UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA – UFMG

RADIOATIVIDADE E O MEIO AMBIENTE

Prof. Nelcy Della Santina Mohallem

PROPRIEDADES DOS NÚCLEOS NO ESTADO FUNDAMENTAL

N - número de neutrons no núcleo Z - número de protons (número atômico) A = N + Z - número total de núcleons ( número de massa) Nuclídeo - espécie nuclear - 16O8 Isótopos - nuclídeos com mesmo Z - 15O8 e 16O8 Isótonos - nuclídeo com mesmo N - 13C6 e 14N7 Isóbaros - nuclídeos com mesmo A - 14C6 e 14N7 Radioisótopo ou radionuclídeo - isótopos instáveis ou radioativos

TIPOS DE RADIAÇÃO

Radiação alfa (α) – pouco penetrante e muito ionizante Em seu trajeto, estas partículas arrancam elétrons das moléculas do ar, ionizando-as. Com esta captura, transforma-se no átomo de He Núcleo de hélio - 42α (dois prótons e dois neutrons) V = entre 3.000 e 30.000 Km/s Carga elétrica: +2 massa = 4 É barrada por lâmina de alumínio de 0,1mm de espessura Penetra 2 a 8 cm no ar. Uma folha de papel as detém. Radiação beta (β) – mais penetrante e menos ionizante elétron – 0-1β V = quase 300.000 Km/s Carga elétrica: -1 e massa desprezível É barrada por lâmina de alumínio de 5mm de espessura Radiação gama (γ) – muito penetrante e muito pouco ionizante Ondas eletromagnéticas que normalmente acompanham as emissões alfa e beta λ entre 10-16 e 10-10m V = 300.000 Km/s Carga elétrica e massa desprezíveis Penetra alguns uns 5 centímetros de chumbo, ou 20 cm de aço. Raios X – É a radiação emitida por um elétron quando este passa de uma órbita para outra mais interna. Ionizam os gases que atravessam

Apresentam trajetória retilínea, não se desviando pela ação de campos elétricos e magnéticos, não sendo, portanto, constituídos por partículas carregadas. Sofrem reflexão, refração e difração (radiação eletromagnética, com comprimento menor que a luz) λ entre 10-12 e 10-8m

Introdução

Quando o mundo ocidental desenvolvia os primeiros conhecimentos sobre a estrutura do átomo, final do século XIX, os países que lideravam a produção do pensamento científico eram a Inglaterra, a França e a Alemanha. A Inglaterra estava no auge do esplendor, sob o império, "domínio dos mares". A França sofria as conseqüências das derrotas da Guerra Franco-Prussiana de 1870 e 1871. A desmoralização dos franceses pode ser medida pela reação de Pasteur e de outros cientistas que, amargurados, associaram a derrota à negligência das ciências na defesa do país. A Alemanha, em processo de ascensão e dominada pelos militares, tinha tomado um rumo imperialista.

No mundo de 1895 não havia aviões, praticamente não havia telefones, a eletricidade era muito precária e ainda não havia automóveis; as estradas cheiravam a estrume, conseqüência inevitável dos meios de transporte de então, numa poluição comparável à provocada hoje por nossos veículos movidos à gasolina. Nos laboratórios, em geral, havia apenas um professor, que quase sempre ali mesmo morava e contava com pouquíssimos assistentes. Ainda assim, eram desenvolvidas inúmeras sínteses com demoradas marchas analíticas, que ocupavam os equipamentos e o tempo nos laboratórios.

A física e a química eram consideradas ciências irmãs. Van't Hoff terminava de formular os fundamentos da cinética química (1884) e a teoria da osmose (1886); o americano C.M. Hall e o francês P. L. T. Héroult, trabalhando , separadamente, produziram alumínio através da eletrólise; S.A Arrhenius criou a teoria dos íons; E. Fischer realizou a síntese de açucares; A Werner criou a química dos compostos de coordenação; Ramsay e Travers descobriram três gases nobres: xenônio, criptônio e neônio (1896); e as descargas de gases eram muito estudadas.

Entretanto, os acontecimentos que marcaram o final do século passado, ocasionando uma enorme comoção em todo o mundo, num momento em que se começava a buscar explicações sobre a natureza da matéria, foram as descobertas dos raios X e da radioatividade.

Radioatividade natural

Em 1895, o cientista alemão Wilhelm K. Röentgen descobriu que certa radiação, com alto poder de penetração, era capaz de sensibilizar chapas fotográficas e provocar fluorescência de algumas substâncias – era descoberto o raio X . (Prêmio Nobel em 1901).

J.J.Thompson (Inglês) começou a estudar os raios catódicos com um aluno de doutorado, Rutherford (neozelandês). Eles perceberam que quando um gás era atravessado por um raio, este se ionizava, isto é, conduzia eletricidade.

Em 1896, Becquerel pensava ter encontrado uma fonte natural de raios X, o sulfato duplo de uranilo e potássio dihidratado (K2UO2(SO4)2.2H2O), quando percebeu que o minério não apenas escurecia chapas fotográficas como também ionizava gases,

transformando-os em condutores. Ele descobriu que era possível medir a atividade das radiações de uma amostra através da ionização produzida.

Pierre e Marie Curie, interessados na radioatividade recém descoberta, pesquisaram exaustivamente, até conseguir isolar duas substâncias radioativas até então desconhecidas: o polônio e o rádio. Em 1897, Thompson concluiu que os raios catódicos eram formados por pequenas partículas (elétrons), menores que o átomo, e tinham velocidade 1.600 vezes menor que a luz. Estes resultados foram confirmados por Millikan em 1909.

Em 1899, estudando as radiações emitidas pelo rádio, Becquerel pode observar que estas podiam ser desviadas por um campo magnético ou por um campo elétrico intensos. No ano seguinte, quase simultaneamente, Pierre Curie e Ernest Rutherford identificaram dois tipos distintos de radiações, batizadas mais tarde por Rutherford de raios alfa e beta.

Em pesquisa posterior, com o físico Frederick Soddy, Rutherford percebeu que não se tratava de raios, mas de partículas, chegando à conclusão, em 1903, que os átomos dos elementos radioativos dividiam-se espontaneamente. Tal constatação, levou-o a conceber a idéia de que deveria ocorrer uma transmutação de elementos, quando da emissão radioativa, mas evitava mencioná-la, temendo passar por louco. Entretanto, havia provas que não podiam ser refutadas. A transmutação dos elementos, sonho dos alquimistas, era uma realidade.

As partículas alfa, positivas e com massa significativa, foram identificadas como núcleos do gás hélio e as partículas beta, negativas e praticamente sem massa, como elétrons de alta velocidade. Pouco depois, o físico francês Paul Villard descobriu que a decomposição espontânea dos átomos radioativos era acompanhada por uma radiação muito penetrante, chamando esses raios de raios gama.

Em 1911 Rutherford conseguiu dimensionar o núcleo atômico (de 10-15 a 10-

14m) e propôs um modelo atômico, onde existia um núcleo positivo rodeado de elétrons. Até então os modelos evoluíram de Dalton, que propôs que o átomo era indivisível e Thompson com o modelo conhecido como pudim de passas. Em 1913, Niels Bohr (dinamarquês) propôs um modelo onde os elétrons eram giravam em torno do núcleo em posições fixas. Finalmente em 1925 surgiu o modelo orbital. Em 1919 Rutherford realizou a primeira reação de desintegração nuclear artificial, bombardeando o átomo de nitrogênio com partículas alfas. Nesta época descobriu-se o próton. O nêutron foi descoberto por Chadwick em 1932 e o pósitron (antielétron ) em 1932 por Anderson.

Mas, como explicar a emissão de elétrons pelo núcleo? Somente em 1934, o físico italiano Enrico Fermi, propôs uma explicação completa, baseando-se na existência de uma partícula nuclear prevista, matematicamente, por Wolfang Pauli, conhecida como neutrino. A hipótese de Fermi é de que a partícula beta é emitida quando um nêutron instável se desintegra, originando, também, um próton. O próton fica no núcleo e, como a massa do próton é praticamente igual à massa do nêutron, a massa total do átomo não se altera. A partícula beta é expulsa do núcleo junto com radiação γ e um neutrino, de carga elétrica zero e massa desprezível.

10n → 11p + 0-1β + 00ν +0

0γ

Com a colaboração dos cientistas Fajans e Russel, Frederick Soddy determinou que na emissão de partículas alfa e beta há conservação da massa (A) e da carga (Z) total.

Muitos anos depois da descoberta dos processos de emissão alfa, beta e gama, um quarto tipo de desintegração natural foi observado: a captura eletrônica (CE). Nesse caso, o núcleo captura um elétron extranuclear, mantendo a massa enquanto o número atômico diminui de uma unidade:

4019K + 0-1e →40

18Ar

Geralmente, o elétron pertence à camada K, de modo que o processo pode ser chamado de captura K. Há ainda uma quinta espécie de desintegração natural: a fissão espontânea.

A desintegração radioativa

Um mesmo elemento pode ter núcleos diferentes, pois a diferença está no número de nêutrons. Para os 92 elementos encontrados na natureza, há cerca de 300 tipos diferentes de núcleos, correspondendo aos seus isótopos. Estudos sistemáticos das propriedades dos isótopos mostram que alguns deles podem existir, mas são instáveis, isto é, se desintegram espontaneamente, para formar outras combinações de prótons e nêutrons. Assim, já foram identificados mais de mil isótopos instáveis, ou radioativos, também chamados radioisótopos ou, mais corretamente, radionuclídeos.

Todos os isótopos radioativos naturais, isto é, aqueles que ocorrem espontaneamente na natureza, foram originados a partir de um dos seguintes isótopos radioativos: Tório ( 232 92Th ) , Urânio ( 238

90 U ) e Urânio ( 23592 U ).

Ao desintegrar-se, um núcleo instável pode atingir uma configuração estável ou formar um novo núcleo radioativo, que, por sua vez, também vai se desintegrar após um determinado período. Essa cadeia de desintegrações se completa quando o resultado é um núcleo estável. Dizemos então que esses elementos encabeçam uma série ou família radioativa natural.

Existem vários mecanismos de desintegração para os núcleos radioativos. Os principais são a desintegração alfa , a desintegração beta, e a desintegração gama, conhecidas e estudadas desde o início do século.

Devemos notar que os elementos de cada série se encontram em equilíbrio radioativo, uns com os outros, na natureza. À medida que a quantidade de cada elemento aumenta pela desintegração de um elemento anterior, a quantidade desse elemento diminui, pela própria desintegração. Isso faz com que a quantidade de isótopos radioativos naturais seja , por longo tempo, praticamente constante na natureza, o que é conhecido como equilíbrio secular. No entanto, como os elementos que encabeçam a série não estão sendo repostos, a tendência é esses elementos se extinguirem, um dia. Como isto deve ocorrer com cada elemento das séries, chegará o momento em que todos os isótopos radioativos terão se transformado em chumbo, estável.

A principal característica desse processo é que a porcentagem de átomos que se desintegram, por unidadede tempo, é constante. Portanto, após um período variável segundo o elemento em questão, o número de núcleos residuais (que ainda não se desintegraram) cai à metade. É esse período que se chama meia-vida de um elemento radioativo. As meias-vidas dos radioisótopos variam de frações de segundo a milhões de

anos. O carbono, com número de massa 11 (11C), possui meia-vida de 20 minutos, enquanto o de número de massa 14 (14C) tem meia-vida de 5760 anos. O urânio-238 (238U), por exemplo, cuja meia-vida (4,5 bilhões de anos) é aproximadamente igual à idade da Terra , teve sua quantidade original reduzida, mais ou menos, à metade , até hoje.

A produção de elementos transurânicos (Z>92) deu origem a uma 4a família radioativa, artificial, encabeçada pelo plutônio-241 e chamada de série do neptúnio. A série do neptúnio apresenta duas particularidades em relação às séries radioativas naturais: não apresenta o radônio e não termina no chumbo, mas no bismuto, 209

83Bi, estável.

Estabilidade nuclear

Muitos são os fatores que contribuem para a maior ou menor estabilidade do núcleo. Pode-se dizer, por exemplo, que a estabilidade do núcleo de um átomo depende da relação entre o número de nêutrons e o número de prótons existentes neste núcleo. Aparentemente, os nêutrons são necessários para impedirem a autodestruição do núcleo, como resultado da repulsão entre prótons. Quanto maior o número de prótons em um núcleo, maior a quantidade de nêutrons necessária, por próton, para manter o núcleo estável. Do átomo de Hélio até o átomo de cálcio, os isótopos mais abundantes possuem a relação n/p =1 e são átomos muito estáveis. No entanto, à medida que o número de prótons no núcleo aumenta, a relação n/p, torna-se cada vez maior. Assim, no 6

3Li a relação n/p é igual a 1, no 48

110Cd é 1,3 e no 80202Hg é 1,5.

Quando há mais de 83 prótons no núcleo, porém, nenhum número de nêutrons é capaz de mantê-lo estável: o bismuto (Z=83) é o último elemento que possui isótopo estável.

Colocando em um gráfico os números de nêutrons e de prótons para todos os núcleos estáveis, será formada uma faixa denominada cinturão de estabilidade. Os núcleos instáveis podem estar acima, abaixo ou entre os extremos do cinturão de estabilidade.

Núcleos que estão acima do cinturão de estabilidade diminuem sua relação nêutron-próton através de desintegração. Muitas vezes são necessárias sucessivas desintegrações até formar-se um núcleo estável:

13354Xe → 133

55Cs + 0-1e 131

51Sb → 13152Te + 0-1e → 131

53I + 0-1e →131

54Xe + 0-1e

Ocasionalmente, pode ser observada emissão de nêutrons: 90

36Kr → 8936Kr + 10n

Núcleos situados abaixo do cinturão aumentam a relação n-p por emissão β+ (pósitron): 105

48Cd → 10547Ag + 01e

Ou na captura eletrônica (CE),onde um elétron de baixa energia é capturado pelo núcleo, e a energia liberada no processo é, em geral, emitida na forma de raios-X .

12754Xe + 0-1e → 127

53I

Algumas vezes, não é uma relação nêutron-próton desfavorável que produz a desintegração. O número total de partículas nucleares pode ser tão grande que a força de ligação nuclear não é suficientemente forte para mantê-las juntas. Esta situação geralmente leva a uma emissão de dois prótons e dois nêutrons ao mesmo tempo. 211

84Po → 20782Pb + 42He

Transmutação artificial

A primeira transmutação artificial foi realizada em 1919, por Rutherford, que

conseguiu obter oxigênio-17 bombardeando átomos de nitrogênio-14 com partículas alfa obtidas da desintegração do rádio. O intermediário, altamente instável, tem meia-vida inferior a 10-12 s e sua desintegração, por emissão de um próton, dá origem ao oxigênio-17 estável.

Em muitos casos, o produto de uma reação de bombardeio nuclear é instável e culmina em uma desintegração radioativa. Por exemplo, quando o núcleo do cobalto-59 é bombardeado com um nêutron de alta energia, transmuta-se em manganês-56, que, não sendo estável, desintegra-se, com uma meia-vida de 2,6 h, formando ferro-56, estável.

Este é um exemplo de radioatividade induzida, ou artificial. As emissões radioativas induzidas nem sempre são encontradas na radioatividade natural. Uma dessas, é a emissão de nêutrons, que ocorre em um dos modos de desintegração do bromo.

A descoberta do nêutron, por James Chadwick, em 1932, ocorreu quando ele bombardeava placas de berílio com partículas alfa:

94Be + 42α → 10n + 12

6C

Felipe Joliot e Irene Joliot Curie (filha de madame Curie) descobriram a existência do pósitron bombardeando uma placa de alumínio-27 com partículas alfa. O alumínio transmuta-se em fósforo-30 instável, que se desintegra por emissão de pósitrons, transformando-se em silício-30.

2713Al + 42α → 30

15P + 10n

3015P → 30

14Si +0+1β

Explica-se a formação dos pósitrons pela desintegração do próton, dando origem

a um nêutron, que fica no núcleo, e um pósitron, que é eliminado juntamente com um neutrino e radiação gama. É interessante saber que o pósitron é na verdade uma antipartícula e que, quando um pósitron e uma partícula beta se chocam, há extinção de matéria e liberação de energia na forma de radiação gama

A radioatividade induzida e a transmutação artificial são possíveis graças ao avanço tecnológico que possibilitou o desenvolvimento de aceleradores de partículas de alta energia como ciclotron, e o acelerador linear.

O acelerador linear é composto de cilindros ocos cujos comprimentos são proporcionais às velocidades adquiridas pelos íons. As partículas, ao passarem pelo

interior dos cilindros, adquirem uma forte aceleração linear, em razão de impulsos elétricos sucessivos.

As primeiras tentativas de construção de elementos artificiais foram feitas pelo italiano Enrico Fermi, em 1934. Ao bombardear átomos de urânio com nêutrons, ele identificou uma série de "produtos radioativos", que, quatro anos mais tarde foram identificados como elementos que haviam se formado pela quebra do núcleo do urânio - uma fissão nuclear.

A partir de 1940, os cientistas trocaram o papel de descobridores pelo de fabricantes de átomos. Na Universidade da Califórnia foi isolado o primeiro elemento transurânico, com 93 prótons: o neptúnio. Alguns meses mais tarde, foi isolado outro elemento mais pesado que os encontrados na natureza: o plutônio. Até hoje foram criados vinte um novos átomos, alguns isótopos do mesmo elemento. A maioria deles dentro de potentes aceleradores de partículas, como os ciclotron. Outros, como o einstênio e o férmio, foram identificados em testes realizados com explosões atômicas. Como projéteis, são usados, principalmente, as partículas alfa, beta, próton, neutron, pósitron e deutério.

Convém observar que, nas reações de transmutação artificial, também ocorre a conservação da carga e da massa, como observado nas transmutações naturais.

Fissão e fusão nucleares

Fissão nuclear é a quebra do núcleo de um átomo, aproximadamente ao meio,

dando origem a dois novos núcleos e grande quantidade de energia. Enrico Fermi, em 1933, bombardeando núcleos com nêutrons de velocidade moderada, observou que os núcleos bombardeados capturavam os nêutrons. Pouco tempo depois, após o bombardeamento de urânio com nêutrons moderados, a equipe do cientista alemão Otto Hahn constatou a presença de átomos de bário, vindo a concluir que, após o bombardeio, núcleos instáveis de urânio partiam-se praticamente ao meio.

Como os nêutrons não possuem carga elétrica, não sofrem desvio de sua trajetória, devido ao campo eletro-magnético do átomo. Estando muito acelerado, atravessariam completamente o átomo; estando a velocidade muito lenta, seriam rebatidos; mas com velocidade moderada, ficam retidos, e o novo núcleo formado, instável, sofre desintegração posterior, com emissão de partículas beta.

Somente alguns átomos são capazes de sofrer fissão, entre eles o isótopo 235 do urânio, que ocorre na natureza com uma abundância isotópica de 0,712% , e o plutônio 239, elemento artificial. A enorme quantidade de energia produzida numa fissão nuclear provém da transformação da matéria em energia. Na fissão nuclear há uma significativa perda de massa, isto é, a massa dos produtos é menor que a massa dos reagentes. Tal possibilidade está expressa na equação de Einstein : E=mc2.

Considerando a reação: 235

92U + 10n → 9438Sr + 139

54Xe + 3 10n + 126C

pode-se calcular a variação de massa total, , que resulta do processo: Δm = 93,9154 + 138,9178 + 3.1,0087 – 235,0439 – 1,0087 = -0,1933 O sinal negativo indica que o sistema perde 0,1933 ua por átomo de urânio. Isso corresponde a uma perda de 1,933 x 10-4 kg mol-1. Como a velocidade da luz no vácuo, c, é 2,998 x 10-8 m s-1, calcula-se a energia

equivalente à perda de massa observada: de 1,737 x1010 kJ mol-1. Uma energia colossal, cerca de um milhão de vezes maior que a energia desprendida nas reações mais exotérmicas.

Na fissão nuclear, cerca de sete oitavos dessa energia aparece na forma de energia cinética dos produtos e um oitavo como energia eletromagnética (radiante).

A conversão de núcleos muito leves em núcleos pesados - fusão nuclear - também resulta em grande liberação de energia, ainda maiores que na fissão. Um problema fundamental nas reações de fusão consiste em iniciá-la. Para conseguir que dois núcleos leves se fundam é necessária uma temperatura extremamente alta, sempre maior que um milhão de graus Celsius. O controle da fusão nuclear de maneira que possa ser usado em formas úteis de energia (a única aplicação realizada, até hoje, foi em testes de armas termonucleares) constitui um problema que há muito vem desafiando cientistas e engenheiros. Possivelmente, reações utilizando hidrogênio e deutério poderão ser empregadas e, embora somente cerca de 0,015% do hidrogênio da Terra seja constituído de deutério, há água suficiente nos oceanos, fazendo Baterias de lasers de alta potência têm sido testadas como deflagradores da fusão do hidrogênio, mas há ainda o problema do recipiente para conter a mistura de reação, cuja temperatura é suficiente para vaporizar qualquer material. Experimentos estão sendo executados, nos quais misturas a altíssimas temperaturas são confinadas em um campo magnético intenso, que impede seu escape.

Radiação ionizante

Radiação é a energia emitida por uma fonte e que se propaga de um ponto a outro sob a forma de um feixe de partículas: elementares - elétrons, prótons, nêutrons, mésons - radiação corpuscular, ou núcleos atômicos, ou sob a forma de ondas eletromagnéticas.

A energia de uma onda eletromagnética é quantizada. Na interação com a matéria, a absorção e a emissão de energia só ocorrem em quantidades discretas, chamadas quanta ou fótons. A energia de cada fóton é diretamente proporcional à frequência da onda eletromagnética, que, em ordem crescente, corresponde às de rádio, televisão, microondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e os raios gama.

Todas as partículas sem carga e os fótons de raios X e gama têm certa probabilidade de passar através de um meio material sem sofrer nenhuma interação com ele e, portanto, sem perder energia. Uma partícula carregada, ao contrário, sempre sofre colisões, perdendo energia gradativamente. A radiação é ionizante quando, na interação com os átomos e moléculas do meio, arranca alguns elétrons, provocando a formação de pares iônicos, íon positivo, cátion (átomo que perdeu um elétron), íon negativo, ânion (elétron removido do átomo).

Todas as partículas carregadas produzem ionização diretamente, quando possuem energia para tal. Já as partículas neutras e os fótons de raios X e gama, embora eles próprios não ionizem, produzem, na interação com o meio, partículas capazes de ionizarem. Se o meio for um tecido orgânico, as ionizações podem resultar na ruptura molecular. Se não houver recuperação, pode ser iniciado um dano biológico. São diferentes os mecanismos de interação da radiação corpuscular ou eletromagnética com a matéria. Quando uma partícula alfa penetra num meio, produz um número muito grande de ionizações e por ser pesada, sua trajetória é retilínea e seu alcance (distância que percorre nesse meio até parar) é muito pequeno. Uma partícula alfa de 3 MeV ( 3 x

106 eV ) possui alcance de: 1,67 cm no ar; 1,00 x 10-2 cm no tecido humano e 0,098 x 10-2 cm no alumínio. Uma folha finíssima de alumínio, com 10 mm de espessura barra completamente um feixe de partículas alfa com essa energia. Mesmo sem blindagem, elas não conseguem penetrar na pele humana. Entretanto, a ingestão de radionuclídeos emissores de radiação alfa pode causar grandes danos, em consequência da grande ionização.

As partículas beta, que são elétrons, e pósitrons, ionizam em grau muito menor que as partículas alfa de igual energia, mas, seu alcance é bem maior. Uma partícula beta de 3 MeV tem alcance de 1,26 cm no ar; 1,5 cm no tecido humano e 0,56 cm no alumínio. Em virtude da sua pequena massa, a trajetória é tortuosa. Para blindá-la podem ser usadas folhas de alumínio ou de plástico.

Os nêutrons interagem, predominantemente, com núcleos atômicos e não produzem ionização. Liberam, porém, partículas carregadas que, por sua vez, ionizam. Antes da interação eles percorrem grandes distâncias através da matéria, sendo, portanto, muito penetrantes. Para blindá-los usam-se, normalmente, materiais como parafina ou água. Os raios X e gama diferem entre si apenas quanto à origem: radiações gama provêm do interior do núcleo ou da aniquilação de partículas, enquanto que os raios X se originam fora do núcleo. Ambos são ondas eletromagnéticas extremamente energéticas, têm grande poder de penetração. Seus principais mecanismos de interação com a matéria são a produção de pares, os efeitos Fotoelétrico e Compton. A probabilidade de ocorrer um desses tipos de interação depende da energia dos raios X ou gama e do número atômico dos elementos constituintes do meio.

No efeito fotoelétrico, o fóton é totalmente absorvido, sua energia se transfere a um elétron das camadas mais internas do átomo e esse elétron é ejetado.

No efeito Compton, o fóton de raios X ou gama é desviado por um elétron da camada mais externa, transferindo-lhe parte da sua energia; nesse processo o fóton não é absorvido e continua interagindo com outros elétrons.

A produção de pares (elétron - pósitron) acontece quando a energia do fóton é maior que 1,02 MeV, isto é, a soma das massas dessas duas partículas em repouso. Um fóton de radiação gama ou de raio X pode perder toda ou quase toda a energia em uma única interação. Para blindar esse tipo de radiação são usados chumbo, concreto, aço, ferro ou terra.

Decaimento Radioativo A taxa de mudança dos átomos instáveis em um determinado instante é denominada de Atividade, A . Se Ao é a atividade inicial de um elemento radioativo em dado instante, a sua nova atividade A(t), após um tempo t, será dada pela fórmula abaixo:

Onde λ é a constante de decaimento, característica de cada material. A atividade de uma fonte é medida em unidades de transformações por segundo, denominada becquerel, Bq, no Sistema Internacional (SI). 1 Bq = 1 decaimento por segundo.

t0A A(t) λ−= e

A unidade antiga de atividade, ainda utilizada, é o curie, Ci. 1 Ci = 3,7.1010 Bq = 3,7.1010 decaimentos por segundo. Meia-vida (t1/2) O intervalo de tempo, contando a partir de um certo instante, necessário para que metade dos átomos radioativos decaiam, ou seja, que o valor da atividade reduza-se à metade, é denominado de meia-vida. Assim:

Atividade inicial Ao 1 meia-vida - Ao/2 = Ao/21 2 meias-vidas - (Ao/2)(1/2) = Ao/4 = Ao/22 3 meias-vidas - (Ao/2)(1/2)(1/2) = Ao/8 = Ao/23

assim, decorridas n meias-vidas n meias vidas - Ao/2n

Interação da Radiação com a Matéria

Sob o ponto de vista físico, as radiações ao interagir com um material podem nele provocar excitação atômica ou molecular, ionização ou ativação do núcleo.

Excitação atômica ou molecular

Interação onde elétrons são deslocados de seus orbitais de equilíbrio e, ao retornarem, emitem a energia excedente sob a forma de luz ou raios-X característicos.

Ionização Interação onde elétrons são removidos dos orbitais pelas radiações, resultando elétrons livres de alta energia, íons positivos ou radicais livres quando ocorrem quebra de ligações químicas.

Ativação do núcleo

átomos de número )(

(Gy/min) Rendimento )(

(Ci) Atividade )(

0

0

0

t

t

t

entn

eRtR

eAtA

λ

λ

λ

−

−

−

=

=

=

( )

λλ

λλλ

0,693 T T . 0,693

eln 21ln e

21 e .A

2A

1/21/2

T-T-T-0

0 1/21/21/2

=⇒=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⇒=⇒=

A interação de radiações com energia superior à energia de ligação dos nucleons com um material pode provocar reações nucleares, resultando num núcleo residual e na emissão de radiação.

Radiação de freamento As radiações constituídas por partículas carregadas como alfa, beta e elétrons acelerados, ao interagir com a matéria, podem converter uma parte de sua energia de movimento, cerca de 5%, em radiação eletromagnética. Esta radiação, denominada de raios-X de freamento, é o resultado da interação entre os campos elétricos da partícula incidente, do núcleo e dos elétrons atômicos. Ocorre com maior probabilidade na interação de elétrons com átomos de número atômico elevado (Bremsstrahlung).

Efeito fotoelétrico O efeito fotoelétrico é caracterizado pela transferência total da energia da radiação X ou gama (fóton que desaparece) a um único elétron orbital, que é expelido com uma energia cinética Ec bem definida, Ec = hν - Be onde h é a constante de Plank, ν é a freqüência da radiação e Be é a energia de ligação do elétron orbital. O efeito fotoelétrico é predominante para as baixas energias e para elementos químicos de elevado número atômico Z.

Efeito Compton No efeito Compton, o fóton é espalhado por um elétron de baixa energia de ligação, que recebe somente parte de sua energia, continuando sua sobrevivência dentro do material em outra direção.

Formação de pares Uma das formas predominantes de absorção da radiação eletromagnética de alta energia é a produção de par elétron-pósitron. Este efeito ocorre quando fótons de energia superior a 1,022 MeV passam perto de núcleos de número atômico elevado, interagindo com o forte campo elétrico nuclear. Nesta interação, a radiação desaparece e dá origem a um par elétron-pósitron (2 mc2=1,022 MeV), por meio da reação: γ = e- + e+ + energia cinética

Atenuação da radiação na matéria Quando um feixe de radiação gama ou X incide sobre um material de espessura x , parte do feixe é espalhada, parte é absorvida pelos processos já descritos e uma fração atravessa o material sem interagir. A intensidade I do feixe emergente está associada à intensidade I0 do feixe incidente pela relação:

Atenuação da radiação na matéria μ é a probabilidade do feixe sofrer atenuação devido a eventos de espalhamento Compton, absorção fotoelétrica ou formação de pares, sendo denominado de COEFICIENTE DE ATENUAÇÃO TOTAL OU LINEAR.

xeII μ−= .0

Atenuação da radiação na matéria Camada Semi Redutora (HVL)

A camada semi redutora, HVL (Half Value Layer), é definida como sendo a espessura de um dado material que atenua à metade a intensidade de um feixe de fótons de uma determinada energia.

A lei de atenuação exponencial pode ser escrita como:

Coeficiente de absorção de energia A energia transferida dos fótons para a matéria sob a forma de energia cinética de partículas carregadas não é necessariamente toda absorvida . Uma fração g dessa energia pode ser convertida novamente em energia de fótons pela radiação de freamento. A energia absorvida é dada pelo coeficiente de absorção:

onde é o coeficiente total de transferência de energia.

ρμtr

)1( gtren −=ρμ

ρμ

xHVLeII

.693,0

0.−

=

( )

HVLHVL

eeeII HVLHVLHVL

693,0.693,0

ln21ln

21.

2 00

=⇒=

=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⇒=⇒= −−−

μμ

μμμ

par de formação à devidolinear atenuação de eCoeficient cofotoelétri efeito ao devidolinear atenuação de eCoeficient

Comptonlinear atenuação de eCoeficientONDE

===

++=

κτσ

κτσμ

Partícula Carga Massa Notação alfa +2 4 4

2α beta -1 0 0

-1β próton +1 1 1

1p neutron 0 1 1

0n pósitron +1 0 0

+1β deutério +1 2 2

1D

Reações de síntese de elementos transurânicos Isótopo Alvo - projétil Produtos

Neptúnio 93 23892U + 21D 238

93Np + 210n

Plutônio 94 23892U + 42α 240

94Pu + 210n

Amerício 95 23994Pu + 42α 241

95Am+10n+1

1p Cúrio 96 238

94Pu + 42α 24096Cm + 31

0n Berquélio 97 244

96Cm + 42α 24597Bk+21

0n+11p

Califórnio 98 23892U + 12

6C 24598Cf + 51

0n Einsteínio 99 238

92U + 147N 247

99Es + 510n

Férmio 100 23892U + 16

8O 250100Fm + 41

0n Mendelévio 101 233

99Es + 42α 258101Md + 10n

Fonte Energia (Kcal/Kg) gasolina 11.400 carvão 8.000

madeira (pinho) 4.500 GPL (gás de cozinha) 11.900

Urânio (fissão) 200.000.000

REATOR NUCLEAR

"Reator nuclear" é todo sistema no qual, sob condições efetivamente controláveis, se produz reação em cadeia de material físsil: urânio-235, plutônio, urânio-233. Nas bombas atômicas, a reação em cadeia processa-se integralmente durante tempo muitíssimo curto, o que libera de modo explosivo toda a energia armazenada no material fissionável, urânio ou plutônio, consumindo-se todo ele de uma vez.

Nos reatores nucleares, a libertação da energia faz-se com velocidades que podem ser modificadas pela intervenção de elementos reguladores. As maiores velocidades de reação desprendem energia à razão de 30.000 quilowatts (reator de Brookhaven, Long Island, EUA), o que corresponde ao consumo de 36,2 g de U-235 por dia, ou 13,2 Kg/ano.

30 toneladas de combustível gera 900 Kg de lixo

Os reatores nucleares, que são baseados nos processos de fissão, podem ser classificados segundo diversos critérios, tais como, por exemplo: o espectro predominante de energia cinética dos nêutrons que provocam as fissões (reatores térmicos ou reatores rápidos); de acordo com o meio utilizado como arrefecedor (reatores refrigerados a água leve, água pesada, a gás ou metais líquidos); ou de acordo com o propósito ou função do reator. Neste último caso, a Comissão de Energia Atômica dos Estados Unidos classifica os reatores em três categorias:

1° - reatores de pesquisa e desenvolvimento – baixas potências; para produção de radioisótopos.

2° - reatores de produção – aproveitamento de materiais férteis (U-238 e Th-232)

3° - reatores de potência – fonte de energia

Tipos: Reatores PWR e BWR (reator nuclear térmico)

Reatores regeneradores

Reator nuclear

1. Combustível: Isótopo fissionável e/ou fértil ( aquele que pode ser convertido em fissionável por ativação neutrônica ): Urânio-235, Urânio-238, Plutônio-239, Tório-232, ou misturas destes ( o combustível típico atualmente é o MOX, mistura de óxidos de urânio e plutônio ).

2. Moderador: Água, água pesada, hélio, grafite, sódio metálico: Cumprem a função de reduzir a velocidade dos neutrons produzidos na fissão, para que possam atingir outros átomos fissionáveis mantendo a reação.

3. Refrigerante: Água, água pesada, anídrido carbônico, hélio, sódio metálico: Conduzem o calor produzido durante o processo até a turbina geradora de eletricidade ou ao propulsor.

4. Refletor: Água, água pesada, grafite, urânio: Reduz o escapamento de neutros aumentando a eficiência do reator.

5. Blindagem: Concreto, chumbo, aço, água: Evita o escapamento de radiação gama e neutrons rápidos.

6. Material de controle: Cádmio ou Boro: Finalizam a reação em cadeia, pois são ótimos absorventes de neutrons. Geralmente são usados na forma de barras { de aço borado, por exemplo ) ou bem dissolvido no refrigerante.

7. Elementos de Segurança: Todas as centrais nucleares de fissão apresentam múltiplos sistemas de segurança. Os ativos que respondem a sinais elétricos e os passivos que atuam de forma natural como a gravidade, por exemplo. A contenção de concreto que rodeia os reatores é o principal sistema de segurança, evitando que não ocorra vazamento de radiação ao exterior.

Atualmente existem vários tipos de reatores nucleares de fissão: LWR - Light Water Reactors: Utilizam como refrigerante e moderador a água e como combustível o urânio enriquecido. Os mais utilizados são os BWR ( Boiling Water Reactor ou Reator de Àgua em Ebulição ) e os PWR ( Pressure Water Reactor ou Reatores de Àgua a Pressão ), estes últimos considerados atualmente como padrão. Em 2001 existiam 345 em funcionamento. CANDU - Canada Deuterium Uranium: Utilizam como moderador água pesada ( composta por dois átomos de deutério e um átomo de oxigênio ) e como refrigerante água comum. Como combustível usam urânio comum. Existiam 34 em operação em 2001. FBR - Fast Breeder Reactors: Utilizam neutrons rápidos no lugar de térmicos para o processo da fissão. Como combustível utilizam plutônio e como refrigerante sódio líquido. Este reator não necessita de moderador. Apenas 4 em operação em 2001. HTGR - High Temperature Gas-cooled Reactor: Usa uma mistura de tório e urânio como combustível. Como refrigerante utiliza o hélio e como moderador grafite. 34 em funcionamento em 2001. RBMK - Reactor Bolshoy Moshchnosty Kanalny: Sua principal função é a produção de plutônio, e como subproduto gera eletricidade. Utiliza grafite como moderador , água como refrigerante e urânio enriquecido como combustível. Pode recarregar-se durante o funcionamento. Apresenta um coeficiente de reatividade positivo. 14 em funcionamento em 2001. ADS - Accelerator Driven System: Utiliza uma massa subcrítica de tório. A fissão é produzida pela introdução no reator de partículas neutrons através de um acelerador de partículas. Ainda se encontra em fase de experimentação, e uma de suas funções fundamentais será a eliminação de resíduos nucleares produzidos em outros reatores de fissão.

Angra III Angra III ainda é um buraco escavado na rocha a 200 m de Angra II, mas 43% de seus equipamentos já foram comprados e estão guardados em 24 galpões na Central Nuclear e em Itaguaí, na NUCLEP. São cerca de 10 mil t de equipamentos comprados da Alemanha, que chegaram ao Brasil a partir de 1986. O atraso do projeto impôs uma série de desafios. Uma Comissão Parlamentar de Inquérito e um interminável confronto entre os a favor e os contra, ficamos conhecidos na comunidade nuclear internacional como exímios armazenadores de US$ 750 milhões. Tanto que Cuba solicitou ajuda para cuidar do que sobrou de sua Central Nuclear de Juragua em Cienfuegos, interrompida pelo esfacelamento do parceiro, a União Soviética. A solução encontrada foi criar uma embalagem especial, que evitasse a entrada de ar e protegesse os equipamentos da corrosão. Cada equipamento foi embalado em uma capa de alumínio hermeticamente fechada por costura eletrônica. Dentro da embalagem, foram

colocados absorventes de umidade. Cerca de 50 operários a cada dois anos, os pacotes são abertos e de novo, embalados. A manutenção das peças já levou mais cerca de R$ 900 milhões em 18 anos, ou R$ 50 milhões por ano. Contrataram-se os serviços de consultoria de uma empresa espanhola em 1998, com objetivo de realizar uma auditoria sobre as obras da usina nuclear de Angra III, que já consumiram US$ 1,4 bilhão. O Governo reavaliará aqueles cálculos feitos antes da desvalorização cambial de 1999 e segundo o resultado obtido na visita do presidente da República à Alemanha em out. de 2000 se decidirá pelo futuro da nova unidade. Com o fechamento das usinas alemãs em 20 anos, a empresa alemã não incentiva novos projetos, comprometendo o suporte financeiro e deixando o Governo brasileiro com um abacaxi na mão. Apesar da resistência do Partido Verde alemão, o Acordo Nuclear Brasil - Alemanha foi renovado (2000) pelos dois países. Ele é confirmado a cada 5 anos, se ambas as partes quiserem Por sua vez, a empresa Siemens começou a alinhavar sua fusão com a francesa FRAMATOME e não haveria problema ético em ajudar o Brasil. A empresa comprou em 2000 a KWU, em nota oficial, informou estar pronta a retomar o projeto de Angra III, agora que se tornou responsável pelo cumprimento dos acordos de cooperação nuclear entre o Brasil e a Alemanha, com vigência até 2005. Pela análise realizada pela EdF, pelo Centro de Pesquisa de Energia Elétrica (CEPEL) e pela Iberdrola, a usina de Angra III teria uma vida útil de 40 anos e o empreendimento seriapago em 10 anos. Se o governo autorizar, Angra III poderá ser construída em cinco anos e meio. Em julho de 1999 foi publicado na imprensa que a unidade III é viável ao custo de mais US$ 1,7 bilhão. Caso se opte por não construir e montar Angra III, a venda de seus equipamentos no mercado atingiria somente US$ 60 milhões. Num seminário na FIRJAN em 01/2001, o presidente Firmino Sampaio da ELETROBRÁS/ELETRONUCLEAR informou que o estudo de avaliação será passado para a área econômica do governo e submetido ao Congresso Nacional. Cada consumidor de eletricidade das regiões Sul e Sudeste do País tem contribuído com 0,3% do valor de suas contas mensais de luz desde 07/2003 para cobrir o déficit da ELETRONUCLEAR, só para manter as usinas, são torrados cerca de R$ 1 milhão por dia dos cofres públicos. Em 2003 com a entrada do PT ao Governo, subiram também os críticos do passado, como o prof. Pinguelli Rosa, responsável pelo conteúdo programático e levado à presidência da ELETROBRÁS. Com tantos contratos assinados envolvendo empresas e governos o mais simples a decidir é pagar a conta da megalomania e encerrar o caso com mais 1.300 MW. Se Angra III for concluída, com as 3 unidades terão sido gastos 14 bilhões de dólares, o mesmo que Itaipu, apenas com 1/3 daquela energia. O físico Luiz Pinguelli diz que um grave problema é a receita da ELETRONUCLEAR, que teve um prejuízo de R$ 400 milhões em 2004. — Como construir Angra III, se a ELETRONUCLEAR não tem recursos para pagar as outras duas? — pergunta Pinguelli, ressaltando que a participação de recursos privados é fundamental para a obra.

A obra geraria 5 mil empregos diretos e 15 mil indiretos. Edson Kuramoto, diretor da Associação Brasileira de Energia Nuclear (ABEN) acrescenta que já há no local subestação e linhas de transmissão. O deputado estadual Carlos Minc (PT-RJ), que é contra a construção de Angra III, diz que 70% dos equipamentos armazenados podem ser aproveitados em termelétricas movidas a gás, dado contestado por outros especialistas. Minc alerta que não há um plano de escoamento na região elembra que em 18 anos houve 34 pequenos e médios acidentes e incidentes em Angra I, como vazamento de água e defeito no gerador de vapor. O financiamento terá que ser externo e já há instituições financeiras da França interessadas. O BNDES também deve participar, como avalista da ELETROBRÁS, responsável pelas obras. A usina ficaria pronta de cinco anos e meio a seis anos depois. Foi publicado que o Brasil prepara a reforma de seu programa nuclear com a adição de mais 4 usinas, além de Angra III, 2 para 2010 e outras em 2016. Seriam unidades de 300 MW com custo de US$ 2,8 bilhões a serem construídas em Manaus e no Nordeste com tecnologia nacional, com o fim de abastecimento de energia e filtragem de água salobra. Também está previsto a construção de unidades de 40 MW a 60 MW. Aumento da produção de rádio-fármacos e irradiação de alimentos para exportação.

Exercícios

1 – De quais partículas elementares um átomo é composto?

2 – Definir a atividade de um radionuclídio?

3 – Como se determina a meia-vida de um radionuclídio?

4 – Quantos átomos decaem em 1g de 239Pu(t1/2 = 24.000 anos) e em 1g de 3H(t1/2 = 12,4

anos) por minuto?

5 – Como serão influenciadas num campo elétrico as partículas α, β-, β+ e a radiação γ?

6 – Quais as diferenças entre os raios γ e os raios X?

7 – Compare o alcance das radiações α, β-e γ?

8 - Sabendo-se que o 14C é produzido na atmosfera elevada por reações nucleares

ocasionadas pelos raios cósmicos e que a razão de 14C/12C = 1.3 10-12, Calcule a taxa de

decaimento de um fóssil que possui 500g de carbono e que apresenta uma idade de

aproximadamente 6.000 anos. T1/2 carbono14= 5.730anos.

9 - Faça uma comparação entre uma reação química e uma nuclear.