Exercícios sobre Radioatividade em Química

Radioatividade

Radioatividade é a propriedade de determinados tipos de elementos químicos de emitirem radiações devido a instabilidades no núcleo atômico. O fenômeno acontece de forma natural ou artificial. A radioatividade natural ou espontânea ocorre nos elementos radioativos encontrados na natureza. Já a radioatividade artificial, ocorre quando há uma transformação nuclear, através da fusão ou da fissão nuclear, observada em usinas nucleares e armas nucleares.

Alguns átomos, como os do urânio, rádio ou tório, são instáveis graças ao resultado da combinação de nêutrons e prótons. A liberação de energia radioativa acontece quando há uma transformação do núcleo instável (desintegração nuclear) causando a emissão de partículas alfa, beta ou raios gama. Dá-se o nome genérico de radiação nuclear a estas emissões. As principais formas de radiação são:

- radiação alfa (α): núcleos de hélio, formados por dois prótons e dois nêutrons;
- radiação beta (β): elétrons ou suas antipartículas (β +), os pósitrons, cuja carga elétrica é positive;
- radiação gama (ᵞ): radiação eletromagnética, da mesma natureza que a luz visível, as microondas ou os raios X, porém mais energética;
- nêutron (n): partícula subatômica sem carga e de massa semelhante ao do próton.

A partícula alfa é aquela que é desviada em direção ao pólo negativo, ou seja, ela possui uma carga positiva; enquanto a beta é desviada em direção ao pólo positivo e, portanto, possui uma carga negativa. A alfa possui uma massa igual a 4 e a beta possui massa desprezível. Já a radiação gama, não é desviada pelos pólos. Ela não pode ser considerada uma partícula por não apresentar massa. Trata-se de radiação luminosa apenas.
Nas ciências nucleares, a unidade de energia geralmente utilizada é o elétron-volt (eV). As energias emitidas pelo núcleo são acima de 10.000 eV, valor que é cerca de bilhões de vezes menor que o das energias com que lidamos no dia-a-dia.
A liberação de energia do núcleo se dá através de dois processos principais: decaimento radioativo (também chamado desintegração) e fissão.

1ª Lei da radioatividade

Quando um átomo emite uma partícula α, seu número atômico diminui em 2 unidades e sua massa diminui em 4 unidades.
Ex.: 92U235​​ = 2α​4​​ + 9​0Y231​ + z​XA​​ = 2α4​​ + (z-2)Y(A+4)

2ª Lei da radioatividade

Quando um átomo emite uma partícula β, seu número atômico aumenta em 1 unidade e sua massa permanece constante.
zXA = -1β​0​​ + (z+1)YA​​

Exemplo: 83X210 = -1β0​​ + 84Y210

Raio Gama (0γ0)
O Raio Gama são ondas eletromagnéticas da mesma natureza da luz, semelhantes ao raio X. Não têm carga elétrica nem massa.

Exemplo de cálculo:
90X204​​ → ​x​​α + ​y​​β + 92​​Y192
Deve-se determinar x e y.

Resolução:
90X204 → (x+2)α​4​​ + (y-1)β​0​​ + 92Y192

Montamos duas equações:
a)uma para os índices superiores:
204 = 4x + 0y + 192
x = 3
b)uma para os índices inferiores:
90 = 2x + (-1y) + 92
90 = 2(3) -1y +92
y = 8
90 X 204 → 3+2 α 4 + 8-1 β0 + 92Y192

Transmutação artificial

Se refere ao ato de modificar-se ou manipular artificialmente um núcleo atômico.
Exemplo: 2He4 + 7N14 🡪 8O16 + 1H1
Entenda: 7N14 é transmutado em 8O16 por bombardeamento de partículas alfa (2α4).

Tempo de meia-vida (t½)

A velocidade de transmutação de um elemento radioativo é determinada pela constante de desintegração, também chamada de tempo de vida, e o tempo de meia-vida (semidesintegração). Tempo de vida é o valor que mede a probabilidade de um átomo radioativo sofrer uma transformação na unidade de tempo considerada, enquanto tempo de meia-vida é definido como o tempo necessário para que uma quantidade de substância radioativa reduza sua massa à metade.
A natureza probabilística da desintegração radioativa conduz à definição do conceito de meia-vida dos elementos, que é a média aritmética dos tempos de vida dos átomos do elemento radioativo antes de sofrerem decaimento. Os períodos de semidesintegração oscilam entre milésimos de segundos (por exemplo, nas variedades do polônio e o astato) e bilhões de anos (como nos isótopos mais estáveis do urânio e do tório).
As transformações sofridas pelos elementos radioativos, existentes na natureza em um total de aproximadamente quarenta, permitem agrupá-los em três séries, chamadas séries de desintegração radioativa. Nestas, os elementos se convertem uns nos outros por sucessivas emissões alfa e beta (a emissão gama não produz intrinsecamente alterações nucleares):
Série do urânio, a partir do isótopo 238 do urânio e cujos primeiros elementos são o tório (234), o protactínio (234), o urânio (234), o tório (230), o rádio (226) e o radônio (222). O átomo final da série é o chumbo (206), não radioativo.
Série do tório, iniciada com o isótopo 232 do tório e seguida de rádio (228), actínio (228), tório (228), rádio (224) e outros átomos, até terminar com o chumbo estável (208).
Série do actínio, a partir do isótopo 235 do urânio, que se transforma sucessivamente em tório (231), protactínio (231), actínio (227), tório (227), frâncio (223), etc., até finalizar no chumbo estável (207). Esta sequência é empregada nos processos de fusão ou ruptura nuclear.

Cálculo do tempo de meia-vida: A correspondência nos permite formular a expressão geral para calcular a massa final (mf) existente após x meias-vidas:
mf=mi/2^n​​
n = é o número de meias-vidas transcorridas.

Cinética Nuclear

- Velocidade de desintegração (V): É a variação no número de átomos radioativos (Δn) em um determinado intervalo de tempo (Δt).
V=Δn/Δt
- Constante radioativa (c): Indica a fração de átomos desintegrados em uma unidade de tempo. Representa a proporção entre a velocidade de desintegração e o número de átomos radioativos.
C=Vn
Por exemplo, se um elemento tem constante radioativa igual a 1/1400 ano-1, ao longo de 1 ano, 1 em cada 1400 átomos terá sofrido desintegração.

- Vida-média (Vm): É o tempo médio que os átomos radioativos levam para se desintegrar. É o inverso da constante radioativa.
Vm=1C
Também pode ser determinada a partir do tempo de meia-vida:

Vm = t½/ln2 ≅ t½/0,7