Radioquímica

Radioquímica

Utilização de radioelementos ou radiações nucleares.

Química das Radiações

Química Nuclear: estudo da estrutura dos núcleos instáveis e estáveis e das reações nucleares

Radioquímica

Está incluída no campo da Química Nuclear, que também engloba:

Reacções Nucleares Radioelementos Química das Radiações Aplicações de marcadores radioactivos

Radioquímica - ramos principais:

Química Nuclear: estudo do núcleo por métodos químicos.

Química de radiomarcadores - aplicações químicas das substâncias radioactivas.

Química das transformações nucleares (hot atom chemistry).

Química das Radiações

Definições (Ehmann & Vance)

• Química Nuclear: aplicações de procedimentos e técnicas comuns á química para estudar a estrutura do núcleo e definir a natureza das partículas fundamentais

• Radioquímica: aplicação do fenómeno do decaimento radioativo e técnicas comuns á física nuclear para resolver problemas no campo da química

Radioquímica-Aplicações

Estudos de mecanismos de reação Medicina Nuclear e Radiofarmácia:

p.e. produção de 99mTc e 131I

Estudos de processos de equilíbrio: difusão líquido-líquido; formação de complexos; reações de

troca isotópica

Aplicações em Química Analítica : análise por activação com neutrões (ativação neutrónica); desenvolvimento de métodos de separação radioquímica

PRINCÍPIO BÁSICO:

Isótopo Estável +

Partículaincidente

IsótopoRadioativo +

Partículas emitidas

Medida dasradiações emitidas

(n, p, a, g…)

(n, p, a, g…)

O Núcleo Atómico

Importância de A (número de massa). Nuclídeo: espécie de átomo caracterizado pela

constituição do seu núcleo, em particular por seu número de protões (P) e de neutrões (N).

Isótopos: mesmo Z (número atómico). Isóbaros: mesmo A (número de massa). Isótonos: mesmo N (número de neutrões). Comportamento nuclear vs estado químico. Tabela de nuclídeos.

NUCLÍDEOS

Espécies de átomos caracterizados pela constituição do seu núcleo, em particular pelo seu número de protões e de neutrões.

Dos 111 elementos químicos usuais, 81 possuem isótopos estáveis, sendo o Bi (Z=83) o mais pesado.

NUCLIDEOS

Os isótopos dos 28 elementos restantes são radioactivos. O U (Z=92) é o mais pesado dos que ocorrem na natureza.

Cerca de 2000 nuclídeos já foram identificados. Desses, somente 264 nuclídeos são estáveis, sendo os restantes radioactivos.

Tipos de Nuclídeos

Isótopos - Possuem o mesmo número de protões (Z= constante) mas diferentes números de massa e diferentes números de neutrões. Ex:

Isóbaros - Possuem o mesmo número de nucleões (A = constante). Pertencem a diferentes elementos químicos. Ex:

UUU 234

92

238

92

235

92,,

ySr 90

39

90

38,

Isótonos - Possuem o mesmo número de neutrões

Ex:

Isodiáferos - Possuem o mesmo excesso de neutrões relativamente aos protões (A-2Z=N-Z=constante).

Ex:

34,, 6228

6329

6430 NNiCuZn

ArClSPSi 3818

3617

3416

3215

3014 ,,,, 2 ZN

Isómeros ou Nuclídeos Isoméricos

Não diferem no número de protões ou de neutrões, mas somente no estado energético do núcleo.

Estado fundamental - estado de energia mais baixo.

Isómero de meia vida muito curta estado excitado.

Meias vidas maiores estados meta-estáveis. )s1t( 2/1

Nuclídeo isomérico em estado de energia mais alto que o estado fundamental libertação de energia geralmente por emissão de radiação .

ScSc g46s7.18tm46 2/1

RhRh g103m57tm103 2/1 g=ground state

Classificação dos Nuclídeos

• Nuclídeos estáveis - não sofrem decaimento radioativo: são 264 atualmente; Ex: 12C, 16O

• Radionuclídeos naturais primários - existem desde a origem do sistema solar; Ex: 238U , 40K, 87Rb

• Radionuclídeos naturais secundários - produzidos pelo decaimento dos anteriores; Ex: 226Ra,234Th (“filhos “do 238U)

• Radionuclídeos naturais “induzidos”: produzidos pela Acão dos raios cósmicos na atmosfera; Ex: 3H ,14C

• Radionuclídeos artificiais: produzidos pelo homem, em reações nucleares: cerca de 2000 são conhecidos

Energia de Ligação do Núcleo

Energia de ligação nuclear total: energia libertada no processo hipotético de reunir Z protões e N neutrões para formar um núcleo.

E = mc2

ΜeV*ΜMΖΑ+zM=Ε ΝΗΒ _931

Unidades de energia em física nuclear.

Energia de ligação: ~ proporcional a A.

Energia de ligação/nucleão (MeV/nucleão).

Cálculo da energia de ligação/nucleão para o 4He.

CBBBeLiLiHeHeH 1 2111 0976432

1.11 2.57 7.07 5.33 5.60 6.46 6.47 6.93 7.68

Eletrão-volt: variação de energia cinética do eletrão, quando a diferença de potencial for de 1 volt.

Unidades de energia – o eletrão-volt

voltV 1+

-

q.V

J=eV 19101.6021733x1

2mcE

MeVeV==E Kg29

1

16

1 10.6095864,56095864,510.6021733,1

10.987552,9

C=e 19101.6021733x 1

JeV= 19101.6021733x/1J 1

2c

E=m

JKg=E Kg168

1 08,987552.1m/s10.9979246.2*1

150

8

7

6

250200

9

100500

Número de Massa

Energ

ia d

e Li

gaçã

o

Por

Nuc

leão

(M

eV)

Diferença entre as EL/nucleão para nuclídeos estáveis e radioativos.

26.5

Li5

33.5

6Li

60.5

7Li

16.5

8Li

Definições de Estabilidade

1. Não se deteta radioatividade. Não há transformação em outro nuclídeo.

2. Sistema nuclear é estável em relação a outro quando a diferença de energia é negativa: massa em repouso do primeiro é menor que a do segundo.

Definições de Estabilidade

Ex: 4He é mais estável do que os seus constituintes isolados.

235U é instável em relação ao sistema 231Th + 4He

03895.235

04393.235

00498.0Diferença

235U

231Th + 4He

Forças Nucleares

Atracção gravitacional – fraca

Força electrostática – protões ( repulsão )

Características das Forças Nucleares

- Alcance muito curto: experiências de bombardeamento com partículas elementares e a partir das propriedades do deuterão.

- A atracção transforma-se em repulsão com uma maior aproximação (semelhança com Forças de Van der Waals ).

oo

NeutrãoProtão

Barreira

coulombiana

“Poço de potencial”

Distância a partir do centro do núcleo (Fermi = 10-15 m)

Neutrão

E pot = oo

- Independência da carga – a força é de mesma magnitude para 2 protões, 1 protão e um neutrão ou 2 neutrões.

- Saturação das forças nucleares :

Interacções possíveis entre pares de nucleões:

1AA2

1

Energia da ligação:

- proporcional a A

- Semelhança com as forças de valência.

- Repulsões Coulombianas (protões): não mostram saturação.

- São aproximadamente proporcionais ao número de protões que interagem:

121 ZZ

Consequência :

-Queda suave na energia de ligação/nucleão para núcleos pesados.

- Dependem do estado quântico do sistema.

Estado estável do deuterão: neutrão e protão com spins paralelos.

Experiência de espalhamento : interação de 2 nucleões depende de sua quantidade de movimento angular relativa.

Sistemática dos Núcleos Estáveis

- Nuclídeos estáveis: formam uma banda através da tabela de nuclídeos.

- Parte inferior: associada c / Z = N (4He, 16O)

-até o 40Ca (Z=N=20) último nuclídeo estável

com Z = N

- A partir daí: N / Z > 1

Sistemática dos Núcleos Estáveis

Nuclídeo estável mais pesado

(209Bi), Z=83 N=126

N / Z = 1.52

Excesso de neutrões: compensação para repulsão Coulombiana.

Equação da linha de estabilidade:

N ~= Z para os nuclídeos leves.

60/32

ZAZN

40 60 30 10 80 50 0 20 70

10

30

50

Z=

2

90

110

N =126

70

N=82

N=50

N=28

N=20

N=8 N=2

Z=

8

Z=

28

Z=

82

Z=

20

Z=

50

N

Z

LadoRicoemN() N=Z

Lado Ricoem protões(+)

Efeito par - ímpar Nenhum elemento com Z ímpar, possui mais do que dois isótopos estáveis.

Elementos com Z par possuem até 10.

Categorias de Nuclídeos

1.Z – par, N – par – 144

2.Z – impar, N – ímpar – 4

3.Z - par , N ímpar – 55

4.Z - ímpar , N par – 50

- A formação de pares de protões e de neutrões conduz à estabilidade.

Nucleões : possuem spin e quantidade de movimento

orbital.

Spins dos nucleões : + ½ , - ½

Quantidade de movimento angular total : I

I = L + S

L orbital S spi

A quantidade de movimento angular é normalmente chamada de spin nuclear

Estado fundamental: tem spin diferente de um no estado excitado.