10. Radioatividade

Sumário● Histórico da radioatividade● Lei do decaimento radioativo● Decaimentos alfa, beta e gama● Séries radioativas● Datação pelo Carbono-14● Fissão nuclear● Fusão nuclear

A descoberta da radioatividade● Henri Becquerel

(1896): mostrou que sais de Urânio sensibilizam placas fotográficas

● usando a deflexão por um campo magnético, ele descobriu 3 tipos de emissões radioativas: neutra, positiva e negativa

Pierre e Marie Curie (1898)

● O minério de Urânio contém elementos radioativos

● O Tório tem propriedades similares às do Urânio

● Descobriram os elementos Rádio e Polônio

● criaram o termo “radioatividade” para designar a emissão de partículas

Ernst Rutherford (1899)

● nomeou os três tipos de emissões radioativas

● alfa: carga positiva e facilmente absorvidas

● beta: carga negativa e mais penetrantes

● gama: neutra, sem desvio por campo magnético

Radioatividade

● emissão de partículas e radiação de núcleos pesados instáveis

● partículas α: núcleos de Hélio (2p+2n)

● partículas β: elétrons● raios γ: fótons de alta

energia● prótons e nêutrons

Lei do decaimento radioativo (Rutherford e Soddy, 1902)

● N0: número inicial de núcleos-pais

● N(t): número de núcleos-pais no tempo t

● λ: constante de decaimento

N(t) = N0 e-λt

● T1/2: meia-vida - tempo para que N caia à metade de N0

T1/2 = ln 2/λ

núcleo-pai→núcleo-filho

Exemplos de núcleos radioativos

Atividade

● é o número de desintegrações por unidade de tempo

● A = dN/dt = λ N

A = λ N0 e-λt

● unidades = Curie (Ci) e Bequerel (Bq)

● 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegra-ções por segundo

● 1 Bq = 1 desint. por segundo

Problema resolvido● A meia-vida do 90

38Sr, que sofre decaimento beta, é igual a 28 anos. Determine (a) a constante de decaimento, (b) a atividade de uma amostra de 1 g deste radio-isótopo.

Radioisótopos

● 270 isótopos estáveis● 50 isótopos radioativos● milhares de

radioisótopos fabricados em laboratório

● carta dos nuclídeos: gráfico de Z versus N

● decaimento radioativo objetiva maior estabilidade do núcleo

Decaimento alfa

● núcleo pai com Z e N● partícula alfa = 2p + 2n● núcleo filho tem Z-2 e N-2

(logo A-4)● ocorre em núcleos pesados

com uma razão Z:N alta (repulsão coulombiana cresce com Z2)

● decaimento provoca redução da razão Z:N no núcleo filho (tende a maior estabilidade)

Decaimento alfa do Polônio

● 21084Po → 206

82Pb + 42He

● Po: N=A-Z=210-84=126

● Z/N=84/128 = 0,667

● Pb: N=A-Z=206-82=124

● Z/N=82/124 = 0,661

● o decaimento reduziu a razão Z/N

● o núcleo filho está na região estável da carta de nuclídeos

Decaimento beta● beta negativo: elétrons● n → p + antineutrino● beta positivo:

pósitrons● n → p + neutrino● núcleo pai: Z e N● núcleo filho: Z+1 e N-

1 (A não muda)

Decaimento gama

● núcleo muda de um estado de maior para um de menor energia pela emissão de radiação eletromagnética (fótons)

● Z e A não se alteram (o elemento químico é o mesmo)

● conservação do momentum linear

Séries radioativas

● sucessão de núcleos-filhos derivados de um núcleo-pai

● como a desintegração reduz o número de massa de 4 unidades, há quatro séries radioativas

Séries do Tório e do Urânio

Datação pelo carbono 14

● O carbono 14 é formado a partir da colisão entre raios cósmicos e o nitrogênio 14, encontrado na atmosfera terrestre.

● Esse isótopo do carbono liga-se facilmente com o oxigênio, formando o gás carbônico, que é absorvido pelas plantas. Quando um ser vivo morre, a quantidade de carbono 14 diminui, o que implica em um decaimento radioativo.

Decaimento do Carbono 14

● 146C é um núcleo radioativo

presente em todos os seres vivos

● decai no isótopo 126C

● a razão 146C /12

6C = 1,3x10-12

constante para organismos vivos (ciclo )

● quando o organismo morre, o 14

6C decai com meia-vida de 5730 anos

Datação pelo Carbono 14

● para datar um fóssil, mede-se a quantidade de 14

6C em relação à quantidade presente no mesmo organismo vivo

N(t) = N0 e-λt

t = - (T1/2/ln 2) ln(N/N0)

T1/2 = 5730 anos

Problema resolvido

● Um determinado fóssil tem 35% de Carbono-14, quando comparado com o mesmo organismo vivo. Qual a idade estimada para o fóssil?

Fissão Nuclear

● o núcleo-pai é quebrado em núcleos-filhos e nêutrons, liberando uma quantidade de energia

● pode ser espontânea rara) ou induzida por nêutrons que tornam o núcleo-pai instável

Energia liberada pela fissão nuclear

● massa dos núcleos filhos e nêutrons é menor do que a massa do núcleo-pai

● a diferença de massa equivale a uma energia E=mc2, que é liberada na forma de energia cinética dos filhos e energia de fótons

Reação em cadeia

● um único nêutron “lento” provoca uma fissão

● a fissão gera 3 nêutrons, cada um deles iniciando novas reações em cadeia

● energia liberada é multiplicada pelo número de núcleos envolvidos

● há a necessidade de uma “massa crítica”, para obtermos uma reação auto-sustentável

Energia nuclear

● fissão é induzida por nêutrons lentos (uso de um moderador), com energia da ordem de eV

● nêutrons rápidos não são capturados pelos núcleos

● energia cinética dos núcleos-filhos é igual a 217 MeV

● um único evento de fissão gera energia 200 milhões de vezes maior do que a energia do nêutron !

Usina Nuclear

● a energia cinética dos núcleos-filhos é convertida em calor

● um trocador de calor aquece água corrente, que move uma turbina a vapor (como numa usina termoelétrica)

● a energia elétrica é gerada por indução eletromagnética

Acidente de Chernobyl (Ucrânia)

● 26 de abril de 1986● usina sofreu interrupção de

resfriamento durante procedimento de rotina

● superaquecimento provocou explosão do núcleo do reator e derretimento do material físsil

● liberação de material radioativo e contaminação extensa numa grande área

Bomba atômica (de fissão)

● liberação violenta e descontrolada da energia proveniente da reação em cadeia de fissão do Urânio-235 (estimulada por nêutrons “lentos”)

● potência destrutiva medida em ton (= equivalente à explosão de uma tonelada de TNT)

● bomba de Hiroshima: 16 quilotons

Fusão Nuclear

● dois núcleos leves (deutério e trítio) fundem-se para formar um núcleo mais pesado (Hélio) e um nêutron

● diferença de massa corresponde a uma energia (cinética dos nêutrons)

Aplicações da fusão nuclear

● é o processo básico de produção de energia nas estrelas

● devido à alta temperatura o Hidrogênio estelar está na forma de plasma (gás ionizado)

● plasma é confinado pelo campo gravitacional da estrela

Bomba de hidrogênio

● fusão nuclear descontrolada

● fusão é iniciada por uma explosão a fissão

● libera quantidades de energia superiores às das bombas de fissão

● bomba H mais potente até hoje (= 58 Megatons)

Fusão termonuclear controlada

● plasmas de fusão podem também criados em laboratório

● confinamento magnético do plasma

● tokamaks e stellarators: sistemas toroidais

● perspectiva a longo prazo de geração comercial de energia elétrica (limpa + segura)