio (208T1). Para que o valor de concentração de um elemento-pai, determinado através da emissão gama de um de seus descendentes tenha significado, é importante que os membros da família radioativa envolvida estejam em equilíbrio radioativo secular. A condição de equilíbrio radioativo secular é obtida quando o número de átomos-filho que estão se desintegrando por segundo é igual ao número de átomos que estão sendo criados por desintegrações do isótopo-pai.Os parâmetros dos espectrômetros podem ser determinados de um conjunto de equações obtidas de medidas realizadas sobre blocos-padrão (pads) de cimento, de concentrações conhecidas de U, Th e K, em equilíbrio radioativo secular. Esses coeficientes determinados são as correções de Compton e de sensibilidade que relacionam os valores dos ROI medidos com as concentrações de U, K, Th do solo. Os maiores valores de concentrações para as várias situações geológicas são de ordem de 4%K, 3-4 ppm eU e 17- 18 ppm eTh.Em geral, a presença tanto de U como Th produz respostas nos 3 canais de detecção (ROI) do espectrômetro. Assim, uma resposta no canal de U ou de Th pode indicar a presença de U, Th ou os dois e a resposta no canal de K também pode indicar a presença de K, U ou Th. A calibração leva em conta essas interações e permite estimar as quantidades de K, U e Th na fonte geológica que causa estas respostas observadas. Procedimentos de calibração usam concentrações conhecidas de K, U, e Th para estimar as constantes de proporcionalidade/sensibilidade. Primeiro, entretanto, é necessário medir e corrigir a radiação de fundo, também denominada background.

BackgroundA radiação natural originada na superfície da Terra pode ser detectada pelo espectrômetro de raio gama, e pode ser convertida em concentrações de K, eU e eTh. Outras fontes de radiação produzem um background (radiação de fundo) que é parte do ruído e precisa ser removida das leituras observadas. As três fontes principais de ruído de fundo são: ruído eletrônico do instrumento, radiação cósmica e radiação atmosférica.A radiação penetrante na atmosfera dá início ao fluxo de raio gama cósmico que gera uma radiação de fundo, parte da qual tem energias abrangidas pelos espectrômetros gama. Os decaimentos radioativos de gases presentes na atmosfera, principalmente Radônio (222Rn) e seus elementos filhos, são a fonte principal de radiação de fundo. Este gás nobre é produzido nas rochas e no solo a partir da série do Urânio 238 e está presente nas camadas baixas da atmosfera. A radiação de fundo para cada ROI do espectrômetro é estimada tomando-se medidas na área onde o fluxo de gama no solo é mínimo. Medidas de background atmosférico podem ser obtidas num barco ou numa ponte de madeira sobre um rio ou lago que tenham

lamina d'água de espessura mínima de 1m. Nesta situação, a absorção da radiação proveniente do solo é superior a 97%. O barco deve estar longe o suficiente da margem do lago para que não haja contribuição de radiação vindo do subsolo.Uma forma menos exata, usada para medidas relativas das razões U/Th, U/K e Th/K, é a reocupação de uma base onde todas as medições das janelas ROI serão corrigidas. Terrenos graníticos e gnáissicos podem ter altos contrastes e devem ser evitados como estações de reocupação. Basicamente, rochas ígneas e a maioria das sedimentares estão geralmente associadas a baixos teores, com algumas exceções. Ao final de cada linha dentro da malha deverão ser feitas reocupações na base, para estabelecer as variações diurnas de radiação de fundo.

Figura X: Modelo de Gamaespectômetro portátil.

Figura X: Perfil esquemático da topografia típica dos sambaquis em forma de montículos.

Figura X: Esquema representativo das interações entre as janelas de K, U e Th. A interferência entre janelas de energia denominado fator de stripping é usada para remover a interferência segundo as setas indicadas acima.

Alguns resultados de levantamentos feitos com gamaespectômetros.

Figura X: Dados aerogeofísicos trabalhados (magnetometria e gamaespectrometria).

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