EMISSÕES RADIOATIVAS

Aprenda sobre Reações Nucleares Naturais e Artificiais.

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REAÇÕES NUCLEARES

São transformações ocorridas no núcleo do átomo, que acarretam então, alterações no número de prótons e/ou nêutrons do átomo. Por modificarem a quantidade de prótons (identidade do elemento químico), tais reações são as únicas capazes de transformar um elemento químico em outro.

OBSERVAÇÃO

No ensino médio, as reações que ocorrem na eletrosfera (reações químicas) são as mais estudadas, cabendo apenas, em todo o curso, este capítulo para o estudo das reações que ocorrem no núcleo do átomo.

As transformações nucleares podem ocorrer espontaneamente ou podem ser provocadas, sendo assim, iremos dividir esse módulo em: reações nucleares naturais e reações nucleares artificiais.

REAÇÕES NUCLEARES NATURAIS

Ocorrem em núcleos instáveis, mais conhecidos como radioativos, que se modificam espontaneamente para adquirir maior estabilidade. Nessa transformação, partículas são emitidas do núcleo com grande velocidade. É o que chamamos de emissões radioativas.

A instabilidade nuclear

Um núcleo é considerado radioativo quando é muito pesado (apresenta muitos prótons e nêutrons) ou quando a relação nêutron/próton está fora do cinturão da estabilidade, que pode ser visto abaixo:

OBSERVAÇÃO

Note que até aproximadamente o ₂₀Ca⁴⁰ a relação estável para nêutron/próton é igual a 1. A partir daí a relação n/p aumenta dada a maior necessidade de nêutrons no núcleo estável para evitar a repulsão entre os prótons.

As emissões radioativas

Emissão alfa (a)

A emissão alfa é a conseqüência da saída simultânea de dois prótons e dois nêutrons do núcleo radioativo. Tal emissão é característica de núcleos muito pesados, que expulsando prótons e nêutrons se transformam em núcleos mais leves.

“Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico diminui de duas unidades e seu número de massa diminui de quatro unidades”. Esta é a primeira lei da radioatividade.

Exemplo:

OBSERVAÇÃO

Como a partícula alfa é formada por dois prótons e dois nêutrons, podemos dizer que tal partícula representa um núcleo do elemento hélio (Z = 2).

Assim, $_2\\alpha^4=_2He^4$ .

Emissão beta ( $\\beta$ )

A emissão beta é conseqüência de uma transformação no interior do núcleo radioativo. Um nêutron se quebra dando origem a um próton, que fica no núcleo, e emite um elétron (partícula beta), além de um neutrino.

Note que na realidade o que houve no núcleo atômico foi a transformação de um nêutron em um próton. Por isso a emissão beta é característica de núcleos radioativos que apresentam excesso de nêutrons.

“Quando um núcleo emite uma partícula beta, seu número atômico aumenta de uma unidade e o seu número de massa não se altera”. Esta é a segunda lei da radioatividade.

Exemplo:

OBSERVAÇÃO

Como a emissão beta é na realidade a emissão de um elétron formado no núcleo, é comum representá-la como _–1e⁰.

Assim, _-1β⁰ = _–1e⁰.

Em algumas reações é possível vermos a representação ₊₁b⁰. Tal emissão é conhecida como pósitron, que é formada na reação inversa da emissão beta, ou seja, ocorre quando um próton se transforma em um nêutron.

Emissão gama ()

A emissão gama são ondas eletromagnéticas geralmente emitidas simultaneamente com as emissões alfa e beta. Por ser uma onda eletromagnética, a emissão gama não altera a quantidade de prótons e nêutrons do núcleo atômico. Não havendo nenhuma modificação, dispensa-se assim o equacionamento de reação nuclear.

A emissão gama pode ser representada por ₀γ⁰.

Principais características das emissões radioativas

Poder de penetração

Está ligado ao peso de cada partícula. A emissão alfa, que é a mais pesada, apresenta o menor poder de penetração. Já a emissão gama, que é a mais leve, é a mais penetrante e por isso a mais perigosa das radiações.

O perigo da exposição humana a um material radioativo está exatamente ligado ao grande poder de penetração das partículas radioativas e à velocidade em que essas são expulsas dos núcleos.

Poder de penetração decrescente:

Comportamento das emissões frente ao campo elétrico

Emissão alfa: carga positiva (prótons), sofre desvios em direção a placa negativa.

Emissão beta: carga negativa (elétron), sofre desvios em direção a placa positiva.

Emissão gama: sem carga elétrica, não sofre desvios quando submetida ao campo elétrico.

OBSERVAÇÃO

Note que o desvio sofrido pelas partículas beta em direção a placa positiva foi mais acentuado que aquele sofrido pelas partículas alfa em direção a placa negativa. Isso se deve ao fato de ser a partícula beta mais leve do que a partícula alfa.

As Famílias radioativas

São formadas por um conjunto de átomos relacionados entre si através de sucessivas emissões de partículas. As famílias radioativas naturais são as mais importantes. São elas:

O átomo pai representa o início de uma família radioativa que através de emissões sucessivas dá origem ao átomo filho, que não é mais radioativo.

OBSERVAÇÃO

Há ainda uma família radioativa artificial, e por isso sem muita importância, que é a família do Neptúnio que inicia com o ₉₃Np²⁴¹ e termina com o ₈₃Bi²⁰⁹ . Sua fórmula geral é A = 4n + 1

REAÇÕES NUCLEARES ARTIFICIAIS

Em 1919, Rutherford colocou uma amostra de Polônio, que é emissor alfa num recipiente contendo Nitrogênio – 14 e após algum tempo foi constatada a presença do Oxigênio – 17. Pela primeira vez conseguiu-se realizar uma reação nuclear provocada.

Em 1932, Chadwick descobriu o nêutron através da reação:

Em 1933, o casal Frederic Joliot e Irene Joliot Curie produziu o primeiro isótopo radioativo artificial; bombardeando o alumínio-27 com partículas alfa, eles obtiveram o fósforo-30.

Em nosso planeta, o elemento de número atômico mais elevado é o Urânio (Z = 92). Em 1940, McMillan e Seaborg produziram os dois primeiros elementos artificiais após o Urânio, denominados elementos transurânicos, são eles o Neptúnio (Z = 93) e o Plutônio (Z = 94), que foram obtidos através da seqüência de reações abaixo:

Fissã nuclear

É a divisão de um núcleo atômico específico em dois núcleos menores provocada pelo bombardeio deste núcleo por um nêutron. Tais reações liberam grande quantidade de energia, e por isso são utilizadas na geração de energia em usinas nucleares e na produção das bombas atômicas.

A reação acima, como já foi dito, é muito utilizada nos reatores nucleares para produzir energia. Esta reação pode ser perigosa, pois produz dois ou três nêutrons, que são as partículas bombardeadoras e responsáveis pela fissão do Urânio-235. Tais partículas podem vir a fissionar novos núcleos de Urânio provocando assim uma reação em cadeia, produzindo então uma quantidade muito grande de energia, o que pode causar um acidente nuclear, como o que aconteceu em Chernobyl, na Ucrânia, em 1986.

Tal reação em cadeia é o princípio da bomba atômica.

Fusão nuclear

É a reação em que dois núcleos atômicos são unidos para formar um núcleo maior. Tal reação é responsável pela liberação de uma enorme quantidade de energia, que por unidade de massa, é muito maior que a energia liberada em uma fissão nuclear.

A dificuldade de se provocar uma fusão nuclear está no calor que deve ser fornecido para que os dois núcleos se juntem. Tal calor, necessário para provocar a fusão nuclear, é relativo ao produzido na explosão de uma bomba atômica.

OBSERVAÇÃO

Se a fusão nuclear produz mais calor que a fissão, tais reações deveriam ser utilizadas na geração de energia em usinas nucleares. Mas a dificuldade em controlá-las, uma vez iniciada, torna esta reação ainda não utilizada para este fim.

A fusão nuclear é utilizada desde 1952, na fabricação de bombas, conhecidas como bombas de hidrogênio (bomba H), já que a maior parte das reações de fusão ocorre com isótopos do hidrogênio.

O poder de destruição da bomba H é muito maior que o da bomba atômica. Na realidade a bomba H é construída junto com uma bomba atômica que explode e fornece o calor necessário para a fusão nuclear acontecer, ou seja, a bomba atômica funciona como espoleta para a bomba H.

OBSERVAÇÃO

As reações nucleares não obedecem a lei de Lavoisier, já que a massa total após uma reação nuclear é diminuída, pois parte da massa é convertida em energia. Tal energia é chamada energia de empacotamento e pode ser calculada através da equação de Einstein:

Onde:

DE = energia de empacotamento

Dm = defeito de massa

c = velocidade da luz

Exercícios resolvidos

1) O radioisótopo ₈₄Po²¹⁶ emite uma partícula alfa produzindo um isótopo X que por sua vez emite uma partícula beta, produzindo um isótopo Y. Equacione as duas reações, identificando os isótopos X e Y.

Solução:

₈₄Po²¹⁶ → ₂α⁴ + X

X → _-1β⁰ + Y

Sabendo que as equações nucleares obedecem a um balanço dos números de massa e do número de prótons (Z), temos:

1ª equação: