Radioatividade

RadioatividadeHistória da Radioatividade:

1869 – Ampola de Crookes e os raios catódicos1897 – Thomson e os elétrons1895 – Raios X de Röntgen1896 – Becquerel e a fluorescência1898 – Marie e Pierre Curie, o Polônio e o Rádio1898 – Rutherford1932 – Chadwick e os nêutrons

RadioatividadeAmpola de Crookes foi o começo de tudo. A descoberta dos raios catódicos, do modelo atômico de Thomson, dos raios X e todas as suas conseqüências são devido a esse tubo de gases rarefeitos.

Opinião do Prof. Rossoni

A ampola é formada por um cátodo (polo negativo), por um ânodo (polo positivo), internamente quase nada (pressão muito baixa) e alta voltagem (em torno de 10.000 Volts).

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RadioatividadeComo ocorre isso?

Como a tensão é muito elevada, os elétrons saem do cátodo com grande energia cinética rumo ao ânodo. Durante a trajetória, os elétrons quase não perdem energia porque, no meio rarefeito, quase não há colisões entre as partículas. No entanto, os elétrons não conseguem curvar sua trajetória e acabam colidindo contra as paredes de vidro. Aí, parte da energia cinética é transformada em energia luminosa. A seguir os elétrons são succionados pelo ânodo.

RadioatividadeCrookes demonstrou que os raios catódicos eram constituídos de partículas de carga negativa, pois, sofrem deflexões diante de campos elétricos ou magnéticos.

Em 1897, Thomson conseguiu determinar a massa dessas partículas de carga negativa, constatando ser bem menor que o mais leve dos átomos. Então se existem partículas mais leves que o átomo, o átomo é divisível. Os raios catódicos foram chamados de elétrons.

RadioatividadeAmpola de Crookes com roda de pás.

RadioatividadeSurge então o Modelo de Thomson, conhecido como pudim de passas.

RadioatividadeRaios X de Röntgen

RadioatividadeOs raios X foram descobertos em 8 de novembro de 1895, por um físico alemão chamado Wilhelm Konrad Röntgen. A geração desta energia eletromagnética se deve à transição de elétrons nos átomos, ou da desaceleração de partículas carregadas.

A descoberta dos raios X causou um verdadeiro sensacionalismo no meio científico. Alguns meses após a sua descoberta, os raios X já eram empregados em clínicas médicas.

RadioatividadeRöntgen estava fazendo experiências com uma ampola de Crookes em plena descarga. Observou que alguns materiais, como uma placa coberta por sulfeto de zinco, tornavam-se fluorescentes quando colocados nas proximidades da região de colisão dos raios catódicos.

A fluorescência do cartão permanecia, mesmo que entre o cartão e a ampola fosse colocada uma placa de papelão.

RadioatividadeRöntgen percebeu que quando fornecia energia cinética aos elétrons do tubo, estes emitiam uma radiação que marcava a chapa fotográfica. Intrigado, resolveu colocar entre o tubo de raios catódicos e o papel fotográfico alguns corpos opacos à luz visível.

Desta forma, observou que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a chegada desta estranha radiação até a placa de platinocianeto de bário. Isto indicava que a radiação possui alto poder de penetração.

RadioatividadeApós exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen pediu à sua esposa que posicionasse sua mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

O resultado foi uma foto que revelou a estrutura óssea interna da mão humana.

Essa foi a primeira radiografia, nome dado pelo cientista à sua descoberta

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Posteriormente à descoberta do novo tipo de radiação, cientistas perceberam que esta causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento para quem se expusesse sem nenhum tipo de proteção. Em casos mais graves, poderia causar sérias lesões cancerígenas, necrose e leucemia, e então à morte.

RadioatividadeBecquerel e a fluorescência:

“As substâncias, quando fluorescentes, emitem raios X.” Ele se utilizou então de diversas substâncias fluorescentes ao ultravioleta, expondo-as à luz solar. Estas amostras eram colocadas sobre chapas fotográficas envolvidas por papel negro. Então, a chapa fotográfica estava protegida dos raios da luz solar. Se a fluorescência na amostra emitisse raios X, então estes atravessariam o papel negro iriam impressionar o filme.

RadioatividadeO sulfato duplo de potássio e uranila K2UO2(SO4)2 era a única substância fluorescente que conseguia impressionar o filme.

Na ocasião em que Becquerel realizava experiências, ele teve que interrompê-las em face dos dias chuvosos e nublados que se seguiram.

Ele guardou numa gaveta o sal de urânio sobre uma chapa fotográfica. Como não havia incidência de ultravioleta no sal, este não poderia emitir raios X.

RadioatividadeChapa fotográfica de Becquerel marcada com emissões naturais do sulfato duplo de potássio e uranila:

RadioatividadeAo revelar o filme da gaveta, com surpresa notou impressões muito mais intensas que nas suas experiências. Estava provado que não era a fluorescência a causa das emissões estranhas análogas aos raios X. Logo, foi evidenciado que o K2UO2(SO4)2 tinha a propriedade de, espontaneamente, produzir emissões que atravessavam o papel negro e vinham decompor o sal de prata do filme fotográfico. Assim, em 1896, Becquerel declarava que o mineral emitia estranhos raios que, inicialmente, foram denominados de raios Becquerel.

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RadioatividadeEm fim, a Radioatividade!

Marie Sklodowska Curie e Pierre Curie a propriedade de emitir aqueles raios era comum a todas as substâncias que possuíam urânio, evidenciando assim que o “elemento urânio era o responsável pelas misteriosas emissões”. Para o fenômeno foi sugerido o nome de radiatividade ou radioatividade que quer dizer: atividade de emitir raios (do latim: radius).

RadioatividadePara extrair o urânio, compravam minérios de diversas procedências. Um deles, a pechblenda, apresentava-se muito mais radioativo que outras amostras. O mineral de liberava radiação a uma velocidade quatro vezes maior do que se calculava com base no conteúdo de urânio.

Uma das frações de impureza extraída da pechblenda apresentava-se muito mais radioativa que o urânio puro.

RadioatividadePechblenda

RadioatividadeEste fato fez com que o casal Curie desconfiasse da existência de um outro elemento radioativo até então desconhecido.

De fato, em 1898 eles conseguem isolar um novo elemento radioativo, cerca de 400 vezes mais radioativo que o urânio, ao novo elemento, foi dado o nome de Polônio.

Seis meses depois, o casal Curie anunciava a descoberta de outro elemento muito mais radioativo que o Polônio e que foi denominado de Rádio.

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RadioatividadeRutherford conseguiu demostrar que as partículas as emissões radioativas são consituídas de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e radiações (ondas eletromagnéticas).

RadioatividadeRadioatividade é a emissão espontânea de radiações de núcleos instáveis de átomos, dando origem a outros núcleos.

  

O processo mostrado é chamado de reação nuclear, decomposição radioativa, transmutação ou ainda decaimento radioativo.

RadioatividadeA estabilidade do núcleo está relacionada com as forças de repulsão próton-próton e as forças atrativas nucleares fortes, sendo o núcleo tanto mais estável quanto maior for a sobreposição das forças atrativas às repulsivas. Os núcleos são mais estáveis se:1. A razão n/p aproximadamente igual a 1 para Z baixos.2. A razão n/p > 1 para Z elevado.3. O número de nêutrons ou prótons for 2, 8, 20, 28, 50, 82.4. Possuírem número par de ambas as partículas nucleares.

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Emissão Natureza Representação

alfa núcleo de He 4α+2

beta elétron do núcleo 0β-1

gama onda eletromagnética de alta energia

0γ0

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Emissão Velocidade/luz

Poder depenetração

Poder de ionizaçãodos gases

alfa 5 – 10% 1 10000

beta 40 – 95% 100 100

gama 100% 10000 1

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RadioatividadeContador de Geiger-MüllerA radiação entra no tubo e produz ionização das moléculas gasosas, gerando uma corrente elétrica, cuja intensidade é registrada pelo ponteiro.

RadioatividadeContador de Geiger-Müller

Radioatividade1ª Lei da Radioatividade Em 1911, Soddy enunciou a primeira lei da radioatividade:  

“Quando um elemento emite uma partícula alfa, forma-se outro elemento, situado dois lugares antes na Tabela Periódica (numero atômico duas unidades menor) e com número de massa quatro unidades menor.”

RadioatividadeGeneralizando temos: 

Observe que tanto a massa quanto a carga se conservam. Em qualquer reação nuclear, ocorre simultaneamente: Conservação da Carga e Conservação dos Núcleons (prótons + nêutrons).

Exemplo:

Radioatividade2ª Lei da Radioatividade

Dois anos mais tarde, Soddy enunciou a segunda lei da radioatividade. Essa lei foi enunciada simultânea e independentemente por outros dois cientistas: Russel e Fajans.  

“Quanto um elemento emite uma partícula beta, forma-se um outro elemento, situado um lugar depois na Tabela Periódica (numero atômico uma unidade maior) e com a mesma massa atômica.”

RadioatividadeGeneralizando temos: 

Da mesma forma, a carga e a massa se conservam.

Exemplo:

RadioatividadeSéries radioativas

Esse processo espontâneo é responsável pela transformação sucessiva de um elemento em outro, e ainda em outro e em outro, formando-se cadeias de elementos. A essas cadeias são chamadas de séries radioativas.

Série ou família radioativa é o conjunto de elementos relacionados por sucessivos decaimentos radioativos. Existem 4 séries radioativas, sendo 3 naturais e 1 artificial.

RadioatividadeSéries radioativas naturais:Série do Urânio: 238U92 –> sucessivas emissões α e β –> 206Pb82. (4n+2)

Série do Actínio: 235U92 –> sucessivas emissões α e β –> 207Pb82. (4n+3)

Sério do Tório: 232Th90 –> sucessivas emissões α e β –> 208Pb82. (4n) Série radioativa artificial:Série do Netúnio: 237Np93 −> sucessivas emissões α e β −> 209Bi83. (4n+1)

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Nome da série

1º elemento Último elemento

Identificaç. da série

Tório Th – 232 Pb – 208 4n

Netúnio Np – 237 Bi – 209 4n + 1

Urânio U – 238 Pb – 206 4n + 2

Actínio U – 235 Pb – 207 4n + 3

RadioatividadeAnote o esquema dado pelo Prof. Rossoni de como achar qual isótopo é de qual série:

RadioatividadeDescoberta dos Prótons de Rutherford/Goldstein

A primeira reação de transmutação artificial foi realizada por Rutherford em 1919.

Ele colocou um pedaço de polônio dentro de uma ampola selada contendo apenas nitrogênio. Após algumas semanas constatou a presença de oxigênio dentro de ampola.

7N14 + +2α4 8O17 + 1p1.

RadioatividadeDescoberta dos Nêutrons de Chadwick (1932)

Em 1932, o físico inglês Sil James Chadwick descobre os nêutrons, nome devido a sua neutralidade.

Uma placa de polônio foi justaposta a uma finíssima lâmina de Berílio e outra de parafina.

4Be9 + +2α4 6C12 + 0n1.

RadioatividadeIrene Curie Joliot – Frederick Joliot (1934)

Em 1934, o casal conseguiu produzir o primeiro elemento radioativo artificial bombardeando alumínio com partículas alfa, obtendo de natureza radioativa, o fósforo-30. Este é capaz de emitir pósitrons espontaneamente.

13Al27 + +2α4 15P30 + 0n1.

15P30 14Si30 + +1β0.

RadioatividadeAs transmutações produzidas são de vários tipos:

9Be4 + p –> 6Li3 + α.

9Be4 + p –> 8Li4 + d (dêuteron).

27Al13 + d –> 8Be4 + α.

209Bi83 + d –> 210Bi83 + p.

27Al13 + d –> 28Si14 + 1n0.

RadioatividadeComo nêutrons não tem carga elétrica, são partículas bastante apropriadas e muito eficientes como agentes de transmutação, pois não são repelidas pelo núcleo.

As transmutações produzidas por nêutrons são semelhantes às anteriores.

27Al13 + 1n0 –> 27Mg12 + 1p1.

16O8 + 1n0 –> 13C6 + 4α2.

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Fim

Lista de exercícios liberada!