ACÇÃO DA RADIAÇÃO. Transformações radioactivas Decaimento radioactivo

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1 ACÇÃO DA RADIAÇÃO M Filomena Botelho Transformações radioactivas Decaimento radioactivo Becquerel Saint Victor películas fotográficas ficavam impressionadas quando expostas a sais de urânio, mesmo protegidas por papel preto Marie Curie impressão devia-se a radiação penetrante com origem no urânio, polónio e rádio Rutherford urânio emite 2 tipos de radiação: alfa (α) e beta (β) Marie Curie descobre terceiro tipo de radiação: gama (γ) 1

2 Transformações radioactivas São vários os tipos de decaimento radioactico, podendo a transformação de um radionuclídeo, até ser atingido o estado estável, envolver mais do que uma transformação ou processo de decaimento ESQUEMAS DE DECAIMENTO M Filomena Botelho 2

3 Esquemas de decaimento Os processos de decaimento radioactivo, podem ser descritos usando esquemas de decaimento, os quais representam de uma maneira detalhada como um: - radionuclídeo-pai se transforma num outro radionuclídeo-filho Forma comum de apresentação Radionuclídeo-pai Z Diminui Permanece Aumenta Radionuclídeo-filho Quando Z diminui Emissão de uma partícula positiva Quando Z permanece Emissão de radiação γ Quando Z aumenta Emissão de uma partícula negativa 3

4 Também pode ser descrito usando as equações nucleares, que têm como forma geral A A' Z X Z' Y ω Q Radionuclídeo-pai número de massa A número atómico Z Tipo de radiação emitida pode ser mais do que uma Energia total libertada na transformação nuclear Radionuclídeo-filho número de massa A número atómico Z PROCESSOS DE DECAIMENTO (Transformações Radioactivas) M Filomena Botelho 4

5 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Nenhum átomo pode emitir os três tipos de radiação. Poderá ocorrer: - emissão α - emissão β - emissão α γ - emissão β γ A emissão γ é sempre posterior a uma emissão cropuscular O decaimento radioactivo foi inicialmente (1900) referido como uma característica que alguns elementos tinham, de: - perder as suas proprieades radioactivas de uma maneira constante, mas que variava de elemento para elemento 5

6 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Emissão α A equação geral que representa este decaimento é: Núcleo de 4 He ejectado do núcleo A A-4 4 Z X Z-2Y 2He Q Alguns núcleos pesados podem libertar simultaneamente 2 protões e 2 neutrões, isto é, 1 núcleo de hélio partícula α = núcleo de hélio U He Th U 4 2He Th Partícula α A energia da partícula α relaciona-se com o átomo que a origina 6

7 Radiação α Radiação cropuscular Partículas α Carga positiva Pouca deflexão quando sob acção de campos magnéticos Depois de submetidas a descargas eléctricas, comportam-se como hélio Verificou-se serem: núcleos de hélio (átomos de hélio sem electrões orbitais) 4 2 He Fraco poder de penetração São em geral detidas por uma simples folha de papel São emitidas com velocidade de cerca de 1/15 a 1/30 a velocidade da luz Características das partículas α Massa muito pesada Geralmente muito energéticas No ar atravessam alguns cm No tecido atravessam fracção do mm Ocorre principalmente em nuclídeos com Z>82 Do decaimento α pode resultar um nuclídeo-filho: - estado excitado -estável 7

8 Do decaimento α pode resultar um nuclídeo-filho: - estado excitado -estável A A-4 4 Z X Z-2Y 2He Q estado excitado O nuclídeo-filho tem que emitir radiação γ, para atingir um estado mais estável Q (energia resultante da desintegração α) corresponde à perda de massa e é igual a: - energia cinética da partícula α - energia de recuo do núcleo emissor - energia dos raios γ Estável Q = energia cinética da partícula α energia de recuo do núcleo Exemplo: α Ra Ra 86Rn He γ α Rn As partículas α emitidas por um dado radionuclídeo - ou têm todas a mesma energia - ou distribuem-se por um pequeno número de valores de energia podendo ou não ser acompanhas de emissão γ Se a energia total correspondente à desintegração for libertada sob a forma de energia cinética de 1 partícula α: não haverá libertação de radiação γ Se só é emitida parte da energia sob a forma de energia cinética da partícula α: o nuclídeo resultante fica num estado energético superior ao seu estado fundamental, sendo a energia de excitação libertada sob a forma de radiação γ 8

9 Por vezes há possibilidade de ocorrerem vários estados de excitação emissão de partículas α com várias energias, acompanhadas de emissão γ, de tal modo que em todos os processos a energia total é a mesma 5,728 MeV Bi γ α α α α α 5,709 MeV 5,729 MeV 5,873 MeV 0,492 MeV 6,161 MeV 0,472 6,201 MeV MeV 0,328 MeV γ γ γ 0,04 MeV Tl Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β - 2. Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna 9

10 Transformações isobáricas Processo de decaimento no qual os nuclídeos pai e filho são isóbaros Membros de uma família nuclear com: - mesmo número de massa A - diferente número de protões (Z) e de neutrões (N) Este tipo de transformações podem ocorrer de três maneiras: 1. emissão de β - 2. emissão de positrões β 3. captura electrónica Emissão β A reacção nuclear com emissão β - tem a seguinte forma: - antineutrino A A 0 Z X Z 1Y -1e ν Q partícula β = electrão de origem nuclear 14 6 C 14 7 N e - ν A partícula β e o antineutrino partilham energia 14 6C N e - espectro contínuo de energia 10

11 Radiação β Radiação cropuscular Partículas β Carga negativa Grande deflexão quando sob acção de campos magnéticos Quando actuadas por campos eléctricos, comportam-se como electrões de grande velocidade (electrões energéticos libertados por átomos radioactivos) Electrões altamente energéticosemitidos pelo núcleo com velocidade próxima da velocidade da luz Penetram alguns milímetros no alumínio Características das partículas β Electrões negativos Massa = 0, u.m.a. Velocidade próxima da velocidade da luz No ar penetram alguns cm No tecido atravessam alguns mm As emissões β ocorrem nos: - nuclídeos instáveis com relação N/Z grande (excesso de neutrões) 11

12 Estes radionuclídeos atingem a estabilidade pela conversão de 1 neutrão num protão com emissão de 1 partícula β : n 1p -1e ν Q Q igual à soma da energia correspondente ao espectro contínuo o valor máximo é igual à energia de ligação A partícula β e o antineutrino partilham energia espectro contínuo de energia Desde 0 até um valor máximo (E max ) A energia β média é aproximadamente igual a: - 1/3 da energia máxima Para explicar o espectro contínuo de energia, Pauli e Fermi, postularam e existência de uma nova partícula, o: - anti-neutrino ( ν ) cuja existência foi provada experimentalmente Nº part. Β Anti-neutrino - ν partícula Sem massa Sem carga E Anti-partícula da partícula β - Transporta o excesso de energia de cada processo de decaimento β - Possui quantidade de movimento e energia, quando emitido E max = E β E ν E E max 12

13 Nº part. β Anti-neutrino - ν partícula Sem massa Sem carga Anti-partícula da partícula β - E Transporta o excesso de energia de cada processo de decaimento β - Possui quantidade de movimento e energia, quando emitido E max = E β E ν E E max A soma das energias da -partícula β - - anti-neutrino ν dão um valor constante, qualquer que seja a energia da partícula β (quando a partícula β for igual a zero, o anti-neutrino terá a energia máxima E igual a E max ) Exemplo A transformação do fósforo ( 32 P) em enxofre ( 32 S) P = S e ν 1,71 MeV 32 15P β S Entre o nuclídeo do P e do S existe uma diferença de energia de: 1,71 MeV Esta energia corresponde à: - energia cinética máxima (E max ) da partícula β 13

14 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Decaimento por emissão de positões β Ocorre em nuclídeos instáveis que tenham uma: - relação N/Z muito baixa por uma de duas maneiras: - excesso de protões (Z) - deficiência de neutrões (N) neutrino A reacção nuclear com emissão β tem a seguinte forma: A A 0 Z X Z 1Y 1e ν Q positrão 14

15 Características das partículas β Electrões positivos Outras características são semelhantes às β - Massa = 0, u.m.a. Velocidade próxima da velocidade da luz No ar penetram alguns cm No tecido atravessam alguns mm As emissões β ocorrem nos: - nuclídeos instáveis com relação N/Z pequena (excesso de protrões) - atingem a estabilidade, pela conversão de um protão num neutrão com emissão de uma partícula β p 0n 1e ν Q p 0n 1e ν Q 15

16 p 0n 1e ν Q Esta reacção parece impossível, pois a: - massa do positrão, e a do neutrão é maior do que a massa do protão A sua ocorrência sugere que os outros nucleões devem fornecer a energia necessária Também neste tipo de decaimento neutrino A partícula β e o neutrino partilham energia 15 8 O 15 7 N e ν espectro contínuo de energia 15 8O 15 7N e - O excesso de energia entre a energia esperada (E max ) e a observada em cada processo de decaimento isolado, é transportado pelo neutrino antipartícula do positrão 16

17 Nº part. β Nas partículas β, devido ao facto da: - interacção coulombiana por parte do núcleo ser repulsiva, ao dar-se a emissão, o valor do pico de energia é mais próximo da E max E E E max Após serem emitidos, os positrões perdem progressivamente a sua energia cinética, entrando em colisão com um electrão do meio, e sofrendo uma: reacção de aniquilação a massa das duas partículas se converte em energia, libertando-se: 2 fótões de igual energia 511 kev em sentidos opostos formando entre si um ângulo de 180º Positrão Electrão O N β ν Nesta reacção, entre o nuclídeo-pai e o nuclídeo-filho existe uma diferença de energia de pelo menos: - 1,022 MeV A energia em excesso entre os 2 estados de energia é dividia entre o: - positrão -neutrino 17

18 Também neste processo de decaimento, o nuclídeo-filho pode ficar num estado excitado, emitindo radiação γ para atingir o estado de repouso exemplo O 7 N 1 e 0 0ν 2,722 MeV 15 8O 0 1,7200 γ β 15 7N Emissores β puros Este tipo de desintegração é relativamente raro Nos emissores β puros, toda energia resultante da perda de massa durante a desintegração é transferida para -partícula β -neutrino ν / antineutrino ν sob a forma de energia cinética, atingindo o nuclídeo-filho o estado fundamental após a emissão da partícula β (Não há emissão de radiação γ) 14 6C 11 6C 0,155 MeV β 0,96 MeV β 14 7N Carbono-14 Azoto B Carbono-11 Boro-11 18

19 ... Mas geralmente: Partícula β Neutrino ν transportam uma energia total E max : inferior à energia disponível ficando o núcleo resultante com energia de excitação, a qual é libertada sob a forma de um -fótão γ - vários fótões em cascata Do mesmo modo que na desintegração α, a: radiação γ emitida consequente à desintegração β tem energias características para cada tipo de desintegração nuclear o processo de emissão β pode, em algumas transformações radioactivas, dar-se segundo vários esquemas Para cada esquema pode ocorrer com maior ou menor probabilidade, diferindo nas: E max energias γ... Contudo, cada esquema tem: - energia total igual (energia cinética da partícula β energia do fótão γ) β β 0,335 MeV β 0,250 MeV β I 0,6,08 MeV 0,809 MeV 0,163 MeV γ 0,248 MeV γ γ γ 0,364 MeV γ 0,657 MeV 0,6722 MeV γ Xe 19

20 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Conversão interna Decaimento por captura electrónica Ocorre em nuclídeos instáveis que tenham uma: - relação N/Z muito baixa Raio-X Transformação de um protão num neutrão Raio-X 20

21 Raio-X Raio-X Características da captura electrónica Processo de decaimento nuclear O núcleo captura um dos electrões orbitais O electrão capturado pertence a maior parte das vezes à camada K (90%) Captura K ( 10% camada L, 1% camada M) Raio-X Características da captura electrónica Raio-X Processo de decaimento nuclear O núcleo captura um dos electrões orbitais O electrão capturado pertence a maior parte das vezes à camada K (90%) Captura K ( 10% camada L, 1% camada M) A equação nuclear geral da captura electrónica é: A 0 A Z X 1e Z-1Y ν Q 21

22 Raio-X Raio-X A equação nuclear geral da captura electrónica é: A 0 A Z X 1e Z-1Y ν Q A captura electrónica e a emissão de positrões são processos de decaimento que competem, em certos radionuclídos O nuclídeo resultante produzido por captura de electrão é igual ao que resulta do decaimento por emissão de positrões Raio-X Raio-X A captura electrónica pode ser pensada como o inverso do decaimento β ocorre a união de um electrão com um protão para formar um neutrão, com exceso de energia que é transportada por um neutrino 0 1 p e n ν Q n p β - antineutrino 22

23 O processo de captação electrónica pode fazer com que o núcleo fique num estado excitado, sendo o excesso de energia libertado sob a forma de: -fótão γ Quando o núcleo captura um electrão orbital da camada K (L ou M) o átomo fica num estado excitado porque se origina um espaço vago numa das camadas electrónicas mais próximas do núcleo (K, L ou M) Este espaço vazio vai ser preenchido por um: electrão proveniente de uma camada electrónica mais externa, do que resulta: emissão de raios-x característicos ou emissão de electrões auger Característicos do núcleo resultante O electrão orbital mais periférico que vai preencher o estado vazio criado pela captura electrónica por parte do núcleo, vai por sua vez deixar novo espaço vazio, o qual poderá ser preechido de modo análogo ao 1º: o rearranjo das camadas electrónicas pode originar a emissão de vários fótões, em cascata Raio-X Raio-X A detecção de raios-x característicos é o primeiro mecanismo para detectar o processo de decaimento por captura electrónica 23

24 As radiações electromagnéticas - X - γ possuem características idênticas... Mas: -os raios-x têm origem em transições electrónicas orbitais -a radiação γ têm origem nuclear Exemplos: 0,177 MeV CE I 0,055 MeV 0 MeV γ Te (Telúrio) 0,320 MeV 0 MeV γ CE 10% 51 23V CE 90% 51 24Cr (Vanádio) (Crómio) Outro exemplo: 4,117 MeV 10% CE β 22[ Ne] 10 γ 1,275 MeV 22 0 MeV 10Ne (Neon) 22 11Na 90% Na -1e (K) 10Ne ν γ A radiação γ é mantida na equação porque o nuclídeo resultante fica em estado excitado, voltando ao estado fundamental após emissão de radiação γ 24

25 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna Radiação γ Radiação electromagnética Raios-X, ultra-violeta, luz visível Comprimento de onda menor do que os raios-x, ultra-violeta e luz visível Mais energéticos do que os raios-x, ultra-violeta e luz visível Têm a velocidade da luz Altamente penetrante podem penetrar vários cm no Pb λ = c f E = h c λ E = h f λ = comprimento de onda (Hz) f = frequência d emissão c = velocidade da luz h = constante de Planck = 6,625 x J.s A radiação γ aparece muitas vezes após a emissão α ou β (resulta da libertação de um possível excesso de energia do núcleo após desintegração a emissão de radiação gama sugere ser um mecanismo pelo qual um núcelo regressa do seu estado excitado para o estado de repouso) 25

26 Transformações isoméricas Processo de decaimento no qual os nuclídeos pai e filho são isómeros ou seja: - mesmo número de massa A - mesmo número de protões (Z) mas com níveis energétios diferentes Este tipo de transformações podem ocorrer de três maneiras: 1. estados excitados 2. estados metaestáveis 3. estados de conversão interna Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna 26

27 Estados excitados Por vezes, o nuclídeo resultante fica num: - estado excitado ou seja, tem um estado energético superior ao compatível com o seu número de: -protões -neutrões Estes nuclídeos passam ao seu estado energético normal, libertando energia sob a forma de: - radiação γ Muitas vezes, a passagem pelo estado excitado é praticamente instantânea, com tempo de duração muito curto: - entre 10-9 e s A reacção nuclear de um estado excitado: A' [ Y] A' ω Q Y ω γ Q A Z X Z' Z' Como os estados excitados têm duração muito curta, não se obtém a porção média da equação 27

28 Exemplo: Decaimento do 60 Co para o 60 Ni: Co Ni β ν γ 1 γ 2 O 60 Co decai para um: - estado excitado do 60 Ni, por decaimento β 3,99 MeV 60 27Co (Cobalto) β 2,5 MeV 1,33 MeV 0 MeV γ 1 γ 2 [ ] 60 Ni Ni (Niquel) O Ni passa imediatamente do estado excitado para o estado fundamental através da emissão de: 2 raios γ A emissão γ consecutiva a este processo de decaimento, pode ser: - muito simples raios γ de uma só energia - muito complicada raios γ de diversas energias Exemplo: - O 206 Bi tem 74 emissões γ diferentes no seu processo de decaimento - em cascata (um após o outro) 60 27Co β [ ] γ 1 γ Ni 60 28Ni - em paralelo (lado a lado) β β β β γ γ γ γ γ γ I Xe 28

29 Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna Estados metastáveis Quando o estado excitado do núcleo, existe durante tempo suficiente, de tal modo que é possível medi-lo (>10-12 seg) chama-se: - estado isomérico ou estado metastável O estado excitado e o estado fundamental do núcleo filho são: isómeros pois têm o: -mesmo A -mesmo Z - só diferindo nos estados de energia 29

30 A reacção nuclear geral deste processo de decaimento por estado metastável: A A'm Z X Z' Y ω Q A' Z' Y Z' Y A'm γ m acrescenta-se um m ao número de massa do núcleo com estado excitado, indicando um estado metastável ocm tempo de duração mensurável Os estados metastáveis quando transitam para o estado fundamental, emitem: - radiação γ Exemplo: Decaimento do 137 Cs para o 137 Ba através do estado 137m Ba : 137m 55 Cs 56Ba β ν Ba 56Ba 137m γ 1,176 MeV Cs (Césio) β 1 0,662 MeV 0 MeV β 2 γ 137m 56Ba T½ = 2,5 min Ba 30

31 Exemplo: T½ = 106 min 113m 49In γ 0,390 kev In (Índio) Mo (Molibdénio) β 6 h 98,6 % 2 kev 140 kev 142 kev 99m 43Tc 1,4 % 99 43Tc (Tecnécio) β 2 x 10 5 anos 99 44Ru (Ruténio) Tipos de processos radioactivos A. Emissão α B. Transformações isobáricas 1. Emissão β Emissão de positrões β 3. Captura electrónica C. Transformações isoméricas 1. Estados excitados 2. Estados metaestátveis 3. Estados de conversão interna 31

32 Conversão interna Muitos nuclídeos quando passam de um estado excitado para o estado fundamental, emitem: - radiação γ O processo de decaimento por conversão interna, ocorre primeiramente nos: estados metastáveis é um processo nuclear, no qual as modificações do estado de energia, se fazem por: - transferência de energia do núcleo para electrões orbitais das camadas mais internas, os quais são posteriormente ejectadas para o exterior do átomo Este processo pode ser considerado como se a radiação γ que parte do núcleo fosse absorvida internamente por um electrão O electrão de conversão deixa o átomo com uma: - energia cinética igual à energia da radiação γ menos a energia de ligação do electrão à sua camada E c = ( E E ) El i f Este processo deixa o átomo num estado excitado porque se cria um lugar vago, e o átomo perda energia através da saída do electrão da camada mais externa, para ocupar o lugar vago Este processo é acompanhado da emissão de: - Rx característico -electrão auger 32

33 A possibilidade de ocorrência de um decaimento - por conversão interna ou - por emissão γ é uma questão de probabilidade, havendo necessidade de se definir uma característica: o coeficiente de conversão interna coeficiente de conversão interna - a É definido para todos os radionuclíde que decaiam por 2 processos, e é igual à: relação entre os electrões de conversão emitidos e os raios-γ também emitidos Geralmente é definido para cada camada com a maior probabilidade Para a camada K a k = e γ Exemplo: Podemos agora melhorar o esquema de decaimento do - 137m Ba 137 Ba porque aqui a conversão interna compete com a emissão γ 1,176 MeV Cs (Césio) β 1 0,662 MeV β 2 137m 56Ba T½ = 2,5 min 0 MeV γ e Ba 33

34 O espectro electromagnético Comprimento de onda da radiação em Angstrom Rádio Infravermelho V i s í v e l Ultra-Violeta Raios-X Raios gama Raios Cósmicos Energia do fótão em milhões de ev (MeV) Rutherford alguns átomos radioactivos se desintegravam, dando origem a outros observou que um núcleo de urânio, quando emitia uma: - partícula α dava origem a um núcleo de tório U 90Th He 34

35 238 U 234 Th (emissão-α) 234 Th 234 Pa e 234 U (emissão-β) 234 U 230 Th 226 Ra 222 Rn 218 Po 214 Pb (várias emissões-α) 214 Pb 214 Bi 214 Po (emissão-β) 214 Po 210 Pb (emissão-α) 210 Pb 210 Bi 210 Po (emissão-β) 210 Po 206 Pb (emissão-α) Quando ocorre um processo de decaimento por emissão de uma partícula α (decaimento α) ocorre: - transmutação de um elemento noutro 35

36 também pode ocorrer por decaimento β (decaimento por emissão de uma partícula β) Não podem ocorrer transmutações por: decaimento por emissão de radiação γ nem por meio de reacções químicas O decaimento radioactivo é um: processo nuclear, espontâneo e ao acaso, através do qual, um núcleo-pai instável se transforma noutro núcleo-filho mais estável, através de emissão de : - partículas e/ou -raios gama As emissões radioativas, são igualmente acompanhadas de: - libertação de energia O processo do decaimento radioactivo, não é afectado por alterações da: (decaimento α) ocorre: - temperatura - pressão - combinações químicas Radionuclídeo átomo radioactivo instável 36

37 Factores que determinam a estabilidade nulcear Os principais factores que determinam a estabilidade nuclear, são: relação N/Z favorável - próximo da linha de estabilidade emparelhamento de nucleões grande energia de ligação por nucleão Quanto maior a variação destes factores, mais instável tende a ser o nuclídeo DECAIMENTO RADIOACTIVO M Filomena Botelho 37

38 A compreensão dos processos de desintegração radioactiva, com emissão de radiação e/ou de partículas, objectiva-se melhor no gráfico neutrões-protões Zona de estabilidade Possíveis combinações entre o número de protões e de neutrões que originam núcleos estáveis Diferentes tipos de situações estão na base da instabilidade Nuclídeo X Nuclídeos com excesso de neutrões Nuclídeo X Nuclídeos com excesso de protões e neutrões Nuclídeo X Nuclídeos com excesso de protões 38

39 Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões Para que este nuclídeo atinja a zona de estabilidade vai ter que sofrer transformações Um dos neutrões em excesso, pode transformar-se em: um protão com emissão de uma partícula β - X n p β Como será o nuclídeo resultante? Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões O nuclídeo resultante (Y) terá: mesmo número de massa aumento do número atómico de 1 unidade n p β A Z X Z A 1Y 0 1 β o número de protões aumentará de 1 unidade O nuclídeo X transforma-se no nuclídeo Y, mais próximo dos núcleos estáveis Em esquema: X N β Y Z Z1 Z 39

40 Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões A Z X Z A 1Y 0 1 β Se o nuclídeo Y após desintegração, ficar com excesso de energia, esta energia que constitui energia de excitação, é libertada na forma de -1 -vários fótões Em alguns nuclídeos, é necessário verificar-se mais do que um decaimento β, para que se atinja a zona da estabilidade Nuclídeos instáveis por excesso de protões Um dos protões em excesso, pode transformar-se em: um neutrão com emissão de uma partícula β (positrão) p 0n 0 1 β X Como será o nuclídeo resultante? 40

41 Nuclídeos instáveis por excesso de protões O nuclídeo resultante (Y ) terá: mesmo número de massa diminuição do número atómico de 1 unidade p 0n 0 1 β A A Z X' Z 1Y' 0 1 β o número de protões diminuirá de 1 unidade O nuclídeo X transforma-se no nuclídeo Y, mais próximo dos núcleos estáveis Em esquema: X N β Y Z-1 Z Z Nuclídeos instáveis por excesso de protões A A Z X' Z 1Y' 0 1 β Os positrões não são estáveis como os electrões tempo médio de vida curto ( seg) 0.51 MeV aniquilação Após emissão, a sua velocidade é reduzida por acções electrostáticas (no meio de percorrem) sofrendo um: processo de aniquilação por se combinarem com um electrão negativo do meio β β 0.51 MeV 41

42 Aniquilação dos positrões Os positrões ao serem desacelerados, se encontrarem um electrão orbital dos átomos do meio, formam com ele um sistema positrónio que rapidamente se transforma em: 2 fótões, de igual energia, e que são emitidos em direcções opostas (0,511 MeV) γ 0 β 1 0,511 MeV 0,511 MeV 0 e 1 γ A energia correspondente à massa do electrão é, pela equação de Einstein: E = m c 2 = 9,108 x (3 x ) 2 1 MeV 1,6 x 10-6 E = 0,511 MeV Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões e protões Um excesso de neutrões e de protões origina a emissão de uma: partícula α X Como será o nuclídeo resultante? 42

43 Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões e protões O nuclídeo resultante (Y ) terá: número de massa reduzido de 4 unidades número atómico reduzido de 1 unidades A Z X' ' Y'' A-4 Z 2 4 2α O nuclídeo X transforma-se no nuclídeo Y, mais próximo dos núcleos estáveis Em esquema: X α N Y Z-2 Z Z Nuclídeos instáveis por excesso de neutrões e protões Decaimento do 238 U A Z X' ' Y'' A-4 Z 2 4 2α Nuclídeos com Z > 82 são instáveis Encontrando-se na natureza: porque alguns dos seus isótopos se desintegram muito lentamente porque pertencem a famílias radioactivas cujo primeiro membro tem uma vida muito longa (10 8 ou anos) 43

44 Recordando... Energia de ligação por nucleão: menor nos nuclídeos mais pesados atinge ±7,5 kev valor máximo para A = 56 E = 8,8 kev Quando um nuclídeo pesado, emite uma partícula α, tranformase noutro mais leve, donde resulta que o nuclídeo filho possui: - maior energia de ligação Como: 4 1 partícula α conrresponde a un núcleo de hélio 2 He Vamos fazer contas... A energia de ligação do núcleo de hélio 28 MeV A energia de ligação por nucleão do hélio 7 MeV Ou seja: Para que ocorra uma emissão α a: massa do radionuclídeo-pai X tem que ser superior à soma das massas da partícula α do nuclídeo-filho Y 44

45 exemplo: Po 82Pb He Voltemos às contas He Po Pb = = = 210, ,0386 4,00388 u.m.a. u.m.a. u.m.a. 210, ,00702 u.m.a. Ou seja: A diferença de massa é de: ± 0,007 u.m.a. A que correspondem 6,5 MeV Libertação de energia Porque há libertação de energia? 45

46 exemplo: Po 82Pb He Voltemos às contas He Po Pb = 210,0495 = 206,0386 = 4,00388 u.m.a. u.m.a. u.m.a. 210, ,00702 u.m.a. Porque a soma das energias de ligação da partícula α núcleo resultante é menor do que a energia de ligação do núcleo emissor Reacções que ocorrem com libertação de energia Reacções exergónicas Reacções que necessitam defornecimento de energia Reacções endergónicas 46

47 Reacções que ocorrem com libertação de energia Reacções exergónicas Reacções que necessitam de fornecimento de energia Não podem ocorrer espontaneamente Reacções endergónicas Exemplo: 2 - emissão de um núcleo de deutério ( ) por parte de núcleos pesados, pois 1H 2 a energia de ligação do núcleo H é muito pequena (± 2 MeV) a soma da massa do núcleo de com a do núcleo resultante é maior do 1H que a massa do núcleo emissor 47