31.1: Radioatividade nuclear
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Objetivos de
Ao final desta seção, você poderá:
- Explique a radiação nuclear.
- Explique os tipos de radiação: emissão alfa, emissão beta e emissão gama.
- Explique a ionização da radiação em um átomo.
- Defina a faixa de radiação.
A descoberta e o estudo da radioatividade nuclear revelaram rapidamente evidências de uma nova física revolucionária. Além disso, os usos da radiação nuclear também surgiram rapidamente — por exemplo, pessoas como Ernest Rutherford a usaram para determinar o tamanho do núcleo e os dispositivos foram pintados com tinta dopada com radônio para fazê-los brilhar no escuro (Figura\(\PageIndex{1}\)). Portanto, começamos nosso estudo da física nuclear com a descoberta e as características básicas da radioatividade nuclear.
Descoberta da radioatividade nuclear
Em 1896, o físico francês Antoine Henri Becquerel (1852-1908) descobriu acidentalmente que um mineral rico em urânio chamado pitchblenda emite raios penetrantes e invisíveis que podem escurecer uma placa fotográfica encerrada em um envelope opaco. Os raios, portanto, transportam energia; mas, surpreendentemente, a pichblenda os emite continuamente sem qualquer entrada de energia. Essa é uma aparente violação da lei de conservação de energia, que agora entendemos que se deve à conversão de uma pequena quantidade de massa em energia, conforme relatado na famosa equação de Einstein\(E = mc^2\). Logo ficou evidente que os raios de Becquerel se originam nos núcleos dos átomos e têm outras características únicas. A emissão desses raios é chamada de radioatividade nuclear ou simplesmente radioatividade. Os raios em si são chamados de radiação nuclear. Diz-se que um núcleo que destrói espontaneamente parte de sua massa para emitir radiação se decompõe (um termo também usado para descrever a emissão de radiação por átomos em estados excitados). Diz-se que uma substância ou objeto que emite radiação nuclear é radioativa.
Dois tipos de evidências experimentais indicam que os raios de Becquerel se originam nas profundezas do coração (ou núcleo) de um átomo. Primeiro, descobriu-se que a radiação está associada a certos elementos, como o urânio. A radiação não varia com o estado químico, ou seja, o urânio é radioativo, seja na forma de um elemento ou composto. Além disso, a radiação não varia com a temperatura, pressão ou estado de ionização do átomo de urânio. Como todos esses fatores afetam os elétrons em um átomo, a radiação não pode vir de transições de elétrons, como fazem os espectros atômicos. A enorme energia emitida durante cada evento é a segunda evidência de que a radiação não pode ser atômica. A radiação nuclear tem energias da ordem de\(10^6 \, eV\) por evento, que é muito maior do que as energias atômicas típicas (algumas\(eV\)), como as observadas em espectros e reações químicas, e mais de dez vezes mais altas que os raios X característicos mais energéticos. Becquerel não buscou vigorosamente sua descoberta por muito tempo. Em 1898, Marie Curie (1867-1934), então estudante de graduação casada com o já conhecido físico francês Pierre Curie (1859-1906), iniciou seu estudo de doutorado sobre os raios de Becquerel. Ela e o marido logo descobriram dois novos elementos radioativos, que ela chamou de polônio (em homenagem à sua terra natal) e rádio (porque irradia). Esses dois novos elementos preencheram buracos na tabela periódica e, além disso, exibiram níveis muito mais altos de radioatividade por grama de material do que o urânio. Durante um período de quatro anos, trabalhando em condições precárias e gastando seus próprios fundos, os Curies processaram mais de uma tonelada de minério de urânio para isolar um grama de sal de rádio. O rádio tornou-se muito procurado, porque era cerca de dois milhões de vezes mais radioativo que o urânio. O sal de rádio de Curie brilhava visivelmente com a radiação que afetou eles e outros pesquisadores inconscientes. Pouco depois de concluir seu Ph.D., Curies e Becquerel compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 1903 por seu trabalho sobre radioatividade. Pierre morreu em um acidente de carroça de cavalo em 1906, mas Marie continuou seu estudo da radioatividade por quase mais 30 anos. Recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1911 pela descoberta de dois novos elementos, ela continua sendo a única pessoa a ganhar o Prêmio Nobel de Física e Química. As impressões digitais radioativas de Marie em algumas páginas de seus cadernos ainda podem expor filmes, e ela sofreu lesões induzidas por radiação. Ela morreu de leucemia provavelmente causada por radiação, mas foi ativa na pesquisa quase até sua morte em 1934. No ano seguinte, sua filha e genro, Irene e Frederic Joliot-Curie, receberam o Prêmio Nobel de Química pela descoberta da radiação induzida artificialmente, contribuindo para um notável legado familiar.
Alfa, Beta e Gama
Pesquisas iniciadas por pessoas como o neozelandês Ernest Rutherford logo após a descoberta da radiação nuclear indicaram que diferentes tipos de raios são emitidos. Eventualmente, três tipos foram distinguidos e denominados alfa\(\alpha\), bet a\(\beta\) e gama a\(\gamma\) porque, assim como os raios-X, suas identidades eram inicialmente desconhecidas. A figura\(\PageIndex{2}\) mostra o que acontece se os raios passarem por um campo magnético. Os\(\gamma\) s não são afetados, enquanto os\(\alpha\) s e\(\beta\) s são desviados em direções opostas, indicando que\(\alpha\) s são positivos,\(\beta\) s negativos e\(\gamma\) s não carregados. Rutherford usou campos magnéticos e elétricos para mostrar que\(\alpha\) s têm uma carga positiva duas vezes a magnitude de um elétron, ou\(+2|q_e|\). No processo, ele descobriu que a relação carga/massa\(\alpha\) s era vários milhares de vezes menor que a do elétron. Mais tarde, Rutherford coletou\(\alpha\) s de uma fonte radioativa e passou uma descarga elétrica através deles, obtendo o espectro do gás hélio recém-descoberto. Entre muitas descobertas importantes feitas por Rutherford e seus colaboradores estava a prova de que a\(\alpha\) radiação é a emissão de um núcleo de hélio. Rutherford ganhou o Prêmio Nobel de Química em 1908 por seus primeiros trabalhos. Ele continuou a fazer contribuições importantes até sua morte em 1934.
Outros pesquisadores já haviam provado que\(\beta\) s são negativos e têm a mesma massa e a mesma relação carga/massa do elétron recém-descoberto. Em 1902, foi reconhecido que a \(\beta\)radiação é a emissão de um elétron. Embora\(\beta\) s sejam elétrons, eles não existem no núcleo antes de decair e não são elétrons atômicos ejetados - o elétron é criado no núcleo no instante da decomposição.
Como \(\gamma\)os s permanecem inalterados por campos elétricos e magnéticos, é natural pensar que possam ser fótons. As evidências disso cresceram, mas foi somente em 1914 que isso foi comprovado por Rutherford e colaboradores. Ao espalhar a \(\gamma\)radiação de um cristal e observar a interferência, eles demonstraram que a \(\gamma\)radiação é a emissão de um fóton de alta energia por um núcleo. Na verdade, a \(\gamma\)radiação vem da desexcitação de um núcleo, assim como um raio X vem da desexcitação de um átomo. Os nomes “\(\gamma\)raio” e “raio x” identificam a origem da radiação. Com a mesma energia, \(\gamma\)raios e raios x são idênticos.
| Tipo de radiação | Alcance |
|---|---|
| \(\alpha\)partículas | Uma folha de papel, alguns cm de ar, frações de um mm de tecido |
| \(\beta\)partículas | Uma placa fina de alumínio ou dezenas de cm de tecido. |
| \(\gamma\)raios | Vários cm de chumbo ou metros de concreto. |
Ionização e alcance
Duas das características mais importantes dos\(\alpha\)\(\gamma\) raios\(\beta\) e foram reconhecidas muito cedo. Todos os três tipos de radiação nuclear produzem ionização nos materiais, mas penetram em distâncias diferentes nos materiais, ou seja, têm alcances diferentes. Vamos examinar por que eles têm essas características e quais são algumas das consequências.
Como os raios x, a radiação nuclear na forma de\(\alpha\) s,\(\beta\) s e\(\gamma\) s tem energia suficiente por evento para ionizar átomos e moléculas em qualquer material. A energia emitida em vários decaimentos nucleares varia de alguns\(keV\) a mais de\(10 \, MeV\), enquanto apenas alguns\(eV\) s são necessários para produzir ionização. Os efeitos dos raios X e da radiação nuclear em tecidos biológicos e outros materiais, como a eletrônica de estado sólido, estão diretamente relacionados à ionização que eles produzem. Todos eles, por exemplo, podem danificar eletrônicos ou matar células cancerosas. Além disso, os métodos para detectar raios X e radiação nuclear são baseados na ionização, direta ou indiretamente. Todos eles podem ionizar o ar entre as placas de um capacitor, por exemplo, fazendo com que ele descarregue. Essa é a base de monitores pessoais de radiação baratos, como mostrado na Figura\(\PageIndex{3}\). Além de\(\beta\) e\(\alpha\)\(\gamma\), também existem outras formas de radiação nuclear, que também produzem ionização com efeitos semelhantes. Definimos radiação ionizante como qualquer forma de radiação que produz ionização, seja de origem nuclear ou não, uma vez que os efeitos e a detecção da radiação estão relacionados à ionização.
A faixa de radiação é definida como a distância que ela pode percorrer através de um material. O alcance está relacionado a vários fatores, incluindo a energia da radiação, o material encontrado e o tipo de radiação (Figura\(\PageIndex{4}\)). Quanto maior a energia, maior o alcance, todos os outros fatores são os mesmos. Isso faz sentido, pois a radiação perde sua energia nos materiais principalmente ao produzir ionização neles, e cada ionização de um átomo ou molécula requer energia que é removida da radiação. A quantidade de ionização é, portanto, diretamente proporcional à energia da partícula de radiação, assim como seu alcance.
A radiação pode ser absorvida ou protegida por materiais, como os aventais de chumbo que os dentistas colocam em nós ao tirar raios-X. O chumbo é um escudo particularmente eficaz em comparação com outros materiais, como plástico ou ar. Como a faixa de radiação depende do material? A radiação ionizante interage melhor com partículas carregadas em um material. Como os elétrons têm massas pequenas, eles absorvem mais facilmente a energia da radiação em colisões. Quanto maior a densidade de um material e, em particular, quanto maior a densidade de elétrons dentro de um material, menor a faixa de radiação.
Colisões
A conservação de energia e momentum geralmente resulta na transferência de energia para um objeto menos massivo em uma colisão.
Diferentes tipos de radiação têm faixas diferentes quando comparados com a mesma energia e no mesmo material. Os alfas têm o menor alcance, os betas penetram mais longe e os gamas têm o maior alcance. Isso está diretamente relacionado à carga e velocidade da partícula ou tipo de radiação. Com uma determinada energia\(\alpha\),\(\beta\) cada um\(\gamma\) produzirá o mesmo número de ionizações em um material (cada ionização requer uma certa quantidade de energia em média). Quanto mais facilmente a partícula produz ionização, mais rapidamente ela perderá sua energia. O efeito da carga é o seguinte: O\(\alpha\) tem uma carga de\(+2q_e\), o\(\beta\) tem uma carga de\(-q_e\) e o não\(\gamma\) está carregado. A força eletromagnética exercida pelo\(\alpha\) é, portanto, duas vezes mais forte que a exercida pelo\(\beta\) e é mais provável que produza ionização. Embora sem carga, o\(\gamma\) interage fracamente porque é uma onda eletromagnética, mas é menos provável que produza ionização em qualquer encontro. Mais quantitativamente, a mudança no momento\(\Delta p\) dado a uma partícula no material é\(\Delta p = F \Delta t\), onde\(F\) está a força que\(\alpha\)\(\beta\), ou\(\gamma\) exerce ao longo de um tempo\(\Delta t\). Quanto menor a carga, menor é\(F\) e menor é o impulso (e a energia) perdidos. Como a velocidade dos alfas é de cerca de 5% a 10% da velocidade da luz, aplicam-se fórmulas clássicas (não relativísticas).
A velocidade com que eles viajam é o outro fator importante que afeta a faixa de\(\alpha\)\(\beta\) s,\(\gamma\) s e s. Quanto mais rápido eles se movem, menos tempo passam nas proximidades de um átomo ou molécula e menor a probabilidade de eles interagirem. Como\(\alpha\) s e\(\beta\) s são partículas com massa (núcleos de hélio e elétrons, respectivamente), sua energia é cinética, dada classicamente por\(\frac{1}{2}mv^2\). A massa da\(\beta\) partícula é milhares de vezes menor que a do\(\alpha\) s, então\(\beta\) s deve viajar muito mais rápido que\(\alpha\) s para ter a mesma energia. Como\(\beta\) os s se movem mais rápido (a maioria em velocidades relativísticas), eles têm menos tempo para interagir do que\(\alpha\) s. Os raios gama são fótons, que devem viajar na velocidade da luz. Eles têm ainda menos probabilidade de interagir do que a\(\beta\), já que passam ainda menos tempo perto de um determinado átomo (e não têm carga). O intervalo de\(\gamma\) s é, portanto, maior que o intervalo de\(\beta\) s.
A radiação alfa de fontes radioativas tem um alcance muito inferior a um milímetro de tecidos biológicos, geralmente insuficiente para sequer penetrar nas camadas mortas de nossa pele. Por outro lado, a mesma\(\alpha\) radiação pode penetrar alguns centímetros de ar, então a mera distância de uma fonte impede que a\(\alpha\) radiação chegue até nós. Isso torna a\(\alpha\) radiação relativamente segura para o nosso corpo em comparação com\(\beta\) a\(\gamma\) radiação. \(\beta\)A radiação típica pode penetrar alguns milímetros de tecido ou cerca de um metro de ar. A radiação beta é, portanto, perigosa mesmo quando não é ingerida. O alcance de\(\beta\) s em chumbo é de cerca de um milímetro e, portanto, é fácil armazenar\(beta\) fontes em recipientes à prova de radiação de chumbo. Os raios gama têm um alcance muito maior do que\(\alpha\)\(\beta\) s ou s. De fato, se uma determinada espessura de material, como um tijolo de chumbo, absorve 90% do\(\gamma\) s, um segundo tijolo de chumbo absorverá apenas 90% do que passou pelo primeiro. Portanto,\(\gamma\) s não têm um intervalo bem definido; só podemos reduzir a quantidade que passa. Normalmente,\(\gamma\) os s podem penetrar muitos metros de ar, atravessar nossos corpos e são efetivamente protegidos (ou seja, reduzidos em intensidade para níveis aceitáveis) por muitos centímetros de chumbo. Um benefício do\(\gamma\) s é que eles podem ser usados como traçadores radioativos (Figura\(\PageIndex{5}\)).
EXPLORAÇÕES DE PHET: BETA DECAY
Veja o decaimento beta ocorrer para uma coleção de núcleos ou para um núcleo individual.
Resumo
- Alguns núcleos são radioativos — eles decaem espontaneamente destruindo parte de sua massa e emitindo raios energéticos, um processo chamado radioatividade nuclear.
- A radiação nuclear, como os raios x, é radiação ionizante, porque energia suficiente para ionizar a matéria é emitida em cada decaimento.
- O alcance (ou distância percorrida em um material) da radiação ionizante está diretamente relacionado à carga da partícula emitida e sua energia, com partículas de maior carga e menor energia tendo os menores intervalos.
- Os detectores de radiação são baseados direta ou indiretamente na ionização criada pela radiação, assim como os efeitos da radiação em materiais vivos e inertes.
Glossário
- raios alfa
- um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo
- raios beta
- um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo
- raios gama
- um dos tipos de raios emitidos pelo núcleo de um átomo
- radiação ionizante
- radiação (de origem nuclear ou não) que produz ionização, seja de origem nuclear ou não
- radiação nuclear
- raios que se originam nos núcleos dos átomos, cujos primeiros exemplos foram descobertos por Becquerel
- radioatividade
- a emissão de raios dos núcleos dos átomos
- radioativo
- uma substância ou objeto que emite radiação nuclear
- faixa de radiação
- a distância que a radiação pode percorrer através de um material