Radioatividade 

Radioatividade é a transformação de um núcleo instável em outro com maior estabilidade através da emissão de radiações (partículas e/ou ondas). As radiações podem ser de três tipos: alfa (α), beta (β) e gama (γ).

As partículas alfa  são constituídas por 2 prótons e 2 nêutrons e sua carga é 2+. É semelhante ao núcleo de hélio, pode ser denominada de "hélion". É a radiação de menor poder de penetração e maior efeito de ionização sobre o ar.

As partículas beta são elétrons extremamente velozes. O poder de penetração é mais elevado que o da partícula alfa, no entanto, seu efeito ionizante é menor. Esta partícula se origina da transformação de um nêutron em um par próton-elétron. O próton permanece no núcleo e o elétron e o neutrino (sem carga e de massa desprezível) são atirados para fora.

nêutron     "     próton     +    elétron    +    neutrino

As radiações gama são ondas eletromagnéticas mais energéticas que os raios X e não possuem carga. São bem mais penetrantes que as partículas alfa e o seu poder ionizante é menor. As radiações gama podem penetrar até 20 cm de aço ou 5 cm de chumbo.

Desintegração radioativa

Também conhecida como transmutação ou decaimento, é o processo através do qual núcleos instáveis se transformam em outros mais estáveis. 

As partículas que constituem um núcleo podem ser determinadas se conhecermos o número atômico (Z) e o número de massa (A) para o mesmo. O número atômico nos fornece o número de prótons presente no núcleo e ainda é quem define o elemento químico. A número de massa nos fornece a soma das quantidades de prótons e nêutrons. 

ZXA número de prótons = Z número de nêutrons = A - Z

Na emissão da partícula alfa (₂α⁴) o núcleo tem seu número atômico reduzido em duas unidades e o seu número de massa reduzido em 4 unidades. (Lei de Soddy)

ZXA   -   2α4    "  (Z - 2)Y(A - 4) 92U235  -   2α4  "   90Th231

Como ocorre alteração no número atômico (Z), o átomo original transmuta-se no elemento químico que se encontra duas casas antes dele na tabela periódica.

Na emissão da partícula beta (_-1β⁰)  o número atômico aumenta em uma unidade e o de massa não se altera e o átomo de origem e o formado são isóbaros entre si. (Lei de Soddy-Fajans-Russel)

ZXA   -   -1β0    "  (Z + 1)YA 90Th234   -   -1β0      "   91Pa234

A emissão da radiação gama (₀γ⁰)  não implica em formação de núcleo diferente do original, é apenas uma forma deste liberar energia. Isto acontece porque a radiação gama é uma  radiação eletromagnética, não possuindo massa ou carga.

Conservação da massa e da carga

Os núcleos dos átomos não são alterados nas reações químicas, somente as eletrosferas é que sofrem alterações nas transformação de umas substâncias em outras. Nas reações nucleares, os núcleos sofrem alterações, podendo originar elementos químicos diferentes do átomo de origem. Vale a conservação da massa e da carga.

principais partículas que podem aparecer nas reações nucleares

partícula	símbolo	carga	massa relat.	representação
próton	p	+1	1	1p1
nêutron	n	0	1	0n1
elétron	e	-1	0	-1e0
neutrino	υ	0	0	0υ0
alfa	α	+2	4	2α4
beta	β	-1	0	-1β0
gama	γ	0	0	0γ0

Exemplo 1

Dada a seguinte reação de transmutação:

₇N¹⁴   +   _aX^b    "    ₈O¹⁷   +   ₁p¹

Determine a massa e a carga da partícula X.

Aplicando a conservação da massa a ambos os lados da equação...

14 + b  =  17  +  1

b  = 18 - 14  = 4

Aplicando a conservação da carga a ambos os lados da equação...

7  +  a  =  8  +  1

a  =  9  -  7  =  2

Ou seja, 

₇N¹⁴   +   ₂X⁴    "    ₈O¹⁷   +   ₁p¹

X é uma partícula alfa.

Período de desintegração

O tempo de meia-vida (t_1/2) é o tempo necessário para que metade da massa contida em uma amostra sofra o processo de desintegração.

tempo	0	p	2p	3p	. . .
massa	m0	m0/2	m0/4	m0/8	. . .

Pode-se calcular a massa (m) ou o número de átomos (n) presentes numa determinada amostra após x períodos terem passado através de 

m = M0 / 2x

ou

n = n0 / 2x

onde:

m₀ = massa inicial

m = massa final

n₀ = número de átomos na amostra inicial

n = número de átomos na amostra após transcorrido o período considerado

x = número de períodos transcorridos

t = tempo transcorrido = x . P

Exemplo 2

 Um certo isótopo radioativo atinge 1/16 g da amostra inicial após 320 horas. Qual a meia-

vida do elemento em questão?

a cada período de meia-vida a amostra cai para metade da massa inicial...

1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16

a amostra passou por 4 períodos de meia-vida, ou calculando de outra forma...

m = m₀ / 2^x

1/16 = 1 / 2^x

2^x / 16 = 1
2^x = 16
x = 4 , ou seja, se passaram 4 períodos de meia-vida.
o tempo transcorrido é dado por...
t = x . p
320 = 4 . p
p = 320 / 4
p = 80 horas (o período de meia-vida tem duração de 80h)

O tempo de meia-vida independe de pressão, temperatura ou substância da qual o elemento radioativo faça parte. A duração deste tempo varia de radioisótopo para radioisótopo. A tabela abaixo traz alguns exemplos...

radioisótopo	t1/2
92U238	4,5x109 anos
88Ra226	1620 anos
83Bi210	5 dias
81Tl206	4 minutos

Fissão Nuclear

Em 1932, Fermi bombardeou átomos estáveis com nêutrons e eles tornaram-se radioativos. Em 1939, Meitner e Frisch verificaram a liberação de energia durante o processo. Em 1945, Oppenheimer e equipe detonaram a primeira bomba de fissão nuclear no Novo México.

O termo fissão significa ruptura do núcleo atômico pelo bombardeamento com nêutrons. O processo  que ocorre é em cadeia. Um núcleo assimila um nêutron, ocorre a quebra do núcleo em outros dois menores com liberação de nêutrons que dão continuidade ao processo.

₉₂U²³⁵   +   ₀n¹  "    ₅₆Ba¹⁴⁰   +   ₃₆Kr⁹⁴

Fusão Nuclear

O sol gera energia a partir da fusão de núcleos de hidrogênio, com formação de hélio.

4 ₁H¹    "    ₂He⁴   +   2 _-1β⁰  +   2 ₀υ⁰   +   ENERGIA

Na bomba de hidrogênio (bomba H) uma das reações que pode ser utilizada é a seguinte ...

 ₁H²   +   ₁H³    "    ₂He⁴   +    ₀n¹   +   ENERGIA

Séries Radioativas

São conjuntos de elementos ligados entre si através de sucessivos decaimentos radioativos. Todas terminam em um isótopo estável do chumbo.

A série do Urânio começa com o ₉₂U²³⁸ e termina com o ₈₂Pb²⁰⁶.

A série do Actínio começa com o ₉₂U²³⁵ e termina com o ₈₂Pb²⁰⁷. Ela preserva o nome original, de uma época em que se achava que o Actínio era o primeiro átomo da mesma.

A série do Tório começa com o ₉₀Th²³² e termina com o ₈₂Pb²⁰⁸.

Exemplos de Isótopos Radioativos Importantes

Cobalto 60

Este isótopo emite radiações gama que são usadas no bombardeamento de regiões cancerosas, visando destruir os tecidos afetados pelo tumor, que são menos resistentes a este tipo de radição.

Carbono 14

É formado a partir do nitrogênio da atmosfera e de nêutrons oriundos dos raios cósmicos.

 ₇N¹⁴   +   ₀n¹    "    ₆C¹⁴   +    ₁p¹

Os seres vivos possuem em sua constituição uma participação de carbono 14 que é constante para todos. Após a morte esta quantidade só tende a diminuir através de decaimentos radioativos. O período de meia-vida do carbono 14 é de 5730 anos. Através da quantidade de carbono 14 existente num dado fóssil, se pode estabelecer a idade do mesmo. 

Exemplo 3

(ITA) Considere as seguintes afirmações:

I. A radioatividade foi descoberta por Marie Curie.

II. A perda de uma partícula beta de um átomo de ₃₃As⁷⁵ forma um átomo de número atômico maior.

III. A emissão de radiação gama a partir do núcleo de um átomo não altera o número atômico e o número de massa do átomo.

IV. A desintegração de ₈₈Ra²²⁶ a ₈₃Po²¹⁴ envolve a perda de 3 partículas alfa e de duas partículas beta.

Das afirmações feitas, estão CORRETAS

a) apenas I e II

b) apenas I e III

c) apenas I e IV

d) apenas II e III

e) apenas II e IV

Resolução

A alternativa I é errada. Foi Henry Becquerel o primeiro a observar o fenômeno da radioatividade.

A alternativa II é correta. A emissão de uma partícula beta faz o número atômico aumentar em uma unidade e o de massa não se altera.

A alternativa III é correta. A emissão de uma partícula gama não altera o número atômico nem o número de massa.

A alternativa IV é errada. Na emissão de uma partícula alfa, o átomo tem seu número atômico reduzido em 2 unidades e o de massa em 4. Na emissão de uma partícula beta, o átomo tem seu número atômico aumentado de 1 unidade e o de massa não se altera. Portanto, para o processo:

₈₈Ra²²⁶   =>    ₈₃Po²¹⁴   +   x  ₂a⁴   +   y  _-1b⁰

Como a soma dos números de massa antes e depois do processo devem ser iguais, temos:

226   =   214   +   4x   +0y

226   -   214   =   4x

12   =   4x

x   =   12 / 4

x   =   3

para esta alteração no número de massa seriam necessárias três partículas alfa.

Como a soma dos números atômicos antes e depois do processo devem ser iguais, temos:

88   =   83   +  3 . 2   +   (-1)y

88   - 83   - 6   =  - 1y

- 1   =   - 1 y

y   =   -1 / - 1

y   =   1

para esta alteração no número atômico seria necessária uma partícula beta.

A alternativa correta é a d.

Exemplo 4

(Unicamp) O homem, na tentativa de melhor compreender os mistérios da vida, sempre lançou mão de seus conhecimentos científicos e/ou religiosos. A datação por carbono-14 é um belo exemplo da preocupação do homem em atribuir idade aos objetos e datar os acontecimentos.

Em 1946 a Química forneceu as bases científicas para a datação de artefatos arqueológicos, usando o ¹⁴C. Este isótopo é produzido na atmosfera pela ação da radiação cósmica sobre o nitrogênio, sendo posteriormente transformado em dióxido de carbono. Os vegetais absorvem o dióxido de carbono e, através da cadeia alimentar, a proporção de ¹⁴C nos organismos vivos mantém-se constante. Quando o organismo morre, a proporção de ¹⁴C nele presente diminui, já que, em função do tempo, se transforma novamente em ¹⁴N. Sabe-se que a cada período de 5730 anos, a quantidade de ¹⁴C reduz-se à metade.

a) Qual o nome do processo natural pelo qual os vegetais incorporam o carbono?

b) Poderia um artefato de madeira, cujo teor determinado de ¹⁴C corresponde a 25% daquela presente nos organismos vivos, ser oriundo de uma árvore cortada no período do Antigo Egito (3200 a.C. a 2300 a.C.). Justifique.

c) se o ¹⁴C e o ¹⁴N são elementos diferentes que possuem o mesmo número de massa, aponte uma característica que os distingue.

Resolução

a) Fotossíntese: 6 CO₂   +   6 H₂O   =>   C₆H₁₂O₆   +   6 O₂

b) Se o objeto ainda possui 25% do seu teor de carbono 14 inicial, já se passaram 2 períodos de meia-vida, ou seja, 2 x 5730 = 11460 anos. Como desde o ano zero já se passaram aproximadamente 2000 anos...

11460 - 2000 = 9460

O objeto é de aproximadamente 9460 anos a.C., o que é bem anterior ao antigo Egito.

c) ¹⁴N possui 7 prótons, 7 elétrons e 7 nêutrons

    ¹⁴C possui 6 prótons, 6 elétrons e 8 nêutrons

Exemplo 5

(UFRRJ) As células cancerosas são mais fracas que as normais e, por esse motivo, uma dose controlada de radiação incidindo apenas sobre o local do tumor pode matar apenas as células cancerosas. Esse é o princípio da chamada radioterapia do câncer. O cobalto- 60, usado no tratamento do câncer, possui tempo de meia-vida de aproximadamente 5 anos. Observou-se, por exemplo, que uma amostra desse radionúcleo colocada, colocada em uma cápsula lacrada e aberta após 20 anos continha 750 mg de cobalto- 60.

a) Qual a quantidade de cobalto-60 colocada inicialmente na cápsula?

b) Qual a porcentagem de material que restou da amostra inicial?

Resolução

a) 750 mg = 0,75 g

Como se passaram 20 anos, este período equivale a 4 períodos de meia-vida do cobalto-60. Como a cada período de meia-vida metade do material se desintegra, podemos fazer o processo de volta partindo da massa final.

0,75 g =meia-vida=>1,5 g=meia-vida=>3 g=meia-vida=>6 g=meia-vida=>12 g

A massa inicial de cobalto 60 era 12 g.

b) 12 g   =>   100%

   0,75g  =>      x%

   x = 0,75 . 100 / 12

   x = 6,25%

A massa de cobalto-60 remanescente é de 6,25% da inicial.

Exemplo 6

(Ufscar) Em 1999, foi estudada a ossada do habitante considerado mais antigo do Brasil, uma mulher que a equipe responsável pela pesquisa convencionou chamar Luzia. A idade da ossada foi determinada como sendo igual a 11500 anos. Suponha que, nesta determinação, foi empregado o método de dosagem do isótopo radioativo carbono-14, cujo tempo de meia-vida é de 5730 anos. Pode-se afirmar que a quantidade de carbono-14 encontrada atualmente na ossada, comparada com a contida no corpo de Luzia por ocasião de sua morte, é aproximadamente igual a:

a) 100% do valor original

b) 50% do valor original

c) 25% do valor original

d) 10% do valor original

e) 5% do valor original

Resolução

11500 anos equivalem a aproximadamente 2 períodos de meia-vida do carbono-14. Portanto, a quantidade de carbono-14 remanescente na amostra seria de 25%. A alternativa correta é ac.