21: Química nuclear
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As reações químicas que consideramos nos capítulos anteriores envolvem mudanças na estrutura eletrônica das espécies envolvidas, ou seja, na disposição dos elétrons em torno de átomos, íons ou moléculas. A estrutura nuclear, o número de prótons e nêutrons dentro dos núcleos dos átomos envolvidos, permanecem inalterados durante as reações químicas. Este capítulo apresentará o tópico da química nuclear, que começou com a descoberta da radioatividade em 1896 pelo físico francês Antoine Becquerel e se tornou cada vez mais importante durante os séculos XX e XXI, fornecendo a base para várias tecnologias relacionadas à energia, medicina, geologia e muitas outras áreas.
- 21.1: Estrutura e estabilidade nucleares
- Um núcleo atômico consiste em prótons e nêutrons, chamados coletivamente de nucleons. Embora os prótons se repelam, o núcleo é mantido firmemente unido por uma força de curto alcance, mas muito forte, chamada força nuclear forte. Um núcleo tem menos massa do que a massa total de seus núcleons constituintes. Essa massa “ausente” é o defeito de massa, que foi convertido na energia de ligação que mantém o núcleo unido de acordo com a equação de equivalência massa-energia de Einstein, E = mc2.
- 21.2: Equações nucleares
- Os núcleos podem sofrer reações que alteram o número de prótons, o número de nêutrons ou o estado de energia. Muitas partículas diferentes podem estar envolvidas em reações nucleares. Os mais comuns são prótons, nêutrons, pósitrons (que são elétrons carregados positivamente), partículas alfa (α) (que são núcleos de hélio de alta energia), partículas beta (β) (que são elétrons de alta energia) e raios gama (γ) (que compõem radiação eletromagnética de alta energia).
- 21.3: Decaimento radioativo
- Núcleos instáveis sofrem decaimento radioativo espontâneo. Os tipos mais comuns de radioatividade são decaimento α, decaimento β, emissão γ, emissão de pósitrons e captura de elétrons. As reações nucleares também costumam envolver raios γ, e alguns núcleos decaem por captura de elétrons. Cada um desses modos de decaimento leva à formação de novos núcleos estáveis, às vezes por meio de vários decaimentos antes de terminar em um isótopo estável. Todos os processos de decaimento nuclear seguem uma cinética de primeira ordem e cada radioisótopo tem sua própria meia-vida.
- 21.4: Transmutação e energia nuclear
- É possível produzir novos átomos bombardeando outros átomos com núcleos ou partículas de alta velocidade. Os produtos dessas reações de transmutação podem ser estáveis ou radioativos. Vários elementos artificiais, incluindo tecnécio, astatina e os elementos transurânio, foram produzidos dessa maneira. A energia nuclear, bem como as detonações de armas nucleares, podem ser geradas por fissão (reações nas quais um núcleo pesado é dividido em dois ou mais núcleos mais leves e vários nêutrons).
- 21.5: Usos de radioisótopos
- Compostos conhecidos como traçadores radioativos podem ser usados para acompanhar reações, rastrear a distribuição de uma substância, diagnosticar e tratar condições médicas e muito mais. Outras substâncias radioativas são úteis para controlar pragas, visualizar estruturas, fornecer avisos de incêndio e para muitas outras aplicações. Centenas de milhões de testes e procedimentos de medicina nuclear, usando uma grande variedade de radioisótopos com meia-vida relativamente curta, são realizados todos os anos nos EUA.
- 21.6: Efeitos biológicos da radiação
- Estamos constantemente expostos à radiação de fontes naturais e produzidas pelo homem. Essa radiação pode afetar organismos vivos. A radiação ionizante é particularmente prejudicial porque pode ionizar moléculas ou quebrar ligações químicas, o que danifica as moléculas e causa avarias nos processos celulares. Os tipos de radiação diferem em sua capacidade de penetrar no material e danificar os tecidos, sendo as partículas alfa as menos penetrantes, mas potencialmente as mais prejudiciais, e os raios gama os mais penetrantes.
- 21.E: Química nuclear (exercícios)
- Estes são exercícios de lição de casa para acompanhar o mapa de texto criado para “Química” pela OpenStax.