Química > Radioatividade > Radiação nuclear: alfa, beta e gama

O que é?

Radiação é a emissão de partículas por um núcleo instável. Assim como elétrons excitados retornam para seu estado fundamental emitindo partículas de luz (fótons) , o núcleo faz a mesma coisa. A grande diferença é que as energia envolvidas são muito maiores, e por isso reações nucleares (como as que ocorrem em bombas ou reatores nucleares) liberam fótons com muito mais energia: os raios gama. Os prótons e nêutrons também estão orbitando em torno do centro do núcleo, assim como os elétrons orbitam em torno do núcleo, nesse caso a grandes distâncias, como descoberto por Rutherford. Além de emitir fótons de radiação gama, o núcleo pode também emitir partículas como elétrons, pósitrons (antielétrons) , nêutrons e prótons.

A grande maioria dos elementos que nos rodeiam não são radioativos. A partir do polônio (número atômico 84) todos os elementos são radioativos. Note que isso é esperado porque no núcleo há uma constante luta entre as forças mais potentes do Universo: a repulsão eletrostática entre os prótons e a força nuclear que mantém o núcleo unido. Os menores núcleos têm o mesmo número de prótons e nêutrons, mas à medida que cresce, uma proporção maior de nêutrons é necessária para poder conter os prótons que se repelem. Os nêutrons não têm carga elétrica e também exercem a força nuclear, juntamente com os prótons. O urânio tem massa 238 e número atômico 92, portanto 146 (238-92). Embora a força elétrica tenha um alcance muito grande ,as nucleares tem curto alcance e o tamanho do núcleo é limitado por este alcance. Os núcleos grandes , como o urânio, estão já no limite e por isso se quebram com relatividade facilidade, emitindo uma partícula alfa (2 prótons e 2 nêutrons unidos) . O urânio pode até mesmo sofrer fissão, que é uma explosão em 2 ou 3 pedaços, mais 2 a 3 nêutrons soltos; esta é a reação responsável pela energia nuclear comercial , incluindo as bombas nucleares.

Os elementos depois do polônio (82) não são muitos, considerando que os elementos naturais vão só até o urânio, de número 92. Mas os elementos que antecedem o polônio, podem ter isótopos que são radioativos por conterem nêutrons ou prótons em excesso. O gráfico abaixo mostra isso:

Relação entre número de nêutrons e prótons em elementos estáveis e radioativos . Crédito de imagem: Wikipédia

Número de prótons (Z) estão no eixo horizontal e de nêutrons (N) no eixo vertical. Note que a partir de Z=20, aproximadamente, linha se move para cima da linha reta, que representa mesmo número de prótons e nêutrons, como foi explicado.

Os pontos mais escuros representam os elementos estáveis (stable). Veja que após Z=82 não há mais nenhum. Os isótopos que se afastam destes são radioativos, e suas meias-vidas diminuem em proporção à distância que estão . Quanto mais curta a meia-vida, maior a atividade radioativa do elemento.

Tipos de radiação : alfa, beta e gama

Radiação beta (β-decay):

Elétrons ou pósitrons são ejetados em velocidades próximas à da luz. Os elétrons não são retirados da eletrosfera do átomo e sim produzidos no núcleo.

-Decaimento beta mais (β+) - emissão de pósitron

Este decaimento consiste da emissão de um pósitron e um neutrino .

Neutrinos são partículas neutras e muito pequenas, muito difíceis de serem detectadas. Trilhões delas, emitidas pelo Sol e outras estrelas, estão atravessando seu corpo neste momento. Elas foram propostas teoricamente, a princípio, porque não estava fechando a conta da conservação da energia e do momento durante o decaimento beta (ver questão FUVEST). Hoje em dia eles podem ser detectados, com detetores enormes dentro de minas subterrâneas ou debaixo de montanhas, como o Super Kamiokande no Japão.

Pósitrons são antielétrons, ou seja, partículas com mesma massa e carga elétrica de sinal oposto. Mais importante, eles são feitos de antimatéria e não de matéria. Portanto, quando um pósitron encontra com um elétron, ocorre a aniquilação e ambos desaparecem, ou seja, se transformam em fótons de raios gama. Isto é explorado em medicina nuclear no exame PET.

Conservação da carga : Para que um pósitron seja emitido do núcleo, este perde uma carga positiva é perdido e por isso um próton é transformado em nêutron. Isto significa que o elemento passa a ser outro! Isto se chama transmutação e será explicado em detalhe.

Por isso o decaimento β+ ocorre em núcleos com excesso de prótons e falta de nêutrons.

-Decaimento beta menos (β-) - emissão de elétron

Este consiste de um elétron e de um antineutrino ( a antipartícula do neutrino, ou seja, antimatéria).

Conservação da carga: Para que um elétron seja emitido do núcleo, este perde uma carga negativa é perdido e por isso um nêutron é transformado em próton. Por isso há também transmutação.

Por isso o decaimento β- ocorre em núcleos com excesso de nêutrons e falta de prótons.

Radiação alfa

A radiação alfa é típica dos elementos mais pesados, cujo núcleo já está grande demais e quer se livrar de pedaços. Os pedaços são as partículas alfa, que consistem de 2 prótons e 2 nêutrons. O número atômico diminui duas unidades, e portanto há transmutação.

A emissão de partículas alfa pelo plutônio libera relativamente bastante calor, e este pode ser usado para aquecimento.

Partículas alfa foram usadas como projéteis no primeiro experimento de física nuclear, quando Rutherford descobriu que o átomo é predominantemente um espaço vazio:

Radiação gama

Radiação gama normalmente acompanha o decaimento alfa ou beta, pois é uma maneira do núcleo livrar-se de energia excedente após um rearranjo em sua estrutura.

Esta consiste da emissão de raios gama, que são ondas eletromagnéticas com energia muito mais alta que a luz ou os raios X. A imagem abaixo mostra o espectro das ondas eletromagnéticas, onde os raios gama estão do lado direito. Revise ondas eletromagnéticas>>

Isto é análogo ao que ocorre com os elétrons que pulam de uma órbita a outra no átomo emitem fótons de luz visível ou UV. Mas a mudança de órbita de uma partícula do núcleo envolve energias muito mais altas e portanto s emitem fótons gama.

OBS. O modelo de órbitas do núcleo não e cobrado no ENEM, mas eu menciono aqui porque acho que facilita o entendimento dos processos de emissão de raios gama.

Espectro eletromagnético . Crédito de imagem: wikipedia

Poder de penetração

A radiação alfa consiste de partículas de maior tamanho e por isso é a menos penetrante. Pode ser facilmente parada, até com uma folha de papel. No entanto ela, e também a beta, pode ser perigosa se estiver em contato direto com a pele ou penetrar no organismo via pulmões, por exemplo.

A radiação beta é mais penetrante que a alfa e pode ser parada com um folha de alumínio.

A radiação gama é a mais penetrante e uma blindagem grossa de chumbo é necessária para pará-la. Materiais de alto número atômico, como o chumbo, são os mais eficientes para para os raios gama. Uma blindagem muito mais grossas seria necessária se fosse feita de alumínio ou concreto. O chumbo é também incorporado em vidros, para blindar raios gama em hot cells, que são aqueles locais onde o material é manipulado em local fechado e com braços mecânicos, mas é necessário ver dentro.

Por exemplo o cobalto-60 e o césio-137 emitem raios gama que são usados para radioterapia. Estes devem ser mantidos dentro de recipientes de chumbo, com uma janela por onde saem os raios gamam na direção desejada.

Poder de penetração dos 3 tipos de radiação sobre os materiais: Papel - Alumínio - Chumbo -. Crédito da imagem: Wikipedia, usuário Stannered

Perceba na imagem acima que o chumbo é o únco dos 3 materiais que barra a radiação gama, mas mesmo assim um pouquinho ainda escapa. Os liquidators (também conhecidos como bio-robots) que foram enviados a zonas de alta radioatividade após o desastre de Chernobyl usavam chumbo como proteção mas isto não era suficiente para barrar a radiação que era muito intensa:

imagem de liquidator no desastre de Chernobyl - Extraída do vídeo : Chernobyl 3828

Na imagem acima se vê um liquidator com uma placa de chumbo nas costas e outra atrás da cabeça, amarrada precariamente. Eles vestiam também uma placa sobr eo peito e outra sobre os testículos. Esta última foi apelidada de egg basket. Estas placas de chumbo dificultavam bastante a mobilidade destes soldados, e é duvidosa a sua eficácia devido aos níveis extremos de radiação em áreas, por exemplo, onde pedaços de grafite de dentro do reator estavam espalhados.

Transmutação pelo decaimento radioativo

Transmutação é a transformação de um elemento em outro. Este era o objetivo dos alquimistas que queriam transformar metais em ouro, e nunca conseguíram. Hoje sabemos que isto é impossível de ser alcançado por meios químicos. Apenas reações nucleares podem transmutar, como as que ocorrem em máquinas do tipo ciclotron ou reatores nucleares. A síntese de elementos será explicada no final da página.

Primeiro vamos ver que os decaimentos radioativos alfa e beta causam transmutações, pois há mudança do número Z (quantidade de prótons).

F-18 →O-18 + e⁺ + ν

Nesse caso houve a transmutação do F (Z=9) para o O (Z=8). Conforme explicado acima, um próton se transformou em um nêutron, mais um positron e mais um neutrino.

O neutrino é representado pela letra grega ν e o pósitron por e⁺ .

C-14 →N-14 + e^- + anti ν

O carbono 14 tem um próton transformado em nêutron a portanto transforma-se em N-14, A massa , 14, continua a mesma, assim como no caso beta+ . Perceba que nesse caso forma-se um antineutrino (a antipartícula do neutrino). A radioatividade do carbono-14 é muito útil para determinar a idade de materiais carbonáceos como madeiras, ossos, etc. Ver datação radiométrica>>

U-238 → Th-234 + α

O urânio perde 2 prótons e 2 nêutrons, portanto 4 unidade s de massa , e seu número atômico (Z) diminui 2 unidades. Por isso ele se torna o tório.

O tório por sua vez é também radioativo e sofre um decaimento beta - para tornar-se protactinium, e assim por diante, até chegar no chumbo (Pb) que é estável, e não sofre mais decaimentos. A série radioativa do urânio é mostrada abaixo. Esta série foi usada para determinar a idade do nosso planeta. Ver datação radiométrica>>

 

Transmutação pelo bombardeio de prótons ou nêutrons

Estas técnicas são usadas para produzir radiisótopos para serem usados nas diversas áreas de aplicação.

Ciclotrons são usados para acelerar prótons de modo a inseri-los nos núcleos alvo. Como os núcleos com excesso de prótons são emissores de pósitrons (beta +) esta é uma maneira de produzir radioisótopos para o exame hospitalar PET, que usa pósitrons . Perceba que os nêutrons não podem ser acelerados porque não possuem carga elétrica. O bombardeamento com nêutrons deve ser feito dentro de um reator nuclear feito para isso.

O-18 + próton →F-18 + nêutron

Veja que um nêutron deve ser liberado, para que a massa atômica permanece a mesma (18).

Pode-se produzir ouro?

Sim. Ouro é qualquer material com número atômico 79. Pode-se pegar átomos de platina, de número atômico 78 e introduzir prótons, conforme descrito acima. O problema é que as quantidades produzidas são muito pequenas e o custo de operar o ciclotron, e mais o trabalho de separar o ouro da mistura radioativa, vai sair mais caro do que comprar o ouro. O mesmo se aplica a qualquer elemento que se queira produzir dessa maneira. Este exemplo é um pouco infeliz porque usar platina que é mais caro que ouro como matéria prima seria uma estupidez, mas a ideia é que qualquer material pode ser transmutado em outro.

Carbono-14 é produzido na atmosfera

O C-14 é produzido nas partes altas da atmosfera, devido ao bombardeio de raios cósmicos, que produzem nêutrons:

n + ¹⁴
₇N
→ ¹⁴
₆C
+ p

O nitrogênio absorve um nêutron e emite um próton, de modo que o número atômico do elemento resultante é 7-1 = 6 e a sua massa é conservada. O C-14 é muito utilizado em datação radiométrica>>

Série radioativa ou cadeia de decaimento (decay chain)

Abaixo vemos a série radioativa do urânio, onde este decai em um elemento que é também radioativo, que posr sua vez decai em outro.... até chegar no chumbo (Pb). Existem também as series do neptunio, do tório e do actínio.

Serie radioativa do uranio, terminando no chumbo. Crédito da imagem: Wikipedia, usuário: Tosaka

 

© Ricardo Esplugas de Oliveira, 2020