Radioatividade

A radioatividade é um fenômeno que ocorre quando um núcleo instável emite espontaneamente partículas ou ondas, que são denominadas de radiações e se transforma em outro núcleo mais estável.

Representação de um núcleo instável e outro estável.

A radioatividade de um elemento não é afetada por fatores químicos, nem pelo estado físico da substância, nem pela pressão ou temperatura, pois este fenômeno depende apenas da instabilidade do núcleo atômico, e não da eletrosfera.

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O físico francês Antoine-Henri Becquerel percebeu, em 1896, que um sal de urânio, denominado sulfato duplo de potássio e uranila (K₂(UO₂)(SO₄)₂), tinha a capacidade de sensibilizar o negativo de um filme fotográfico recoberto com papel preto, ou ainda uma lâmina bem fina de metal. As radiações emitidas pelo sal possuíam propriedade semelhante à dos raios X, e recebeu o nome de radioatividade.

Marie Sklodowska Curie demonstrou, em 1897, que a intensidade da radiação era proporcional à quantidade de urânio presente na amostra e chegou à conclusão de que a radioatividade é um fenômeno atômico.

Ainda em 1897, Ernest Rutherford criou um equipamento, como mostrado na figura abaixo, com o objetivo de estudar a ação de um campo eletromagnético sobre as radiações.

Experimento de Rutherford.

Com esse experimento, Rutherford concluiu que, por sofrerem desvio no campo magnético, os raios alfa (α) e beta (β) apresentavam carga elétrica. Já os raios gama (γ), por não sofrerem desvio, não possuíam carga elétrica. Ele percebeu também que os raios β eram atraídos pela placa positiva, logo, seriam carregados negativamente. Já os raios α, que eram atraídos pela placa negativa, seriam carregados positivamente.

Das três radiações vistas, a γ é a mais penetrante e a mais perigosa para o ser humano. A β apresenta penetração média, enquanto que a α é a menos penetrante.

Outros estudos realizados posteriormente permitiram caracterizar os três tipos de radiação, como mostra a tabela abaixo.

Existem outras emissões comuns mostradas na tabela a seguir.

1ª Lei: Lei de Soddy – Emissão de Partículas α

Quando o átomo de um elemento radioativo emitir uma partícula α, seu número de massa diminuirá em 4 unidades e seu número atômico diminuirá em 2 unidades, originando um novo elemento químico (devido aos diferentes valores de Z):

­_ZX^A → ₊₂α⁴ + _Z-2Y^A-4

    Exemplo:

­₉₄Pu²³⁹ → ₊₂α⁴ + ₉₂U²³⁵

Nas equações nucleares, os números de massa (A) e dos números atômicos (Z) devem ser conservados. Ou seja:

ΣA_Reagentes = ΣA_Produtos

ΣZ_Reagentes = ΣZ_Produtos

    No exemplo anterior:

ΣA_Reagentes = ΣA_Produtos → 239 = 4 + 235

ΣZ_Reagentes = ΣZ_Produtos → 94 = 2 + 92

2ª Lei: Lei de Soddy-Fajans-Russel – Emissão de Partículas β

As partículas β são formadas pela desintegração de um nêutron no núcleo, originando um próton que permanece no núcleo, um elétron (beta) e uma subpartícula chamada antineutrino:

                                                   ₀n¹           →        ₊₁p¹     +           _-1β⁰     +           ₀ν⁰

                                 nêutron             próton              beta           antineutrino

Quando o átomo de um elemento radioativo emitir uma partícula β, seu número de massa permanece o mesmo e seu número atômico aumentará em 1 unidade, originando um novo elemento químico (devido aos diferentes valores de Z):

­_ZX^A → _-1β⁰ + _Z+1Y^A

Por possuírem o mesmo número de massa (A), esses átomos sempre serão isóbaros.

Exemplo:

­₆C¹⁴ → _-1β⁰ + ₇N¹⁴

ΣA_Reagentes = ΣA_Produtos → 14 = 0 + 14

ΣZ_Reagentes = ΣZ_Produtos → 6 = -1 + 7

Como as radiações γ são ondas eletromagnéticas, e não partículas, sua emissão não altera o número atômico e nem o número de massa do elemento químico. Por isso, não se costuma representar sua emissão por meio de equações nucleares.

A transmutação natural ocorre quando um elemento químico emite espontaneamente uma radiação e se transforma em um outro elemento. Existem também as transmutações artificiais, que ocorrem quando as transmutações são obtidas por bombardeamento de núcleos estáveis com partículas α, prótons, nêutrons etc.

A primeira transmutação artificial foi feita por Rutherford:

­₇N¹⁴ + ₊₂α⁴ → ₈O¹⁷ + ₊₁p¹

ΣA_Reagentes = ΣA_Produtos → 14 + 4 = 17 + 1

ΣZ_Reagentes = ΣZ_Produtos → 7 + 2 = 8 + 1

Chadwick descobriu o nêutron em 1932 através da seguinte transmutação artificial:

­₄Be⁹ + ₊₂α⁴ → ₆C¹² + ₀n¹

ΣA_Reagentes = ΣA_Produtos → 9 + 4 = 12 + 1

ΣZ_Reagentes = ΣZ_Produtos → 4 + 2 = 6 + 0

A velocidade com que as partículas são emitidas ou desintegradas é diretamente proporcional ao número de núcleos radioativos (N), a cada instante considerado.

V = K x N

Onde K é a constante radioativa característica de cada isótopo.

Após certo intervalo de tempo, denominado tempo de meia-vida (t_1/2) ou período de desintegração (P), o número de núcleos radioativos de cada isótopo é reduzido pela metade.

m₀ (massa inicial) → m₀/2 → m₀/4 → m₀/8 → m₀/16...

        t_1/2        t_1/2         t_1/2         t_1/2

A meia-vida pode ser relacionada com a massa ou com o número de átomos, independente da quantidade inicial e de fatores externos, pois é um fenômeno nuclear.