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Descoberta das radiações

Vamos entender a história da Radioatividade.

Características das radiações

1ª e 2ª leis da radioatividade

Cinética radioativa

Fissão e fusão nuclear

Questão sobre tempo de meia-vida

Questão sobre fissão nuclear

radioatividade, que hoje conhecemos e utilizamos, estuda a emissão de radiações do núcleo instável de um átomo. Ou seja, átomos de alguns elementos – especialmente os que possuem massa muito grande – se desintegram espontaneamente, perdem/liberam partículas presentes em seus núcleos (partículas nucleares) ou ondas eletromagnéticas, para obterem estabilidade. Isso significa que tais átomos têm atividade radioativa.

Mas como toda ciência, o estudo das radiações evoluiu ao longo do tempo, até chegar ao conhecimento atual. Vamos resumir essa história?

 
Histórico

Antoine-Henri Becquerel –> físico francês que trabalhava com sais de urânio, percebeu que um desses sais, o sulfato duplo de potássio e uranila – K_{2}(UO_{2})(SO_{4})_{2}K​2​​(UO​2​​)(SO​4​​)​2​​ – era capaz de impressionar filmes fotográficos. Estudou-se tal comportamento e viu-se que isso se devia a radiações emitidas pelo sal.

Wilhelm Conrad Roentgen –> físico alemão que trabalhava com raios catódicos (do tubo de Crookie), percebeu que esses raios emitiam uma nova radiação – os raios X – quando em contato com vidro ou metal. Posteriormente, viu-se que ela não possui massa nem carga.

• Marie Sklodowska Curie –> física e química polonesa que também trabalhava com sais de urânio, percebeu que impressões fotográficas feitas por esses sais aumentavam de intensidade à medida que aumentava-se a quantidade desses sais. Concluiu, assim, que a intensidade de radiação é proporcional à quantidade de urânio e, portanto, a radioatividade era um fenômeno atômico.

Ernest Rutherford –> físico neozelandês que trabalhou com polônio, estudou a ação de campos eletromagnéticos sobre as radiações e, assim, descobriu os raios α (alfa), β (beta) e γ (gama). Veremos com detalhes a seguir.

 
Experimento de Rutherford

• Criou uma aparelhagem contendo: polônio (elemento com atividade radioativa) em um bloco de chumbo, campo magnético, placas carregadas eletricamente (uma positiva e uma negativa) e uma placa fluorescente com sulfeto de zinco, que emite luminosidade ao ser atingida por radiação.

  • É uma partícula nuclear;
  • Tem 1/10 da velocidade da luz;
  • É igual ao núcleo do hélio (possui 2 prótons, 2 nêutrons e número de massa 4);
  • Tem baixo poder de penetração, não ultrapassa papel, roupas finas e a nossa pele.

  • É uma partícula nuclear;
  • Tem 9/10 da velocidade da luz;
  • É igual a um elétron – ou é o elétron – deriva da quebra de um nêutron;
  • Tem poder de penetração superior ao da partícula α, não ultrapassa roupas grossas e madeira.

  • Como não tem carga nem massa, não é uma partícula nuclear, é uma onda eletromagnética, assim como a luz e os raios X, de comprimento pequeno;
  • Trafega na velocidade da luz;
  • Tem maior poder de penetração, mas não ultrapassa paredes de concreto ou chumbo.

  • É uma partícula nuclear;
  • Tem carga positiva.

  • É uma partícula nuclear;
  • Não tem carga, é neutra.

  • É a antimatéria da partícula beta;
  • Tem carga positiva.

! OPA, antimatéria?

Assim como a matéria é composta de partículas, a antimatéria é composta de antipartículas, que se tratam da partícula correspondente, mas com sinal contrário. O pósitron também é chamado de antielétron, já que é a antipartícula do elétron (é o elétron com carga +1). Acredita-se que, para cada matéria, há uma antimatéria correspondente. Você pode ler essa matéria show, para entender melhor: http://super.abril.com.br/ciencia/antimateria/.

Leis da radioatividade

• 1ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy: emissão de partículas α

O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula α, origina um elemento com número atômico menor em 2 unidades e número de massa menor em 4 unidades. Veja:

_Z​Z​​X^A​A​​ 🡪 _2​2​​α^4​4​​ + _Z​Z​​_-​−​​_2​2​​Y^A​A​​^-​−​​^4​4​​

Exemplo:

_9​9​​_2​2​​U^2​2​​^3​3​​^8​8​​ 🡪 _2​2​​α^4​4​​ + _Z​Z​​_-​−​​_2​2​​Y^A​A​​^-​−​​^4​4​​
• Mas por quê? Porque como “na natureza nada se cria, nada se perde, tudo se transforma”, a soma dos números atômicos (número de prótons) de antes da seta da reação nuclear deve ser igual à soma dos números atômicos de depois da seta. O mesmo deve ocorre com o número de massa.

Z antes = Z depois / ZP = ZR e A antes = A depois / AP = AR

IMPORTANTE À BEÇA: em uma reação nuclear, são representados os nuclídeos dos átomos envolvidos.

 
! OPA, nuclídeo?

É a representação do núcleo de um átomo, e sua notação se faz com o símbolo do elemento mais seu número atômico e seu número de massa, geralmente.

Exemplo: se for representado o nuclídeo do oxigênio-16 (isótopo do oxigênio de número de massa 16), será assim: _{ 8}O^{16}​8​​O​16​​.

• 2ª Lei da Radioatividade ou Lei de Soddy-Fajans-Russel: emissão de partículas β

O núcleo de um elemento radioativo, ao emitir uma partícula β, origina um elemento com número atômico maior em 1 unidade e número de massa igual ao do elemento desintegrado. Veja:

_Z​Z​​X^A​A​​ 🡪 _-​−​​_1​1​​β^0​0​​ + _Z​Z​​_+​+​​_1​1​​Y^A​A​​
Exemplo:
_6​6​​C^1​1​​^4​4​​ 🡪 –_1​1​​β^0​0​​ + _7​7​​N^1​1​​^4​4​​

• O motivo é o mesmo da primeira Lei.

Cinética Radioativa

Como toda “cinética”, ela estuda velocidade. Já que é “radioativa”, estuda a velocidade da desintegração de núcleos, ou o tempo necessário para que o núcleo de um elemento emita certa quantidade de radiação.

• Tempo de meia-vida (T½ /P)

É o tempo em que uma amostra de átomos de um elemento radioativo tem sua quantidade reduzida à metade, como diz o nome. Cada elemento possui seu tempo de meia-vida específico.

Exemplo: O tempo de meia vida do fósforo-32 é de 32 dias. Isso significa que uma amostra contendo 1 mol (6,02.10^{23}6,02.10​23​​ átomos/32 g) desse elemento hoje terá ½ mol (3,01.10^{23}3,01.10​23​​ átomos/16 g) dele daqui a 32 dias.

• Logo, daqui a 128 dias (4 x 32), a sua quantidade será a inicial dividida por 2, depois por 2 de novo, depois por mais 2 e por fim, por mais 2.

Sendo assim, quantidade final (Qf) será igual a quantidade inicial (Qi)/2/2/2/2 ou Qi/24. Dessa resolução, tiramos a fórmula:

Qf = Qi /2^P​P​​

Onde:
Qf e Qi = pode ser mf e mi, se a quantidade for em massa; nf e ni, se for em número de mols, e por aí vai;
P = é o período de meia-vida do elemento em questão.

Transmutação artificial

Chamamos de transmutação nuclear o bombardeamento de um nuclídeo com alguma partícula, formando um novo elemento químico e, geralmente, outras partículas são liberadas. Dizemos que é artificial porque não ocorre de forma espontânea, natural, há a intervenção humana.

Exemplo: No bombardeamento do nitrogênio-14 com partículas alfa, há a agregação da mesma a esse elemento e a liberação de um próton, gerando oxigênio-17 (Z=8).

_2​2​​α^4​4​​ +_7​7​​N^1​1​​^4​4​​ 🡪 _8​8​​O^1​1​​^7​7​​ + + _1​1​​p^1​1​​

Fissão nuclear

Caso a transmutação rompa o nuclídeo bombardeado, gerando nuclídeos de elementos diferentes de números atômicos menores e complementares ao do primeiro (ou seja, Z_{2}+Z_{3}=Z_{1}Z​2​​+Z​3​​=Z​1​​, sendo Z_{1}Z​1​​ o número atômico do nuclídeo bombardeado e Z_{2}Z​2​​ e Z_{3}Z​3​​ os dos elements resultantes), houve uma fissão nuclear. Fissão porque o elemento foi fissonado/dividido em outros.

Exemplo: No bombardeamento do urânio-235 com nêutrons, como ocorre na bomba nuclear, há a fissão do urânio, liberando bário e criptônio e mais três nêutrons.

_9​9​​_2​2​​U^2​2​​^3​3​​^5​5​​ + _0​0​​n^1​1​​ 🡪 _3​3​​_6​6​​Kr^9​9​​^2$ + _5​5​​_6​6​​Ba$^14^44​4​​^1​1​​ + 3 _0​0​​n^1​1​​ + γ

 

Na bomba nuclear, cada nêutron formado bombardeia mais um átomo de urânio-235, liberando mais bário, criptônio e mais 3 nêutrons, que bombardeiam mais 3 átomos de urânio, e assim sucessivamente. A isso, damos o nome de reação em cadeia.

• A fissão de um átomo de urânio-235 já libera muita energia, em forma de calor. Sendo alguns quilos desse elemento, a quantidade de energia liberada é absurdamente maior, o que faz da bomba nuclear um material bélico de altíssimo potencial de destruição, muito superior à de uma bomba de TNT, por exemplo.

• A fissão nuclear também ocorre em uma usina nuclear, em que se faz a quebra do urânio, liberando muita energia, que aquece a água, fazendo-a vaporizar e girar uma turbina, a qual resulta em produção de energia elétrica.

 
Fusão nuclear

Como o próprio nome explica, consiste na fusão dos núcleos de elementos, formando outro elemento e liberando partículas e energia. No Sol, por exemplo, ocorre a reação de fusão de quatro núcleos de hidrogênio, gerando hélio, dois pósitrons e muita energia, em forma de calor.

_1​1​​H^3​3​​ + _1​1​​H^2​2​​ 🡪 _2​2​​He^4​4​​ + _1​1​​n + energia

• Na bomba de hidrogênio, ou bomba H, ocorre a mesma reação, por isso é um material bélico tão preocupante para a humanidade. A energia térmica liberada é muito superior à de uma bomba atômica.

 
IMPORTANTE À BEÇA: a arqueologia e outros ramos do estudo da história natural utilizam o método de datação de fósseis com carbono-14. Trata-se de um isótopo do carbono com número de massa igual a 14 (6 prótons e 8 nêutrons) que tem núcleo instável, e por isso tem atividade radioativa.

• A frequência desse isótopo na natureza é conhecida pelos cientistas, ou seja, a proporção entre a quantidade de carbono-12 (C-12, o mais estável e mais presente na natureza) e de carbono-14 (C-14) incorporados aos organismos vivos e aos compostos químicos espalhados pelo ambiente já foi calculada.
• Além disso, conhece-se a meia-vida do C-14, que é de aproximadamente 5600 anos. Então, é possível datar um fóssil, isto é, calcular em qual data ele viveu.
• Mas como? Vamos supor que a proporção de C-12 e C-14 no ambiente seja de 1000:1, respectivamente. Se um cadáver possuir 1000 mols de C-12, vai possuir 1 mol de C-14, caso tenha morrido há pouco tempo e ainda não tenha havido decaimento dele. Então, se nesse cadáver encontramos apenas 0,5 mol de C-14 (metade da quantidade inicial do elemento), sabemos que já se passaram 5600 anos desde que o organismo morreu e parou de incorporar matéria orgânica.
• Quanto menos C-14 no fóssilmais antigo ele é.

OBS: O exemplo acima (proporção 1000:1) foi apenas suposição, a concentração real de C-14 na Terra é de 10 ppb (10 átomos de C-14 por bilhão de átomos na natureza).