21.10: Resumo

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 = mc ². Dos muitos nuclídeos existentes, apenas um pequeno número é estável. Nuclídeos com números pares de prótons ou nêutrons, ou aqueles com números mágicos de nucleons, são especialmente propensos a serem estáveis. Esses nuclídeos estáveis ocupam uma faixa estreita de estabilidade em um gráfico do número de prótons versus número de nêutrons. A energia de ligação por núcleo é maior para os elementos com números de massa próximos a 56; esses são os núcleos mais estáveis.

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). Assim como nas reações químicas, as reações nucleares são sempre balanceadas. Quando ocorre uma reação nuclear, a massa total (número) e a carga total permanecem inalteradas.

21.3 Decaimento radioativo

Núcleos com relações n:p 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 um novo núcleo com uma relação n:p mais estável. Algumas substâncias passam por séries de decaimento radioativo, passando por 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 característica, o tempo necessário para a decomposição da metade de seus átomos. Devido às grandes diferenças de estabilidade entre os nuclídeos, há uma ampla gama de meias-vidas de substâncias radioativas. Muitas dessas substâncias encontraram aplicações úteis no diagnóstico e tratamento médico, determinando a idade de objetos arqueológicos e geológicos e muito mais.

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). Como os nêutrons podem induzir reações de fissão adicionais quando se combinam com outros núcleos pesados, uma reação em cadeia pode resultar. A energia útil é obtida se o processo de fissão for realizado em um reator nuclear. A conversão de núcleos leves em núcleos mais pesados (fusão) também produz energia. Atualmente, essa energia não foi contida adequadamente e é muito cara para ser viável para a produção comercial de energia.

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. A maioria desses radioisótopos tem meia-vida relativamente curta; alguns são curtos o suficiente para que o radioisótopo deva ser fabricado no local em instalações médicas. A radioterapia usa radiação de alta energia para matar células cancerosas, danificando seu DNA. A radiação usada para esse tratamento pode ser fornecida externa ou internamente.

21.6 Efeitos biológicos da radiação

Estamos constantemente expostos à radiação de uma variedade de fontes naturais e produzidas pelo homem. Essa radiação pode afetar organismos vivos. A radiação ionizante é a mais prejudicial porque pode ionizar moléculas ou romper ligações químicas, o que danifica a molécula e causa avarias nos processos celulares. Também pode criar radicais hidroxilos reativos que danificam as moléculas biológicas e interrompem os processos fisiológicos. A radiação pode causar danos somáticos ou genéticos e é mais prejudicial às células que se reproduzem rapidamente. 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.

Vários dispositivos, incluindo contadores Geiger, cintiladores e dosímetros, são usados para detectar e medir a radiação e monitorar a exposição à radiação. Usamos várias unidades para medir a radiação: becquerels ou curies para taxas de decaimento radioativo; cinza ou rads para energia absorvida; e rems ou sieverts para efeitos biológicos da radiação. A exposição à radiação pode causar uma ampla gama de efeitos à saúde, de menores a graves, incluindo a morte. Podemos minimizar os efeitos da radiação protegendo-os com materiais densos, como chumbo, afastando-se da fonte e limitando o tempo de exposição.