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10.5: Reações nucleares

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    Objetivos de

    Ao final desta seção, você poderá:

    • Descreva e compare três tipos de radiação nuclear
    • Use símbolos nucleares para descrever as mudanças que ocorrem durante as reações nucleares
    • Descreva os processos envolvidos na série de decaimento de elementos pesados

    Os primeiros experimentos revelaram três tipos de “raios” nucleares ou radiação: alfa\((\alpha)\) rays\((\beta)\) rays, beta e gama\((\gamma)\) rays. Esses três tipos de radiação são diferenciados por sua capacidade de penetrar na matéria. A radiação alfa mal consegue passar por uma fina folha de papel. A radiação beta pode penetrar no alumínio até uma profundidade de cerca de 3 mm, e a radiação gama pode penetrar até uma profundidade de 2 ou mais centímetros (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    A figura mostra da esquerda para a direita: papel, metal, concreto e chumbo. Três tipos de radiação entram nessa configuração pela esquerda. A radiação alfa não passa pelo papel. A radiação beta passa pelo papel, mas não pelo metal. A radiação gama passa pelo papel, metal e concreto, mas não pelo chumbo.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Uma comparação das profundidades de penetração da\((\gamma)\) radiação alfa\((\alpha)\)\((\beta)\), beta e gama através de vários materiais.

    As propriedades elétricas desses três tipos de radiação são investigadas passando-as por um campo magnético uniforme, conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{2}\). De acordo com a equação da força magnética para uma carga em movimento em um campo magnético

    \[\vec{F} = q\vec{v} \times \vec{B} \nonumber \]

    onde partículas carregadas positivamente são desviadas para cima, partículas carregadas negativamente são desviadas para baixo e partículas sem carga passam pelo campo magnético sem desvio. Eventualmente,\(\alpha\) os raios foram identificados com núcleos de hélio\((^4He)\),\(\beta\) raios com elétrons e pósitrons (elétrons carregados positivamente ou antielétrons) e\(\gamma\) raios com fótons de alta energia. Discutimos a radiação alfa, beta e gama em detalhes no restante desta seção.

    A figura mostra um material em forma de C rotulado como chumbo. Um pequeno círculo rotulado como fonte radioativa é mostrado na cavidade em forma de C. Três raios irradiam dessa fonte para a direita. Um se curva para cima e é rotulado como alfa. Um vai direto e é rotulado como gama. O terceiro se curva para baixo e é rotulado como beta menos. O campo magnético é mostrado como cruzes. Duas flechas se originam perto do ponto em que os raios emergem da forma de C. A seta apontando para cima é rotulada como F subscrito alpha = q subscrito alpha v B. A seta apontando para baixo é rotulada como F subscrito beta = q subscrito beta v B.
    Figura\(\PageIndex{2}\): O efeito de um campo magnético na radiação alfa (\(\alpha\)\(\beta\)), beta () e gama (\(\gamma\)). Esta figura é apenas um esquema. Os caminhos relativos das partículas dependem de suas massas e energias cinéticas iniciais.

    Decaimento alfa

    Núcleos pesados e instáveis emitem\(\alpha\) radiação. No decaimento de\(\alpha\) partículas -( ou decaimento alfa), o núcleo perde dois prótons e dois nêutrons, então o número atômico diminui em dois, enquanto seu número de massa diminui em quatro. Antes da decadência, o núcleo é chamado de núcleo parental. O núcleo ou núcleos produzidos na decadência são chamados de núcleo filho ou núcleo filho. Representamos uma\(\alpha\) decadência simbolicamente por

    \[\ce{_Z^AX \rightarrow _{Z-2}^{A-4}X + _2^4He} \label{alpha} \]

    onde\(_Z^AX\) está o núcleo pai,\(_{Z-2}^{A-4}X\) é o núcleo filho e\(_2^4He\) é a\(\alpha\) partícula. Em\(\alpha\) decadência, um núcleo do número atômico Z decai em um núcleo de número atômico\(Z - 2\) e massa atômica\(A - 4\). Curiosamente, o sonho dos antigos alquimistas de transformar outros metais em ouro é cientificamente viável por meio do processo de decaimento alfa. Os esforços dos alquimistas falharam porque eles dependiam de interações químicas em vez de interações nucleares.

    Veja as partículas alfa escaparem de um núcleo de polônio, causando decaimento alfa radioativo. Veja como tempos de decaimento aleatórios se relacionam com a meia-vida. Para tentar uma simulação de decaimento alfa, visite partículas alfa

    Um exemplo de decaimento alfa é o urânio-238:

    \[\ce{_{92}^{238}U \rightarrow _{90}^{234}X + _2^4He} \nonumber \]

    O número atômico caiu de 92 para 90. O elemento químico com\(Z = 90\) é o tório. Portanto, o urânio-238 decaiu para tório-234 pela emissão de uma\(\alpha\) partícula, escrita

    \[\ce{_{92}^{238}U \rightarrow _{90}^{234}Th + _2^4He} \nonumber \]

    Posteriormente,\(_{90}^{234}Th\) decai por\(\beta\) emissão com meia-vida de 24 dias. A energia liberada nesse decaimento alfa assume a forma de energias cinéticas dos núcleos de tório e hélio, embora a energia cinética do tório seja menor que o hélio devido à sua massa mais pesada e menor velocidade.

    Exemplo\(\PageIndex{1}\): Plutonium Alpha Decay

    Determinar a energia emitida no\(\alpha\) decaimento de\(^{230}Pu\) pode ser encontrado usando a equação\(E = (\Delta m)c^2\). Devemos primeiro encontrar\(\Delta m\) a diferença de massa entre o núcleo parental e os produtos da decomposição.

    Solução

    A equação de decaimento é

    \[\ce{^{230}Pu \rightarrow ^{235}U + ^4He}. \nonumber \]

    Assim, as massas pertinentes são as de\(^{230}Pu\)\(^{235}U\), e a\(\alpha\) partícula ou\(^4He\), todas conhecidas. A missa inicial foi\(m(^{230}Pu) = 230.052157 \, u\). A massa final é a soma

    \[\ce{m(^{235}U) + m(^4He) = 235.043924 \, u + 4.002602 \, u} \nonumber \]

    Assim,

    \[ \ce{\Delta m = m(^{230}Pu) - [m(^{235}U) + m(^4He)]} \nonumber \]

    \[= 239.052157 \, u - 239.046526 \, u \nonumber \]

    \[= 0.0005631 \, u. \nonumber \]

    Agora podemos encontrar E\(\Delta m\) inserindo a equação:

    \[E = (\Delta m) c^2 = (0.005631 \, u)c^2. \nonumber \]

    Nós sabemos\(1 \, u = 931.5 \, MeV/c^2\), então temos

    \[\begin{align} E & = (0.005631)(931.5 \, MeV/c^2)(c^2) \nonumber \\[4pt] &= 5.25 \, MeV. \nonumber \end{align} \nonumber \]

    Significância

    A energia liberada nesse\(\alpha\) decaimento está na faixa de MeV, muitas vezes maior do que as energias de reação química. A maior parte dessa energia se torna energia cinética da\(\alpha\) partícula (ou\(^4He\) núcleo), que se afasta em alta velocidade. A energia transportada pelo recuo do\(^{235}U\) núcleo é muito menor devido à sua massa relativamente grande. O\(^{235}U\) núcleo pode ser deixado em um estado excitado para posteriormente emitir fótons (\(\gamma\)raios). 239 Pu 235 U + 4 Ele.

    Decadência beta

    Na maioria dos decaimentos de\(\beta\) partículas (ou decaimento beta), um elétron (\(\beta^-\)) ou um pósitron (\(\beta^+\)) é emitido por um núcleo. Um pósitron tem a mesma massa do elétron, mas sua carga é\(+e\). Por esse motivo, um pósitron às vezes é chamado de antielétron. Como ocorre a\(\beta\) decadência? Uma possível explicação é que o elétron (pósitron) está confinado ao núcleo antes do decaimento e de alguma forma escapa. Para obter uma estimativa aproximada da energia de escape, considere um modelo simplificado de um elétron preso em uma caixa (ou na terminologia da mecânica quântica, um poço quadrado unidimensional) que tenha a largura de um núcleo típico (\(10^{-14}\)). De acordo com o princípio da incerteza de Heisenberg na Mecânica Quântica, a incerteza do momento do elétron é:

    \[\begin{align} \Delta p &\ge \dfrac{h}{\Delta x} \nonumber \\[4pt] &= \dfrac{6.6 \times 10^{-34} m^2 \cdot kg/s}{10^{-14}m} \nonumber \\[4pt] &= 6.6 \times 10^{-20} kg \cdot m/s. \end{align} \nonumber \]

    Considerando esse valor de momento (uma subestimativa) como o “valor real”, a energia cinética do elétron na fuga é de aproximadamente

    \[\begin{align} \dfrac{(\Delta p)^2}{2m_e} &= \dfrac{6.6 \times 10^{-20} m^2 \cdot kg/s)^2}{2(9.1 \times 10^{-31}kg)} \nonumber \\[4pt] &= 2.0 \times 10^{-9} J \nonumber \\[4pt] &= 12,400 \, MeV. \end{align} \nonumber \]

    Experimentalmente, descobriu-se que os elétrons emitidos em\(\beta^-\) decaimento têm energias cinéticas da ordem de apenas alguns MeV. Concluímos, portanto, que o elétron é de alguma forma produzido no decaimento, em vez de escapar do núcleo. A produção de partículas (aniquilação) é descrita por teorias que combinam mecânica quântica e relatividade, um assunto de um curso mais avançado em física.

    O decaimento beta nuclear envolve a conversão de um nucleon em outro. Por exemplo, um nêutron pode decair para um próton pela emissão de um elétron (\(\beta^-\)) e uma partícula quase sem massa chamada antineutrino (\(\overline{\nu}\)):

    \[\ce{_0^1n \rightarrow _1^1p + _1^0e + \overline{\nu}. } \nonumber \]

    A notação\(_{-1}^0e\) é usada para designar o elétron. Seu número de massa é 0 porque não é um nucleon, e seu número atômico significa que ele tem uma carga de\(-e\).\(-1\) O próton é representado\(_1^1p\) porque seu número de massa e número atômico são 1. Quando isso ocorre dentro de um núcleo atômico, temos a seguinte equação para decaimento beta:

    \[\ce{_z^AX \rightarrow _{Z+1} ^AX + _1^0e + \overline{\nu}.} \label{beta} \]

    Esse processo ocorre devido à fraca força nuclear.

    Veja o decaimento beta ocorrer para uma coleção de núcleos ou para um núcleo individual.

    Como exemplo, o isótopo\(_{90}^{234}Th\) é instável e decai por\(\beta^-\) emissão com meia-vida de 24 dias. Sua decadência pode ser representada como

    \[\ce{_{90}^{234}Th \rightarrow _{91}^{234}X + _1^0e^+ + \overline{\nu}.} \nonumber \]

    Como o elemento químico com número atômico 91 é o protactínio (Pa), podemos escrever a\(\beta^-\) decomposição do tório como

    \[\ce{_{90}^{234}Th \rightarrow _{91}^{234}Pa + _1^0e^+ + \overline{\nu}.} \nonumber \]

    O processo inverso também é possível: um próton pode decair em um nêutron pela emissão de um pósitron (\(e^+\)e uma partícula quase sem massa chamada nêutrin o (\(v\)). Essa reação é escrita como

    \[\ce{_1^1p \rightarrow _0^1n + _{+1}^0e + \nu.} \nonumber \]

    O pósitron\(_1^0e\) é emitido com o neutrino\(\nu\) e o nêutron permanece no núcleo. (Assim como o\(\beta^-\) decaimento, o pósitron não precede o decaimento, mas é produzido no decaimento.) Para um próton isolado, esse processo é impossível porque o nêutron é mais pesado que o próton. No entanto, esse processo é possível dentro do núcleo porque o próton pode receber energia de outros nucleons para a transição. Como um exemplo, o isótopo de alumínio\(_{13}^{26}Al\) decai por\(\beta^+\) emissão com meia-vida de\(7.40 \times 10^5 y\). A decadência é escrita como

    \[\ce{_{13}^{26}Al \rightarrow _{12}^{26}X + _1^0e + \nu.} \nonumber \]

    O número atômico 12 corresponde ao magnésio. Conseqüentemente,

    \[\ce{_{13}^{26}Al \rightarrow _{12}^{26}Mg + _1^0 e + \nu.} \nonumber \]

    Como uma reação nuclear, a emissão de pósitrons pode ser escrita como

    \[\ce{_Z^AX \rightarrow _{Z-1} ^AX + _1^{0} e + \nu.} \nonumber \]

    O neutrino não foi detectado nos primeiros experimentos de\(β\) decaimento. No entanto, as leis da energia e do momento pareciam exigir tal partícula. Posteriormente, os neutrinos foram detectados por meio de suas interações com os núcleos.

    Exemplo\(\PageIndex{2}\): Bismuth Alpha and Beta Decay

    O\(_{83}^{211}Bi\) núcleo sofre as duas coisas\(\alpha\) e se\(\beta^-\) decompõe. Para cada caso, o que é o núcleo filho?

    Estratégia

    Podemos usar os processos descritos pela Equação\ ref {alpha} e pela Equação\ ref {beta}, bem como pela Tabela Periódica, para identificar os elementos resultantes.

    Solução

    O número atômico e o número de massa da\(\alpha\) partícula são 2 e 4, respectivamente. Assim, quando um núcleo de bismuto-211 emite uma\(\alpha\) partícula, o núcleo filho tem um número atômico 81 e um número de massa de 207. O elemento com um número atômico de 81 é tálio, então o decaimento é dado por

    \[\ce{_{83}^{211}Bi \rightarrow _{81}^{207} Ti + _2^4He.} \nonumber \]

    Em\(\beta^-\) decadência, o número atômico aumenta em 1, enquanto o número de massa permanece o mesmo. O elemento com um número atômico de 84 é polônio, então o decaimento é dado por

    \[\ce{_{83}^{211}Bi \rightarrow _{84}^{211}Po + _{-1}^0e + \overline{\nu}.} \nonumber \]

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    No decaimento beta radioativo, o número de massa atômica, A, aumenta ou diminui?

    Solução

    Nenhum deles; permanece o mesmo.

    Decaimento gama

    Um núcleo em estado excitado pode decair para um estado de nível inferior pela emissão de um fóton de “raio gama”, e isso é conhecido como decaimento gama. Isso é análogo à desexcitação de um elétron atômico. O decaimento gama é representado simbolicamente por

    \[\ce{_{Z}^{A}X}^{*} \ce{\rightarrow _{Z}^{A}X + \gamma} \label{gamma} \]

    onde o asterisco (*) no núcleo indica um estado excitado. Em\(\gamma\) decadência, nem o número atômico nem o número de massa mudam, então o tipo de núcleo não muda.

    Série Radioactive Decay

    Os núcleos com\(Z > 82\) são instáveis e decaem naturalmente. Muitos desses núcleos têm vida útil muito curta, então eles não são encontrados na natureza. Exceções notáveis incluem\(_{90}^{232}Th\) (ou Th-232) com meia-vida de\(1.39 \times 10^{10}\) anos e\(_{92}^{238}U\) (ou U-238) com meia-vida de\(7.04 \times 10^8\) anos. Quando um núcleo pesado decai para um mais leve, o núcleo filho mais leve pode se tornar o núcleo pai para a próxima decadência, e assim por diante. Esse processo pode produzir uma longa série de decaimentos nucleares chamada de série de decaimento. A série termina com um núcleo estável.

    Para ilustrar o conceito de uma série de decaimento, considere o decaimento da série Th-232 (Figura\(\PageIndex{3}\)). O número de nêutrons, N, é plotado no eixo vertical y, e o número atômico, Z, é plotado no eixo horizontal x, então Th-232 é encontrado nas coordenadas\((N, Z) = (142.90)\). O Th-232 decai por\(\alpha\) emissão com meia-vida de\(1.39 \times 10^{10}\) anos. O decaimento alfa diminui o número atômico em 2 e o número de massa em 4, então temos

    \[\ce{_{90}^{232}Th \rightarrow _{88}^{228}Ra + _2^4He.} \nonumber \]

    O número de nêutrons para o Rádio-228 é 140, portanto, é encontrado no diagrama nas coordenadas\((N,Z) = (140, \, 90)\). O rádio-228 também é instável e decai por\(\alpha\) emissão com uma meia-vida de 5,76 anos para Actinum-228. O número atômico aumenta em 1, o número de massa permanece o mesmo e o número de nêutrons diminui em 1. Observe que no gráfico, a\(α\) emissão aparece como uma linha inclinada para baixo para a esquerda, com N e Z diminuindo em 2. A emissão beta, por outro lado, aparece como uma linha inclinada para baixo para a direita, com N diminuindo em 1 e Z aumentando em 1. Após vários decaimentos alfa e beta adicionais, a série termina com o núcleo estável Pb-208.

    É mostrado um gráfico do número de nêutrons N = A — Z versus o número atômico Z. O decaimento alfa é mostrado por setas vermelhas apontando para baixo à esquerda, mostrando uma diminuição em N e Z. O decaimento beta é mostrado por setas azuis apontando para baixo para a direita, indicando uma diminuição em N e aumento em Z. O decaimento é mostrado da seguinte forma: Decaimento alfa de 232 Th para 228 Ra em 1,39 para 10 até a potência de 10 anos. Decaimento beta de 228 Ra para 228 Ac em 5,76 anos e de 228 Ac para 228 Th em 6,15 horas. O decaimento alfa de 228 Th para 224 Ra em 1,91 anos, de 224 Ra para 220 Rn em 3,66 dias, de 220 Rn para 216 Po em 55,6 segundos e de 216 Po para 212 Pb em 0,15 segundos. O beta decai de 212 Pb para 212 Bi em 10,6 horas e de 212 Bi para 212 Po em 60,6 minutos. Decaimento alfa de 212 Po para 208 Pb em 0,3 em 10 para a potência menos 6 segundos.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Na série de\(_{90}^{232}Th\) decaimento do tório, os decaimentos alfa (\(\alpha\)) reduzem o número atômico, conforme indicado pelas setas vermelhas. Os decaimentos beta (\(\beta^-\)) aumentam o número atômico, conforme indicado pelas setas azuis. A série termina no núcleo estável Pb-208.

    A frequência relativa de diferentes tipos de decaimentos radioativos (alfa, beta e gama) depende de muitos fatores, incluindo a força das forças envolvidas e o número de maneiras pelas quais uma determinada reação pode ocorrer sem violar a conservação de energia e momento. A frequência com que ocorre um decaimento radioativo geralmente depende de um equilíbrio sensível das forças fortes e eletromagnéticas.

    Como outro exemplo, considere a série de decaimento U-238 mostrada na Figura\(\PageIndex{4}\). Após vários decaimentos alfa e beta, a série termina com o núcleo estável Pb-206.

    É mostrado um gráfico do número de nêutrons N = A — Z versus o número atômico Z. O decaimento alfa é mostrado por setas vermelhas apontando para baixo à esquerda, mostrando uma diminuição em N e Z. O decaimento beta é mostrado por setas azuis apontando para baixo para a direita, indicando uma diminuição em N e aumento em Z. O decaimento é mostrado da seguinte forma: Decaimento alfa de 238 U para 234 Th em 4,46 para 10 até a potência de 9 anos. O beta decai de 234 Th para 234 Pa em 24,1 dias e de 234 Pa para 234 U em 6,66 horas. Decaimento alfa de 234 U para 230 Th em 2,48 para 10 para a potência 5 anos, de 230 Th para 226 Ra em 7,54 em 10 para a potência 4 anos, de 226 Ra para 222 Rn em 1600 anos, de 222 Rn para 218 Po em 3,82 dias e de 218 Po para 214 Pb em 3,05 minutos. O beta caiu de 214 Pb para 214 Bi em 26 minutos e de 214 Bi para 214 Po em 19,9 minutos. O alfa decai de 214 Bi para 210 Tl em 26 minutos e de 214 Po para 210 Pb em 1,64 em 10 para a potência menos 4 segundos. O beta decai de 210 Tl para 210 Pb em 1,3 minutos, de 210 Pb para 210 Bi em 22,6 anos e de 210 Bi para 210 Po em 5,01 dias. O alfa decai de 210 Po para 206 Pb em 138 dias.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Na série de decaimento do urânio-238, os\((\alpha)\) decaimentos alfa reduzem o número atômico, conforme indicado pelas setas vermelhas. Os\((\beta)\) decaimentos beta aumentam o número atômico, conforme indicado pelas setas azuis. A série termina no núcleo estável Pb-206.

    Um exemplo de decaimento cujo núcleo parental não existe mais naturalmente é mostrado na Figura\(\PageIndex{5}\). Começa com Neptúnio-237 e termina no núcleo estável Bismuth-209. O neptúnio é chamado de elemento transurânico porque está além do urânio na tabela periódica. O urânio tem o maior número atômico\((Z + 92)\) de qualquer elemento encontrado na natureza. Elementos com\(Z > 92\) podem ser produzidos somente em laboratório. Eles provavelmente também existiam na natureza na época da formação da Terra, mas por causa de sua vida útil relativamente curta, eles se deterioraram completamente. Não há nada fundamentalmente diferente entre elementos naturais e artificiais.

    É mostrado um gráfico do número de nêutrons N = A — Z versus o número atômico Z. O decaimento alfa é mostrado por setas vermelhas apontando para baixo à esquerda, mostrando uma diminuição em N e Z. O decaimento beta é mostrado por setas azuis apontando para baixo para a direita, indicando uma diminuição em N e aumento em Z. O decaimento é mostrado da seguinte forma: Decaimento alfa de 237 Np para 233 Pa em 2,14 para 10 até a potência de 6 anos. Decaimento beta de 233 Pa para 233 U em 27 dias. O decaimento alfa de 233 U para 229 Th em 1,59 para 10 para a potência de 5 anos e de 229 Th para 225 Ra em 7900 anos. Decaimento beta de 225 Ra para 225 Ac em 14,8 dias. O alfa decai de 225 Ac para 221 Fr em 10 dias, de 221 Fr para 217 At em 4,8 minutos e de 217 At para 213 Bi em 0,032 segundos. A versão beta caiu de 213 Bi para 213 Po em 45,6 minutos. Decaimento alfa de 213 Po para 209 Pb em 4 em 10 para a potência menos 6 segundos. Decaimento beta de 209 Pb para 209 Bi em 3,25 horas.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Na série de decaimento Neptúnio-237, os\((\alpha)\) decaimentos alfa reduzem o número atômico, conforme indicado pelas setas vermelhas. Os\((\beta^-)\) decaimentos beta aumentam o número atômico, conforme indicado pelas setas azuis. A série termina no núcleo estável Bi-209.

    Observe que, para Bi (21), o decaimento pode prosseguir por decaimento alfa ou beta.

    Radioatividade na Terra

    De acordo com geólogos, se não houvesse fonte de calor, a Terra deveria ter esfriado até sua temperatura atual em no máximo 1 bilhão de anos. No entanto, a Terra tem mais de 4 bilhões de anos. Por que a Terra está esfriando tão lentamente? A resposta é a radioatividade nuclear, ou seja, partículas de alta energia produzidas em decaimentos radioativos aquecem a Terra por dentro (Figura\(\PageIndex{6}\)).

    Uma figura seccionada da Terra mostrando diferentes camadas. Uma seta circular, chamada convecção, é mostrada perto do núcleo. As setas externas daqui são rotuladas como condução. As flechas externas fora da Terra são rotuladas como radiação. Uma seção de dentro da Terra é mostrada como um círculo contendo setas para raios alfa, beta e gama em todas as direções.
    Figura\(\PageIndex{6}\): A Terra é aquecida por reações nucleares (decaimentos alfa, beta e gama). Sem essas reações, o núcleo e o manto da Terra seriam muito mais frios do que são agora.

    Os núcleos candidatos a esse modelo de aquecimento são\(^{238}U\) e\(^{40}K\), que possuem meias-vidas semelhantes ou maiores que a idade da Terra. A energia produzida por esses decaimentos (por segundo por metro cúbico) é pequena, mas a energia não pode escapar facilmente, então o núcleo da Terra é muito quente. A energia térmica no núcleo da Terra é transferida para a superfície da Terra e para longe dela por meio dos processos de convecção, condução e radiação.