3. Introdução à Radioatividade
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- Eliana Maranhão Zagalo
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1 3. Introdução à Radioatividade Eliezer de Moura Cardoso et all, Apostila Educativa RADIOATIVIDADE, CNEN. Luiz Tauhata et all, Apostila Fundamentos de Radioproteção e Dosimetria, CNEN. O termo Radioatividade foi proposto por Marie Curie e Antoine Becquerel após seus estudos com os materiais aos quais ela observou emitirem raios que sensibilizavam filmes fotográficos e outros corpos próximos. Radioatividade: significa ativado por uma radiação penetrante que preenche todo o espaço, e todo material que possui estas características foram chamados radioelementos ou radioativos. Marie Skłodowska Curie (7 de Novembro de 1867, Varsóvia, Polônia, Império Russo 4 de Julho de 1934, Passy, França). -> foi uma cientista francesa de origem polaca, com posterior cidadania francesa. -> Nasceu Maria Sklodowska, em Varsóvia, e após o casamento com Pierre Curie mudou para de nome para Marie Sklodowska Curie. -> Ela foi a primeira mulher a ganhar o Prêmio Nobel de Física e a primeira a ganhar dois Prêmios Nobel em duas áreas da ciência Física e Química. [Cristóvão R M Rincoski] p. 56
2 O Prêmio Nobel de Física, juntamente com Pierre Curie e Antoine Henri Becquerel (seu orientador de doutorado): "em reconhecimento pelos extraordinários serviços obtidos em suas investigações conjuntas sobre os fenômenos da radiação, descoberta por Henri Becquerel". O Prêmio Nobel de Química: "em reconhecimento pelos seus serviços para o avanço da química, pelo descobrimento dos elementos rádio e polônio, o isolamento do rádio e o estudo da natureza dos compostos deste elemento". Pierre Curie (15 de maio de 1859, Paris 19 de abril de 1906, Paris, França). -> foi um físico francês. -> Pioneiro no estudo da cristalografia, magnetismo, piezeletricidade e radioatividade. [Cristóvão R M Rincoski] p. 57
3 Antoine Henri Becquerel (15 de dezembro de 1852, Paris, França 25 de Agosto de 1908, Le Croisic, Bretanha). -> foi um físico francês. -> No ano de 1895 Antoine Becquerel descobriu acidentalmente uma nova propriedade da matéria que, posteriormente, denominou de radiatividade A Estrutura da Matéria e o Átomo Todas os elementos que compõe a natureza são feitos de átomos ou combinações destes. Isto é: Átomo: menor estrutura da matéria, que apresenta as propriedades de um elemento químico. Ernest Rutherford, no início do século XX, faz o experimento de bombardear uma folha de ouro e, a partir da análise dessa experiência, afirma que átomos fossem constituídos de uma nuvem difusa de elétrons carregados negativamente que circundavam, em órbitas elípticas, um núcleo atômico denso, pequeno e carregado positivamente [Cristóvão R M Rincoski] p. 58
4 Ernest Rutherford, 1 0 Barão Rutherford de Nelson, OM, FRS (30 de agosto de 1871, Brightwater, Nova Zelândia 19 de outubro de 1937, Cambridge, Inglaterra). (OM, Order of Merit is an order recognizing distinguished service in the armed forces, science, art, literature, or for the promotion of culture. Eligibility: all living citizens of the Commonwealth realms). -> foi um físico e químico neozelandês. -> É conhecido como o pai da física nuclear. A estrutura de um átomo é semelhante à do Sistema Solar, consistindo em um núcleo, onde fica concentrada a massa, como o Sol, e em partículas girando em seu redor, denominadas elétrons, equivalentes aos planetas. A comparação com o sistema solar, embora sirva para dar uma idéia visual da estrutura do átomo, destacando os grandes espaços vazios, não exprime a realidade. No sistema solar, os planetas se distribuem quase todos num mesmo plano de rotação ao redor do Sol. No átomo, os elétrons se distribuem em vários planos em torno do núcleo. Não é possível determinar simultaneamente a posição de um elétron e sua velocidade num dado instante. [Cristóvão R M Rincoski] p. 59
5 3.2. A Estrutura do Núcleo O núcleo do átomo é formado, basicamente, por partículas de carga positiva, chamadas prótons, e de partículas de mesmo tamanho mas sem carga, denominadas nêutrons. Número atômico (Z): é o número de prótons de um núcleo. O número de prótons identifica um elemento químico, comandando seu comportamento em relação aos outros elementos. [Cristóvão R M Rincoski] p. 60
6 Isótopos Isótopos: o número de nêutrons no núcleo pode ser variável, pois eles não têm carga elétrica. Com isso, um mesmo elemento químico pode ter massas diferentes. Átomos de um mesmo elemento químico com massas diferentes, então, são denominados isótopos. -> Exemplo 1) o Hidrogênio tem três isótopos, o hidrogênio, o deutério e o trítio -> Exemplo 2) o Urânio (Z = 92 prótons) possui três isótopos 1º) 234 U 142 nêutrons (abundância desprezível) 2º) 235 U 143 nêutrons (usado em reatores após ser enriquecido abundância 0,7%) 3º) 238 U 146 nêutrons (abundância 99,3%) [Cristóvão R M Rincoski] p. 61
7 3.3. Radioatividade Comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas. -> em 1899, Rutherford, concluiu que as emanações provenientes de substâncias radioativas acabava sendo constituída de pelo menos três tipos distintos de radiações: uma delas facilmente absorvida pela matéria, e a outra muito mais penetrante (sendo que ambas eram desviadas por campos magnéticos), uma terceira descoberta anos mais tarde ao contrário das anteriores, não sofria deflexão em campos magnéticos. -> Estas radiações ficaram conhecidas como: alfa, beta e gama (raios X e raios delta). Radiações: as radiações são produzidas por processos de ajustes que ocorrem no núcleo ou nas camadas eletrônicas, ou pela interação de outras radiações ou partículas com o núcleo ou com o átomo. [Cristóvão R M Rincoski] p. 62
8 Fernando Mecca, Minicurso de Radioproteção, INCA, Instituto Nacional do Câncer Radiação Alfa ou Partículas Alfa Partícula α: Um dos processos de estabilização de um núcleo com excesso de energia é o da emissão de um grupo partículas positivas, constituídas por dois prótons e dois nêutrons, e da energia a elas associada. [Cristóvão R M Rincoski] p. 63
9 Quando o número de prótons e nêutrons é elevado, o núcleo pode se tornar instável devido à repulsão eletrostática entre os prótons, que pode superar a força nuclear atrativa, de alcance restrito, da ordem do diâmetro nuclear. Em geral os núcleos que emitem alfa têm um número atômico elevado e, para alguns deles, a emissão pode ocorrer espontaneamente. Transformação do decaimento alfa (α ) A A Z X 4 4 Z 2Y + 2He + energia Exemplo) para o caso do plutônio Pu U + He 5, 2 MeV Como a maior parte das partículas α são emitidas com energia entre 3 e 7 MeV, a sua velocidade é da ordem de um décimo da velocidade da luz. Obs.: esta energia da partícula α chega a 11,65 MeV no 212 Po. [Cristóvão R M Rincoski] p. 64
10 Radiação Beta ou Partículas Beta Partícula β: Outra forma de estabilização, quando existe no núcleo um excesso de nêutrons em relação a prótons, é através da emissão de uma partícula negativa, um elétron, resultante da conversão de um nêutron em um próton é emitida uma partícula beta negativa. No caso de existir excesso de cargas positivas (prótons), é emitida uma partícula beta positiva, chamada pósitron, resultante da conversão de um próton em um nêutron. A radiação beta (β) é o termo usado para descrever elétrons e pósitrons de origem nuclear. Sua emissão constitui um processo comum em núcleos de massa pequena ou intermediária, que possuem excesso de nêutrons ou de prótons em relação à estrutura estável. [Cristóvão R M Rincoski] p. 65
11 O neutrino (ν ) e o anti-neutrino (ν ) A necessidade da conservação da energia (e de paridade) no sistema durante o processo de decaimento beta, levou Pauli à formulação da hipótese da existência de uma partícula, que dividiria com o elétron emitido, a distribuição de energia liberada pelo núcleo no processo de decaimento. A teoria foi posteriormente confirmada, sendo verificada a presença do neutrino ν na emissão β + e do antineutrino ν na emissão β. O neutrino: é uma partícula sem carga, de massa muito pequena em relação ao elétron, sendo por este motivo, de difícil detecção. Transformação do nêutron (β ) n 1p + 0e +ν A energia cinética resultante da diferença de energia entre o estado A A inicial do núcleo Z X e o estado do núcleo resultante Z + 1Y, é a distribuída entre o elétron e o anti-neutrino. Após o processo pode haver ainda excesso de energia, que é emitida na forma de radiação gama. Exemplo) I Xe + β + ν + energia 54 [Cristóvão R M Rincoski] p. 66
12 Transformação do próton (β + ) p 1n + 0e +ν A A O núcleo inicial X após transformação do próton resulta em Y. Z Z 1 Exemplo) F O + β + ν + energia 8 O pósitron tem as mesmas propriedades de interação que o elétron negativo, somente que após transferir sua energia cinética adicional ao meio material de interação, ele captura um elétron negativo, forma o positrônio, que posteriormente se aniquila gerando duas radiações gama de energia 0,511 MeV cada, emitidas em sentido contrários Radiação Gama Radiação γ: Geralmente, após a emissão de uma partícula alfa (α) ou beta (β), o núcleo resultante desse processo, ainda com excesso de energia, procura estabilizar-se, emitindo esse excesso em forma de onda eletromagnética, da mesma natureza da luz, provenientes do núcleo. [Cristóvão R M Rincoski] p. 67
13 Isto é, quando um núcleo decai por emissão de radiação alfa ou beta, geralmente o núcleo residual tem seus nucleons fora da configuração do equilíbrio, ou seja, estão alocados em estados excitados. Assim para atingir o estado fundamental, emitem a energia excedente sob a forma da radiação eletromagnética, denominada radiação gama (γ ). Energia da radiação gama E γ = Ei E f = h f Onde E γ é a energia da radiação gama emitida, E i é a energia inicial (estado excitado do núcleo), E f é a energia final (estado fundamental ou de menor energia do núcleo), h é a constante de Planck e f éa freqüência da radiação gama. Exemplo) No decaimento beta do 60 Co para o 60 Ni, temos três gamas emitidos referentes às transições: E γ1 = 2,50571 MeV 1,33250 MeV = 1,17321 MeV E γ2 = 1,33250 MeV 0 MeV = 1,33250 MeV E γ3 = 2,15880 MeV 0 MeV = 2,15880 MeV [Cristóvão R M Rincoski] p. 68
14 a) Raios X Raios X é a denominação dada à radiação eletromagnética de alta energia que tem origem na eletrosfera ou no freamento de partículas carregadas no campo eletromagnético do núcleo atômico ou dos elétrons. Existem dois tipos de raios X: -> Os raios X de freamento ( bremsstrahlung ), provenientes da interação de partículas carregadas com os núcleos dos átomos. -> Os raios X característicos, provenientes dos ajustes nas estruturas eletrônicas, no átomo. Raios X de freamento ou bremsstrahlung Esta radiação pode ser produzida quando um elétron, passa perto de um núcleo de um átomo alvo, sendo atraído na direção deste núcleo desviando-se de sua trajetória inicial. Este elétron, então, perde energia sendo que parte dela é sob forma de calor (99%) e parte sob forma de raios X (1%). [Cristóvão R M Rincoski] p. 69
15 Raios X característicos Os elétrons incidentes, podem também remover elétrons de camadas eletrônicas dos átomos alvo, deixando lacunas que são imediatamente preenchidas por elétrons de camadas mais externas. Acompanhando esse rearranjo, surge a emissão de raios X característicos. A energia dos raios X característicos corresponde à diferença entre as energias de ligação das camadas envolvidas no processo. [Cristóvão R M Rincoski] p. 70
16 É chamada de radiação característica, porque sua energia, depende do material que a produz (dos níveis de energia, que são característicos de cada elemento), sendo característica do mesmo. [Cristóvão R M Rincoski] p. 71
17 A figura a seguir mostra a relação entre o número de fótons emitidos na forma de raios X e a energia associada aos fótons. Os raios X de freamento, se apresentam como uma curva contínua, e os raios X característicos se apresentam como um pico. Este pico indica a transição realizada pelo elétron para camadas mais internas do átomo, então: E rx = E i E f = h f. [Cristóvão R M Rincoski] p. 72
18 Raios X característico Raios X de freamento ou bremsstrahlung. b) Raios Delta Provenientes da interação de partículas ou radiação com elétrons das camadas eletrônicas com alta transferência de energia. Ou seja, elétrons de alta energia (elétrons rápidos) provenientes da interação de partículas alfa com a matéria. 4 a Lista de Exercícios (Ex.: 1 a 7) Introdução à Radioatividade [Cristóvão R M Rincoski] p. 73
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