apostila radioatividade

Escola Técnica Estadual República

Química - Professora: Andrea Borges

Radioatividade −−−− O núcleo: uma bomba para se estudar!

Fonte: Apostilas do Ensino Médio da FAETEC – autores: Andrea Borges, Cláudio Torres e Cristiane Lopes.

Você já deve ter visto o símbolo:

Ele indica: radiações radioativas.

Você já deve ter ouvido falar do uso das radiações em diversas atividades, como no tratamento de tumores

cancerígenos. Mas, na verdade, a humanidade descobriu a radioatividade em 6 de agosto de 1945 com a detonação

de uma bomba atômica em Hiroshima, no Japão, o que provocou a morte instantânea de 66.000 pessoas e decretou

o fim da Segunda Guerra Mundial.

Nos anos seguintes a comunidade científica fez intensas pesquisas sobre as aplicações da radioatividade na

medicina, na indústria, na agricultura e para a produção de energia além da continuação de produção de bombas

atômicas e, pior ainda, a criação da bomba de hidrogênio.

As preocupações com a sua utilização também aumentaram com o passar dos anos, tanto quanto ao risco da

utilização de materiais radioativos quanto no armazenamento do lixo atômico. Além disso, sempre existe a

preocupação de um novo conflito nuclear.

Nesta aula, você aprenderá os princípios gerais da radioatividade – a natureza, as causas e os efeitos das

emissões radioativas - para que você tenha uma noção bastante clara dos riscos e benefícios que os fenômenos

nucleares trazem para nossa sociedade.

Vamos nessa...

1. O núcleo instável

Como você estudou na anterior, no núcleo atômico existem prótons e nêutrons. Viu, também, que o

número de prótons (ou o número atômico – Z) caracteriza um elemento químico: o que faz carbono (6C) ser o

carbono é o seu número de prótons (6). Isso significa que, se adicionarmos ou retirarmos prótons do seu núcleo, ele

deixará de ser o carbono. Isso não é incrível?!

E se aumentarmos, por exemplo, a quantidade de nêutrons, o que acontecerá? Mudaremos o seu número

de massa (A).

No caso do carbono, você já sabe que ele possui 6 prótons mas ele pode ter 6 ou 8 nêutrons, ou seja,

números de massa iguais a 12 ou 14 (não se esqueça que o número de massa é igual a soma dos prótons e

nêutrons: A = prótons + nêutrons). Veja as representações abaixo:

Você pode perceber que se trata do mesmo elemento químico. Esses átomos são chamados de isótopos. C e C

12

6

14

6

6 6

Figura 1: Esse símbolo é usado para alertar sobre a presença de material radioativo. (http://www.sxc.hu/photo/1023114)

Explicando.... Isótopos constituem átomos que possuem o mesmo número de prótons (mesmo Z), mas que possuem

diferentes números de nêutrons o que provoca diferentes números de massa. Veja o caso do carbono: A expressão carbono-14 indica os átomos do elemento químico carbono que possuem número de massa

igual a 14.

Na natureza, alguns isótopos são estáveis: a quantidade de prótons e nêutrons não se altera ao longo do

tempo. Outros, no entanto, possuem núcleos instáveis.

Mas por que isso ocorre?

O núcleo tem todos os prótons carregados positivamente dentro de um volume de espaço extremamente

pequeno. Todos esses prótons se repelem. Então, para cada próton, existem um ou mais nêutrons no núcleo do

átomo, cuja presença atenua essa repulsão.

Assim, quanto maior o número de prótons de um átomo, maior o número de nêutrons necessários para

mantê-los unidos, ou seja, para dar estabilidade ao núcleo. No entanto, à medida que o numero de prótons vai

aumentando, chegamos a um ponto em que a força de repulsão entre eles torna-se tão intensa, que número algum

de nêutrons é capaz de mantê-los unidos.

O resultado dessa instabilidade é a formação de novos elementos químicos e a liberação de radiações

eletromagnéticas (semelhantes à luz) e de partículas, como você pode ver no esquema 6.1.

Esquema .1 – A instabilidade de um núcleo atômico provoca a emissão de ondas e/ou partículas.

Esse fenômeno é chamado de radioatividade.

Radioatividade: é um fenômeno no qual o núcleo de um átomo emite, espontaneamente, radiações para adquirir estabilidade.

Os elementos que possuem átomos com esse tipo de núcleo são chamados de elementos radioativos. Os

isótopos emissores de radiação podem ser chamados de nuclídeos ou radioisótopos.

São radioativos os elementos com 84 prótons ou mais, além do tecnécio (Z = 43) e do promécio (Z = 61).

Nada impede, porém, que elementos químicos não-radioativos apresentem um isótopo com núcleo instável.

Nessas condições, a ocorrência natural desses isótopos radioativos se dá em quantidades muito baixas. É o que

ocorre com o elemento carbono: apenas o 14C é radioativo.

Você só pode dizer que um elemento químico é radioativo quando todos os seus isótopos são radioativos,

como é o caso do urânio (92U), do rádio (88Ra) e o do polônio (84Po), dentre outros.

núcleo instável emite ondas e/ou partículas núcleo estável

C e C 12 14

6 6

Um pouco de história...

A descoberta dos Raios-X Em 1895, uma descoberta acidental provocou uma verdadeira revolução nos conceitos sobre a estrutura do átomo, a descoberta dos Raios-X.

O físico alemão Röntgen descobriu um estranho brilho em uma tela fluorescente coberta com um manto negro, quando ela estava situada a alguns metros de uma aparelhagem de descargas de gases rarefeitos ligada.

Como esses raios eram de natureza desconhecida, chamou-os de Raios-X. Figura 2: as partes claras da radiografia indicam posições nas quais os Raios-X foram

intensamente bloqueados por regiões densas (ossos), causando fraca impressão na chapa fotográfica. Já as partes escuras, que indicam forte impressão na chapa fotográfica, correspondem às regiões menos densas da cabeça, pelas quais os Raios-X passaram mais livremente. http://www.sxc.hu/photo/575021

A partir dessa descoberta, vários cientistas começaram a estudar esse fenômeno. O físico francês Becquerel descobriu que uma fluorescência provocada por uma substância que continha urânio sempre manchava um filme fotográfico, independente de estar ou não exposto a luz solar.

O que intrigava a comunidade científica da época era porque algumas substâncias emitiam radiações e outras não. E o que eram essas radiações?

Entre os cientistas que passaram a estudar esse fenômeno constam Thomson, Rutherford e uma cientista chamada Marie Curie. Ela foi a primeira a usar a palavra radioatividade.

2. As emissões radioativas

Coube a Rutherford estudar a natureza das radiações emitidas pelos átomos com núcleos instáveis. As suas

experiências indicaram a existência de radiações positivas e negativas que ele chamou, respectivamente, de alfa (α)

e beta (β).

Em 1900, o físico francês Paul U. Villard identificou uma terceira espécie de radiação, a qual chamou de raios

gama ( γ ). As três modalidades de radiação: alfa, beta e gama, se comportam de maneira diferente quando submetidas

a um forte campo elétrico ou magnético. Você pode ver essa diferença no esquema 6.2.:

Esquema 2 – O comportamento das emissões radioativas.

O invólucro de chumbo permite que as radiações emanadas do material radiativo saiam numa única direção. Ao passar pelas placas eletrizadas, o feixe de radiações - sob efeito das cargas elétricas - é separado em três partes:

• A radiação alfa (αααα): é atraída pela placa negativa do aparelho, portanto deve ter carga contrária à carga da placa, isto é, positiva.

• A radiação beta (ββββ): é atraída pela placa positiva do aparelho, portanto deve ter carga contrária à carga de placa, isto é, negativa.

• A radiação gama (γγγγ): não é atraída pelas placas carregadas eletricamente.

Vamos estudar essas radiações?

invólucro de chumbo

material radioativo

+ + +

placas carregadas eletricamente

- - -

tela fluo

rescen

te

β

γ

α

o sistema fica dentro de um recipiente à vácuo

2.1 Emissões alfa (αααα)

A radiação alfa é formada de partículas constituídas por dois prótons e dois nêutrons, como o núcleo de um

átomo de hélio. Sendo assim, possuem carga +2 e massa igual a 4.

São representadas por:

Explicando.... Os elétrons são fáceis de serem doados ou recebidos, já que estão na parte mais externa do átomo. Então, normalmente, uma partícula alfa captura rapidamente dois elétrons do ambiente. Sendo assim, ela também pode ser representada como um átomo do elemento químico hélio:

As partículas alfa são partículas positivas de grande massa, se comparadas com as outras radiações, e de

baixa energia. Elas percorrem curtas distâncias no ar (alguns centímetros) e podem ser bloqueadas por nossa pele ou

por uma folha de papel.

Ao emitir uma partícula alfa, o núcleo do átomo perde dois prótons e dois nêutrons, originando outro

átomo, com número atômico duas unidades menores (Z – 2) e número de massa quatro unidades menores (A – 4).

Perceba:

Veja, nos exemplos abaixo, a emissão de uma partícula alfa e a formação de um novo elemento químico:

a) o urânio-238 forma o tório-234:

• Para o número de massa (A): 238 = 234 + 4

• Para o número atômico (Z): 92 = 90 + 2

b) o rádio-226 forma o radônio-222:

• Para o número de massa (A): 226 = 222 + 4

• Para o número atômico (Z): 88 = 86 + 2

Essas expressões são equações nucleares, que representam a emissão de uma partícula alfa. Veja que a

soma dos números atômicos e os de massa antes e após a transformação devem ser iguais.

2.2 Emissões beta (ββββ)

A radiação beta é formada por partículas negativas com massa muito menor que a das partículas alfa, mas

bem mais energéticas e com poder de penetração maior. Pode percorrer vários metros no ar e atravessar folhas

finas de metais.

α 4

2

He 4

2

A

Z

A - 4

Z - 2

4

2 X � Y + α

238

92

234

90

4

2 U � Th + α

226

88

222

86

4

2 Ra � Th + α

Os cientistas acreditam que uma partícula beta é formada pela divisão de um nêutron, produzindo um

próton - que permanece no núcleo - e o lançando uma partícula beta com grande velocidade.

Sendo assim, o átomo formado apresenta o mesmo número de massa do átomo de origem, mas possui o

número atômico uma unidade maior (Z + 1).

Veja, nos exemplos abaixo, quando um átomo emite uma partícula beta ele forma um novo elemento:

a) o sódio-24 forma o magnésio-24:

• Para o número de massa: 24 = 24 + 0

• Para o número atômico: 11 = 12 + (-1)

b) o tório-234 forma o protactínio-234:

• Para o número de massa: 234 = 234 + 0

• Para o número atômico: 90 = 91 + ( -1)

Veja que a soma dos números atômicos e os de massa antes e após a transformação devem ser iguais.

2.3 Radiação gama ( γγγγ )

A radiação gama é uma radiação eletromagnética semelhante à luz visível, mas com energia muito maior e,

por isso, não apresenta massa nem carga elétrica. Seu poder de penetração é muito grande, percorrendo grandes

distâncias no ar e atravessando 5 cm de chumbo.

Em geral, os isótopos radioativos pesados emitem partículas alfa e os isótopos leves, radiação beta. A

radiação gama é emitida com essas duas radiações, para diminuir a energia do núcleo. Assim, tanto os emissores de

uma radiação quanto os da outra também emitem raios gama como parte do processo de desintegração.

Veja o exemplo do Cobalto-60.

Note no esquema 6.3 que, à medida que diminui a massa e aumenta a velocidade, cresce a energia e

acentua-se o poder de penetração da emissão radioativa.

60

27

60

28

0

-1 Co � Ni + β + γ

1

0

1

+1

0

-1 n � p + β

A

Z

A

Z + 1

0

-1 X � Y + β

24

11

24

12

0

-1 Na � Mg + β

234 90

234

91

0

-1 Th � Pa + β

Esquema 6.3: O poder de penetração das partículas: a partícula α é bloqueada por uma folha de papel, a partícula β por uma

lâmina de alumínio de 1cm ou 2cm de chumbo, mas a partícula γ apenas por uma lâmina de chumbo superior a 5 cm.

Marie CurieMarie CurieMarie CurieMarie Curie Marie Curie foi uma das personalidades mais notáveis de todos os tempos. Física e química polonesa

destacou-se pelos seus trabalhos sobre radioatividade e pela a luta na valorização da mulher dentro do universo da ciência. Foi pioneira ao abrir as portas da ciência para o sexo feminino. Foi a primeira mulher a obter um título de doutora

em física pela Universidade de Sorbonne, a primeira mulher cientista renomada e aceita, a primeira professora da Universidade onde estudou, a primeira mulher eleita para a Academia Francesa de Medicina, a primeira mulher a receber o Prêmio Nobel e a primeira e única, entre homens e mulheres, a receber dois Prêmios Nobel em áreas científicas.

Nasceu na Polônia, em 1867. Não pode cursar a faculdade, pois a Faculdade de Varsóvia não admitia mulheres. Como o seu pai não conseguia custear os estudos de sua filha no exterior, fez um pacto com a sua irmã Bronya, que queria estudar medicina em Paris: enquanto Bronya estudava, Marya trabalharia para ajudar a custear seus estudos, e assim que possível Bronya faria o mesmo por Marya. Matriculou-se, aos 24 anos, na Universidade de Sorbonne, na França, e adotou a forma francesa do seu nome, Marie.

Marie casou-se com Pierre Curie em 1895. Aparecia assim, para o mundo científico, o nome Marie Curie. Pierre, Marie e Becquerel receberam o premio Nobel de Física em 1903 pelos trabalhos relacionados com os

processos radioativos. Becquerel descobriu, em 1896, a propriedade que certos minerais de urânio possuíam de emitirem raios semelhantes aos Raios-X. Marie e Pierre Curie descobriram a radioatividade do tório. Em 1898, isolaram o polônio (um novo elemento radioativo, 400 vezes mais poderoso que o urânio) e descobriram, ainda naquele ano, o rádio, elemento ainda mais ativo que o polônio. Em 1911, foi condecorada com o Nobel de Química, por suas pesquisas sobre as propriedades do rádio e características de seus compostos.

Enquanto Marie se dedicava ao trabalho, o mundo científico percebeu a importância da radioatividade e inúmeros cientistas se voltaram para estudos nesta área. A descoberta do rádio colocou à disposição de pesquisadores uma fonte de radiação muito mais intensa do que o urânio e o tório, o que contribuiu para avanços significativos na física e, também, na medicina.

Em 19 de abril de 1906, Pierre Curie foi atropelado por uma carroça e morreu esmagado pelas rodas do veículo. Mesmo atordoada, Marie assumiu o cargo de professora, ocupado anteriormente por seu marido. O casal tinha tido duas filhas, Eve e Irene.

Durante a primeira guerra mundial, Marie dedicou-se a aplicações médicas dos Raios-X e propôs que a radiografia móvel fosse usada no tratamento de feridos.

Depois disso, voltou suas atenções para a organização do seu laboratório e a busca de verbas para novas pesquisas. Com este propósito, visitou os Estados Unidos, onde foi recebida como grande estrela da ciência. Visitou, também, o Brasil, interessada em conhecer as famosas águas radioativas de Lindóia. A filha, Irène (1897-1956), foi sua assistente no Instituto Radium de Paris.

Marie morreu no dia 4 de julho de 1934, em Sancellemoz, na Suiça vítima das radiações do próprio elemento que anos antes descobrira – o rádio. Os precursores da era atômica estavam mortos, mas sua obra não. A sua filha lrène Curie, e o marido dela, Fréderic Joliot, assumiriam a responsabilidade de continuar as pesquisas do casal Curie. Em 1935 receberiam o Prêmio Nobel de Química, pela criação de novos elementos radiativos, isto é, pela descoberta da radiatividade artificial. Figura 3: Marie Curie

This image (or other media file) is in the public domain because its copyright has expired. http://en.wikipedia.org/wiki/File:Marie_Curie_%28Nobel-

Chem%29.png

α

β

γ

folha de papel 2 cm de chumbo 6 cm de chumbo

VVVVida de CCCCientista:

O frâncio foi descoberto em 1939, pela química francesa Marguerite Perey (1909-1975), a partir de trabalhos que desenvolvia com Marie Curie. Sabendo que o frâncio-223 se transforma no elemento químico Astato-85 através do esquema a seguir:

Determine o tipo de partícula emitida pelo Frâncio-87. Resposta comentada O elemento químico formado possui 2 prótons a menos (Z – 2) e quatro unidades de massa atômica a menos(A – 4). Logo, podemos deduzir que a partícula emitida é a partícula alfa:

4. Meia-vida

O processo de se desintegrar (dividir) de um elemento radioativo e de se transformar em outros elementos

químicos é conhecido como decaimento. O decaimento tende a acontecer até que se formem elementos estáveis.

Esse processo pode envolver a emissão de várias partículas alfa e beta, como é o caso do urânio-238: ele

forma diversos elementos, emitindo várias partículas ao longo do processo - 8 alfas, 6 betas além de emissões gama

- até formar o isótopo de chumbo-206 (206Pb) não radioativo. Nesse caso, chamamos esse processo de Série (ou

Família) Radioativa.

Série ou Família Radioativa é uma sequência ordenada de núcleos instáveis que sofrem transformações espontâneas até que se origine um núcleo estável.

Só que o tempo que um isótopo radioativo demora a se tornar estável varia de um elemento para outro.

Alguns demoram segundos, outros demoram milênios. Os cientistas resolveram quantificar o tempo que cada

elemento químico radioativo demora a parar de se dividir e descobriram que o tempo não dependia da quantidade,

apenas do tipo de elemento. Para facilitar, foi criada uma unidade chamada meia-vida e representada por t½.

Meia-vida é o tempo para que metade dos núcleos radioativos se desintegram (se dividam), ou ainda, o

tempo que decorre para que caia pela metade a radiação emitida.

Veja um exemplo:

Uma amostra de 100 mil átomos de cobalto-60 (60Co), depois de 5 anos, reduz-se à metade (50 mil átomos).

A outra parte (os 50 mil átomos restantes) transforma-se em outros elementos e a amostra se reduz novamente à

metade (restando apenas 25 mil átomos) em mais 5 anos, e assim por diante. Dizemos, então, que a meia-vida do

cobalto-60 é de 5 anos.

Não entendeu? Não tem problema. Veja o esquema 6.4; ele o ajudará a entender melhor.

Aplique o seu conhecimento!

219

85

223

87 Fr � At + x

223

87

4

2 Fr � At + α

219

85

Esquema 6.4: A cada 5 anos, a quantidade de átomos de cobalto-60 cai à metade.

A meia vida do urânio-238 (238U), em sua série radioativa, é de 4,5 bilhões de anos. Isso significa que uma

amostra de 100 mil átomos desse metal irá demorar 4,5 bilhões de anos para se reduzir à metade (50 mil átomos).

Veja, na tabela 1, outros exemplos de meia-vida de isótopos radioativos:

Isótopo Meia-vida Isótopo Meia-vida 3H Hidrogênio-3 12,3 anos 235 U Urânio-235 700 milhões de anos

212Pb Chumbo-112 10,6 horas 238 U Urânio-238 4,5 bilhões de anos 14C Carbono-14 5.730 anos 131 I Iodo-131 8 dias

239Pu Plutônio-239 24 mil anos 99Tc Tecnécio-99 6 horas 210Po Polônio-210 138 dias 129Cs Césio-129 32 anos

Tabela.1 – O período de meia-vida de alguns isótopos radioativos.

Conhecer as meias-vidas é importante para ajudar os cientistas a determinar quando uma amostra de

material pode ser manipulada de maneira segura. É o caso do iodo-131, usado no tratamento do câncer de tireóide, que possui meia-vida de 8 dias. Sendo injetado no corpo, ele age em um período de 10 meias-vidas ou 80 dias.

Você já teve ter ouvido falar sobre um teste bastante conhecido, usado para descobrir a idade de artefatos

antigos, chamado “datação por meio do carbono-14”. É uma das conquistas científicas mais importantes para a

arqueologia. Mas como será que funciona?

O carbono (C) é um dos elementos químicos mais abundantes nos tecidos animais e vegetais, e o carbono-14

que, como vimos, é radioativo possui uma meia-vida de, aproximadamente, 5730 anos.

Enquanto um organismo está vivo, a quantidade de carbono-14 em sua estrutura celular permanece

constante. Mas quando o organismo morre, a sua quantidade começa a diminuir. Isso significa que é possível

descobrir a idade de um artefato (objeto, fóssil, documento) que possua carbono em sua composição. Para isso, faz-

se uma comparação entre a quantidade de carbono-14 que ele tem com a que ele deveria ter, através da medida do

nível de radiação.

A datação do carbono-14 pode ser usada apenas para determinar a idade de algo que já teve vida. Ela não

pode ser usada para determinar a idade de uma rocha ou meteorito, por exemplo. Para substâncias sem vida, os

cientistas usam outros isótopos, como o potássio-40 (40K).

100 mil átomos 50 mil átomos 25 mil átomos 12,5 mil átomos

5 anos

5 anos 5 anos

100 %

50 %

25 % 12,5 %

Suponha que um arqueólogo, em uma de suas expedições, encontrou uma múmia. Ao ser examinada,

constatou-se que ela possuía 25% da quantidade de carbono-14 em relação à época em que ocorrera a sua morte. Sabendo que a meia-vida do carbono-14 é de 5700 anos, qual o tempo estimado da idade da múmia encontrada?

Resposta comentada Como a quantidade de 14C encontrada é de 25%, você pode esquematizar o tempo estimado da seguinte forma: Pode, então, concluir que são necessários 2 períodos de meia-vida para que a quantidade de carbono-14 caia a 25% da quantidade inicial. Como a meia-vida do carbono-14 é de 5700 anos, temos:

5.700 x 2 = 11.400 anos Resposta: A idade aproximada da morte da múmia é de 11.400 anos.

5 – Algumas aplicações dos isótopos radioativos

Os isótopos radioativos possuem muitas aplicações em inúmeras áreas da ciência e da tecnologia que você

utiliza sem saber. Seja na química, na física, na biologia, na engenharia, na medicina, na agricultura, na indústria e

na arqueologia, como você acabou de ver, a radioatividade está cada vez mais presente em sua vida.

Vamos ver algumas aplicações?

5.1 A Conservação de alimentos

Uma parte considerável da produção mundial de alimentos é desperdiçada por problemas de

armazenamento, conservação e transporte.

Para diminuir o desperdício, combater a contaminação e amenizar o problema da fome mundial, cientistas

e técnicos (inclusive brasileiros) desenvolveram métodos para irradiar os alimentos de modo a conservá-los por mais

tempo.

Alimento irradiado é aquele que foi exposto a uma fonte de radiação, em geral beta e gama, emitida por

um elemento radioativo, como o cobalto-60 (60C) ou o césio-137 (137Cs), sem ter nenhum contato direto com tal

elemento. Esses elementos são emissores de partículas betas (β).A ação bactericida dessas radiações foi evidenciada

logo depois da descoberta da radioatividade natural e artificial.

A exposição do alimento à radiação inibe a germinação, retarda o amadurecimento e destrói ou reduz

bactérias que poderiam deteriorar o produto e provocar doenças.

5.2 Na medicina: curando o desconhecido

Um benefício que a radioatividade trouxe para a medicina foi a possibilidade de fazer o diagnóstico de certas

doenças ou disfunções sem a necessidade de uma cirurgia. De acordo com o órgão ou o tecido que se queira

investigar, utiliza-se um elemento radioativo específico e, de preferência, com meia-vida curta. O caminho

percorrido por eles é registrado por aparelhos sensíveis às radiações.

Veja, na tabela 2, alguns isótopos radioativos utilizados como traçadores.


50 % 25 % 100% T ½ T ½

http://www.sxc.hu/photo/71808

Radioisótopos Meia-vida Objetos de estudo

Tecnécio-99 (99TC) 6 horas Ossos, fígado, coração e pulmões

Sódio-24 (24Na) 15 horas Sistema circulatório

Iodo-131 (131I) 8 dias Tireóide

Ferro-59 (59Fe) 45 dias Células vermelhas

Tabela 2 – Alguns isótopos radioativos, suas meias-vidas e seus objetos de estudo.

Figura 5 – Alguns isótopos radioativos são utilizados como traçadores.

Em radioterapias, a utilização de isótopos radioativos se deve à capacidade que suas radiações têm de

destruir alguns tipos de células cancerosas. A tabela 6.3 mostra alguns radioisótopos usados com esse fim.

Radioisótopos Meia-vida

Rádio-222 (222Ra) 4 dias

Cobalto-60 (60Co) 5 anos

Césio-137 (137Cs) 30 anos

Tabela 6.3 – Alguns isótopos radioativos utilizados em radioterapia e seus períodos de meia-vida.

5.3 Encontrando os defeitos em peças metálicas

Devido ao grande poder de penetração dos raios gama ( γ ), o rádio (222Ra) e outros elementos radioativos

são empregados na indústria metalúrgica para obter radiografias de peças soldadas e de peças fundidas e detectar

defeitos. Os raios γ emitidos por esses elementos conseguem atravessar o aço, dependendo de sua composição, de 5

cm a 15 cm.

5.4 A fissão: produzindo energia

A instabilidade dos núcleos dos radioisótopos resulta na liberação de energia; essa, por sua vez, interessa ao

ser humano, que pode usá-la para diversas finalidades, entre elas a geração de energia elétrica.

Nos anos 30, os cientistas descobriram que algumas reações nucleares podiam ser disparadas e controladas.

Eles realizaram esta tarefa bombardeando um átomo radioativo com um nêutron; a colisão provoca a formação de

dois ou mais elementos. Esse processo de dividir o núcleo do átomo artificialmente recebeu o nome de fissão

nuclear.


Veja no esquema 5 a fissão de um núcleo do radioisótopo de urânio-235.

Esquema 5 – A fissão do nucleotídeo de urânio-235

Agora, dê uma olhada na equação nuclear da fissão representada no esquema 5:

Veja que 1 nêutron foi usado mas 3 foram produzidos. Esses três nêutrons, encontrando outros átomos de 235U, podem iniciar outras fissões, produzindo muito mais nêutrons. Esse processo, na química, é chamado de reação

em cadeia.

Por causa da tremenda quantidade de energia liberada numa fissão de reação em cadeia, as implicações

militares das reações nucleares foram imediatamente percebidas: as bombas atômicas!

Para aprender mais como as bombas atômicas foram criadas acesse o site da Revista Eletrônica do Departamento de Química da UFSC:

http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/artigos/nuclear/index.html (acessado em novembro de 2010) Ou no site do jornal O Globo:

http://oglobo.globo.com/mundo/bomba/ (acessado em novembro de 2010)

Surgiu então a idéia: essa energia pode ser transformada em energia elétrica?

O verdadeiro truque é controlar a reação em cadeia, liberando a sua energia lentamente. Isso é possível

controlando os nêutrons produzidos ao longo de todo o processo. Foram criadas, então, as usinas nucleares.

As usinas nucleares são muito parecidas com as usinas de combustíveis fósseis (carvão, petróleo, gás natural).

A energia produzida na fissão nuclear ou na queima de um combustível fóssil é usada para ferver a água que, por sua vez, gera vapor. O vapor, posteriormente, é usado para girar uma turbina ligada a um gerador que produz eletricidade.

Para que você tenha uma comparação com a energia liberada nos processos químicos usuais, dez gramas de 235U produzem energia equivalente à queima de 25 toneladas (25.000.000 g) de carvão.

Nos Estados Unidos, 20% da eletricidade produzida no país são produzidas em usinas nucleares. Na França, esse valor chega a 80%.

O Brasil possui duas usinas nucleares em funcionamento Angra 1 e Angra 2, situadas em Itaorna - município de Angra dos Reis no estado do Rio de Janeiro, mas uma nova usina será construída – Angra 3.

A energia produzida em Angra 1 e Angra 2 corresponde a apenas 3% da energia consumida em todo Brasil, mas corresponde a 50% da energia consumida no Estado do Rio de Janeiro.

nêutron

92U (núcleo)

235

3 nêutrons

nêutron Raios gama (energia)

54Xe 143

38Sr 90

próton

235

92

90

38

1 0 U + n � Sr + Xe + 3 n + energia

1 0

143

54

Para aprender mais sobre as usinas nucleares brasileiras acesse o site da Eletronuclear: http://www.eletronuclear.gov.br/inicio/index.php (acessado em outubro de 2010)

Como você já deve ter visto em noticiários de jornal e TV, existe uma grande preocupação mundial quando um país decide enriquecer urânio, mas o que isso quer dizer?

Entre os isótopos de urânio, somente o 235 é de fácil fissão mas, na natureza, a abundância de 235U é de somente 0,7%, encontrado misturado com o 238U.

O enriquecimento do urânio é o aumento da porcentagem de átomos de urânio-235 em uma amostra desse elemento. Ela deve ser feita para o uso de urânio-235 em usinas nucleares mas, também, para a produção da bomba atômica.

Para as usinas, o percentual de enriquecimento deve ser de 3 a 5%. Para mover submarinos nucleares, por exemplo, precisa-se de urânio enriquecido a 20%. Com 95% de concentração de urânio-235 produz-se uma bomba atômica.

A grande vantagem das usinas nucleares é a produção de uma energia limpa, ou seja, não produz poluentes

atmosféricos. Parece bom, não é mesmo? Nem tanto: as usinas nucleares apresentam três inconvenientes:

• A sua construção e operação é muito cara.

• Possui risco de acidentes.

• Produz lixo nuclear.

Lixo Nuclear Lixo nuclear é a sobra de materiais radioativos que não mais serão utilizados e tudo o que estiver contaminado por eles: o resíduo da mineração e da preparação dessas substâncias químicas radioativas, o encanamento por onde elas passaram e as vestimentas moderadamente impregnadas de radioatividade usadas pelos trabalhadores. Enfim, tudo o que entra em contato com material radioativo e o próprio material radioativo que não for mais útil é chamado lixo nuclear. Um dos maiores problemas da utilização das usinas nucleares está no descarte do lixo nuclear. Geralmente, o material utilizado possui meia-vida muito longa e não pode

ser destruído, o que ocasiona sério risco para o meio ambiente.

5.5 A fusão: uma curiosidade muito quente

Estudando o Sol e outras estrelas, os cientistas descobriram que nelas também ocorrem transformações

nucleares, por isso liberam enormes quantidades de energia em forma de luz visível, calor, ondas de rádio, radiação

ultravioleta (UV), infravermelho (IR), raios X, entre outras. No entanto, as transformações nucleares que ocorrem no

Sol e nas estrelas se dão na forma inversa. Em vez de fissão (divisão), ocorre a fusão (união) de núcleos, a chamada

fusão nuclear.

A reação da fusão nuclear pode ser mostrada pela seguinte equação nuclear:

Estudando a fusão, os cientistas criaram outra arma nuclear – a bomba de hidrogênio.

A primeira bomba de hidrogênio foi testada em 1952, nos Estados Unidos. Em contrapartida, a antiga URSS informou que em agosto de 1953 fizera, também, experiências com este tipo de bomba. A partir daí, os dois países ampliaram suas forças nucleares, iniciando uma corrida armamentista, a Guerra Fria. Outros países como a Inglaterra, França, China, Índia e o Paquistão, também já realizaram testes nucleares.


2 1 H + H � He + n + energia 4 2 3

1 1 0

A bomba de hidrogênio é uma das armas mais poderosas já construídas. Para que você tenha uma ideia, para que a essa bomba exploda é necessária uma temperatura altíssima, o que é obtida com a explosão de uma bomba nuclear.

Consegue-se produzir explosões de até 500 megatons (o que corresponde a 500.000.000 toneladas de TNT). Cada uma das bombas atômicas detonadas no Japão correspondia a cerca de 20 quilotons (20 mil toneladas de TNT).

Felizmente este tipo de bomba não foi utilizado em nenhum confronto, ataque ou guerra. Suas únicas explosões ocorreram em testes, mesmo sob intensos protestos mundiais.

6 – Rastreando os efeitos da radioatividade

Certamente você ouviu falar que radiação traz conseqüências graves a nossa saúde! Vamos fazer uma breve

explicação.

A radiação pode ter dois efeitos básicos no corpo:

• Pode destruir as células com o calor;

• Pode ionizar e fragmentar as células.

As primeiras conseqüências desastrosas e imediatas da bomba atômica são os efeitos físicos da explosão

radiativa. Nos primeiros milésimos de segundo após a explosão, a energia térmica liberada na atmosfera transforma

o ar em uma bola de fogo. Num raio de 1 km, tudo é instantaneamente reduzido a cinzas. No solo, logo abaixo onde

a bomba explode, a temperatura atinge milhares de graus centígrados. O calor provoca uma expansão violenta dos

gases que progredi a uma velocidade de 1.000 km/h.

O efeito biológico da radiação está relacionado com a propriedade de provocar ionização da matéria com a

qual interage, isto é, com a sua capacidade de arrancar elétrons da matéria produzindo íons. Essa propriedade é

diferente para os três tipos de radiação, com a seguinte ordem decrescente: γ > β >α.

Muitos efeitos da radiação duram pouco, enquanto que outros provocam doenças crônicas. Quando

recebemos doses elevadas, os efeitos passam a ser visíveis em minutos ou dias após a exposição. Mas existem

outros efeitos que só aparecem semanas, meses e até anos depois da exposição. Algumas conseqüências só

aparecerão em gerações futuras.

As bombas atômicas lançadas pelos Estados Unidos, em 1945, mataram cerca de 140 mil pessoas (40% da

população) na cidade de Hiroshima e 74 mil pessoas (26% da população) na cidade de Nagasaki. Mas as

conseqüências são sentidas até hoje pela população local: ainda nascem crianças defeituosas, além da grande

incidência de alguns tipos de câncer.

Além das bombas atômicas lançadas no Japão, a humanidade conheceu, 41 anos mais tarde, mais um grande

incidente envolvendo a energia nuclear: em 1986, na cidade de Chernobyl (Ucrânia) uma usina nuclear explode,

despejando no ar elementos radioativos que se espalharam por toda a Europa e muito além dela, deixando vestígios

nos Estados Unidos, na Índia e no Canadá. Até os brasileiros foram atingidos, quando o Brasil importou, em 1986,

leite irlandês e carne contamina por radiação.

No ano do acidente morreram 31 pessoas devido ao efeito agudo da radiação. Mas as consequências desse

incidente foram, além mortes, centenas de feridos e milhares de pessoas e animais (além da vegetação)

contaminados pela radiação, os quais, meses ou anos mais tarde, desenvolveram ou ainda poderão desenvolver

algum tipo de problema de saúde. Levará muitos anos até que os efeitos desse desastre sejam totalmente

conhecidos.

São incidentes trágicos como esses que fazem milhares de pessoas serem totalmente contra o uso da

energia nuclear.

E você, é contra ou a favor?

Agora que já sabe os males e os benefícios da radioatividadePense e se questione em relação as seguintes indagações e se posicionando de maneira crítica sobre o

assunto: a) Você é a favor ou contra o uso da energia nuclear, para fins pacíficos?b) A energia nuclear deve ser usada para fins militares?c) Você é contra qualquer uso da energia nuclear?

Você deve responder essas questões levando em conta tudo que você aprendeu sobre a radioatividadesua utilização para fins pacíficos como na medicina e para a produção de energia nuclear.

Mas não se esqueça que esses processos geram um lixo nuclear que o holo.

Além disso, sempre haverá uma grande preocupação com a possibilidade de um incidente nuclear e, principalmente, a sua utilização para fins militares. Vários países no mundo possuem bombas atômicas, outros então descobrindo a tecnologia para a criação de seu próprio arsenal atômicohidrogênio.

Leia em jornais e revistas, procure na internet ou leia o livro ALeitura Recomendada). Posicione-se sobre o assunto respondendo as questões propostas.

Conclusão

Precisamos de cada vez mais energia para sustentar nosso desenvolvimento

dúvida, uma fonte poderosa e abundante. No entanto, os riscos inerentes às reações nucleares são muito grandes e

piores ainda são as perspectivas de seu uso para fins militares ou terrorismos. Vale a pena?

Atividade Final – O acidente de Goiânia

No dia 13 setembro de 1987, catadores na cidade de Goiânia encontraram uma cápsula dentro de um cilindro de metal de 3,6 cm de diâmetro e 3radioterapia.

Desconhecendo o sinal que indicava a presença de material radioativo, eles abriram o cilindro e a cápsula. O dono do ferro-velho, que comprou as peçascésio-137 – espalhou esse material entre vizinhos e amigoslocalidades, provocando um desastre radioativo de graves conseqüências.

Aplique o seu conhecimentoos males e os benefícios da radioatividade, você é a favor ou contra a sua utilização?

Pense e se questione em relação as seguintes indagações e se posicionando de maneira crítica sobre o

o uso da energia nuclear, para fins pacíficos? da para fins militares?

ualquer uso da energia nuclear?

deve responder essas questões levando em conta tudo que você aprendeu sobre a radioatividadesua utilização para fins pacíficos como na medicina e para a produção de energia nuclear.

Mas não se esqueça que esses processos geram um lixo nuclear que o homem ainda não sabe como descartá

Além disso, sempre haverá uma grande preocupação com a possibilidade de um incidente nuclear e, principalmente, a sua utilização para fins militares. Vários países no mundo possuem bombas atômicas, outros

ndo a tecnologia para a criação de seu próprio arsenal atômico. E não se esqueça da bomba de

Leia em jornais e revistas, procure na internet ou leia o livro A radioatividade e o Lixo Nuclear (veja em

se sobre o assunto respondendo as questões propostas.

Precisamos de cada vez mais energia para sustentar nosso desenvolvimento –



acidente de Goiânia

setembro de 1987, catadores na cidade de Goiânia encontraram uma cápsula dentro de um cilindro de metal de 3,6 cm de diâmetro e 3 cm de altura de um aparelho hospitalar usado em tratamentos de

Desconhecendo o sinal que indicava a presença de material radioativo, eles abriram o cilindro e a cápsula. velho, que comprou as peças 6 dias depois, fascinado pela fosforescência do material encontrado

espalhou esse material entre vizinhos e amigos, contaminando cerca de 250 pessoas e, provocando um desastre radioativo de graves conseqüências.



, você é a favor ou contra a sua utilização? Pense e se questione em relação as seguintes indagações e se posicionando de maneira crítica sobre o

deve responder essas questões levando em conta tudo que você aprendeu sobre a radioatividade e a sua utilização para fins pacíficos como na medicina e para a produção de energia nuclear.

mem ainda não sabe como descartá-

Além disso, sempre haverá uma grande preocupação com a possibilidade de um incidente nuclear e, principalmente, a sua utilização para fins militares. Vários países no mundo possuem bombas atômicas, outros

. E não se esqueça da bomba de

radioatividade e o Lixo Nuclear (veja em se sobre o assunto respondendo as questões propostas.

e o núcleo do átomo é, sem



setembro de 1987, catadores na cidade de Goiânia encontraram uma cápsula dentro de um cm de altura de um aparelho hospitalar usado em tratamentos de

Desconhecendo o sinal que indicava a presença de material radioativo, eles abriram o cilindro e a cápsula. la fosforescência do material encontrado –

, contaminando cerca de 250 pessoas em uma dezena de

Um dos catadores de papel teve vômitos no dia 13 de setembro, e no dia 14, teve que amputar o antebraço direito. Uma mulher, uma criança e dois jovens morreram cerca de um mês após receber altas doses de radiação. A criança era sobrinha do dono do ferro-velho e morreu, aos 6 anos de idade, após passar o “pó brilhoso” pelo corpo.O acidente radiológico afetou a saúde de centenas de pessoas que tiveram algum contato com o elemento químico e provocou quatro mortes.

Cerca de 15 toneladas de lixo radioativo foram retirados do local e transferidos para um depósito na cidade de Abadia de Goiás, a 20 km de Goiânia.

O elemento radioativo envolvido nesse desastre era o césio – 137 (137Cs). Sobre ele responda as questões abaixo:

a) Convém observar que o problema foi agravado porque o césio-137, além de suas características nucleares perigosas (emite partículas beta) estava na forma de uma substância com fórmula CsCl, que é dissolvido em água com facilidade, sendo absorvido pelo organismo com extrema facilidade. Determine o número atômico e o número de massa do elemento químico formado quando o césio-137 emite uma partícula beta conforme o esquema a seguir:

b) Determine o tempo que o lixo radioativo do acidente de Goiânia deverá permanecer em isolamento para que se tenha 6,25% da quantidade inicial desse isótopo radioativo, sabendo-se que a meia-vida do césio-137 é de 30 anos.

c) Onde reside o grande período das emissões radioativas para as pessoas?

Resposta comentada da atividade final

a) quando um átomo emite uma partícula beta ele forma um novo elemento, com o mesmo número de

massa do elemento de origem, mas com o número atômico com uma unidade a mais (Z+1). Assim teremos:

Logo, para o novo elemento químico criado, o número atômico será igual a 56 – nesse caso é o elemento

químico Bário (56Ba) – e número de massa igual a 237.

b) Considerando que a quantidade inicial seja 100% e que, a cada período de meia-vida, a sua quantidade

caia a metade, você pode fazer a seguinte relação:

Como são necessários 4 períodos de meia-vida, você pode concluir que:

4 x 30 = 120 anos

Somente após 120 anos que será reduzida a 6,25% da quantidade inicial do césio-137.

c) As emissões radioativas produzem dois efeitos básicos no corpo: podem provocar queimaduras devido a

energia liberada durante o processo (as radiações gama) e pode ionizar e fragmentar as células do nosso organismo,

provocando uma série de doenças, inclusive câncer.

237 55

A

Z

0

-1 Cs � X + β

237 55

237

56

0

-1 Cs � X + β

50 % 25 % 100% T ½ T ½ T ½ T ½

12,5 % 6,25 %

Referências bibliográficas

BENABOU, Joseph Elias e RAMANOSK, Marcelo. Química – volume único. São Paulo: Atual, 2003, 472 p.

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USBERCO, João. SALVADOR, Edgard. Química, volume único. 7.ed.reform. São Paulo: Saraiva, 2006.

Leitura Recomendada

A radioatividade e o Lixo Nuclear – M. Elisa Marcondes Helene – Coleção Ponto deApoio - São Paulo: Scipione, 1996.

Marie Curie e a Radioatividade – Steve Parker - Coleção Caminhos da Ciência.– São Paulo: Scipione, 1996.

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