Radiações e Radioatividade

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Edson Fortunato Valgueiro
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1 Radiações e Radioatividade 2015 Dr. Walter F. de Azevedo Jr. Objetivos Visualizar o espectro de emissão do hidrogênio. Estudar o decaimento radioativo e a datação por carbono 14. Materiais 1. Computador imac ou PC; 2. Programas Atomic Mac e PhET. Espectro de emissão do hidrogênio Considere o aparato experimental mostrado na figura 1. Temos um tubo de vidro onde foi feito vácuo e introduzido em seguida o gás hidrogênio. No tubo temos 2 eletrodos (fios), que por sua vez estão ligados a uma fonte de tensão (V). Ao aplicarmos uma diferença de potencial entre os eletrodos, estabelecemos uma corrente elétrica, que ioniza o gás hidrogênio. A luz que sai do tubo passa por uma fenda e incide sobre o prisma, que decompõe a luz. A representação da decomposição da luz é chamada espectro. O arranjo experimental que permite visualizar o espectro é chamado espectroscópio. Figura 1. Espectroscópio. As linhas do espectro de emissão, mostradas na figura 1, são resultados de transições do elétron do átomo de hidrogênio entre níveis de energia permitidos. Vimos que o elétron num átomo ou molécula não pode ter qualquer energia, e sim valores definidos. Dizemos que a energia é quantizada. O diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogênio é mostrado na figura 2. Um elétron no átomo de hidrogênio no nível n tem energia em ev dada pela seguinte equação: 13, 6 ev n E n 2 1

2 Figura 2. Diagrama de níveis de energia. Os elétrons podem sofrer transições, indo de um nível de energia permitido para outra permitido. Assim, ao sofrerem uma transição de um nível de mais alta energia, para um de mais baixa energia, o átomo emite radiação. A cor da radiação (luz) emitida depende da diferença de energia entre os níveis. Procedimento Com o programa Atomic Mac aberto, clique na posição do hidrogênio da tabela periódica. Aparecerá uma nova janela, clique na opção Spectrum e depois na Visible Spectrum. Você terá o espectro de emissão do hidrogênio, na faixa do visível. O eixo horizontal indica o comprimento de onda em angstroms (Å). 1) A figura do espectro de emissão do hidrogênio mostra 3 linhas claramente visíveis. Indique o comprimento de onda de cada linha. linha violeta = linha azul = linha vermelha = 2

3 2) A partir do diagrama de níveis de energia do átomo de hidrogênio (figura 2), identifique quais transições originam cada cor observada no espectro de emissão. A energia da cor vermelha é menor que da cor azul, por sua vez, a energia da cor azul é menor que a energia da cor violeta. 3) A diferença de energia entre os níveis 2 e 1 é de 10,2 ev. Um fóton de 10,2 ev está na faixa da radiação ultravioleta. Por que não observamos a radiação ultravioleta na simulação do espectro do programa Atomic Mac? 4) Considere um elétron com energia indicada pela letra a da figura 2. É possível que o átomo receba uma energia que o leve para o ponto b? Por quê? 5) O que acontece com um elétron, com a energia indicada pelo ponto c, se receber um fóton com energia de 4 ev? 6) O que acontece com um elétron numa transição do ponto f para o ponto c? 7) O que acontece com um elétron numa transição do ponto e para o ponto c? 8) O que acontece com um elétron numa transição do ponto d para o ponto c? 3

4 9) Abra o programa PhET e clique em Play with sims. Depois clique: Physics> Quantum phenomena > Models of the Hydrogen Atom> Run Now. Na simulação escolha na janela da esquerda acima a opção Prediction. No Light controls a opção Monochromatic. Na opção Atomic model selecione Bohr. Clique em Show electron energy level diagram. No Light controls entre os seguintes comprimentos de onda e ligue a lanterna (botão vermelho). Anote suas observações. (nm) Observação 150 Não há nem absorção nem emissão de radiação Por que nem todos os comprimentos de ondas são absorvidos pelo átomo? 4

5 Decaimento radioativo O carbono encontrado nos seres vivos é uma composição de isótopos de carbono 12 e 14, sendo o último instável. O carbono 14 é formado nas camadas superiores da atmosfera, em reações nucleares devido aos raios cósmicos. A incidência de radiação do solar nas altas camadas da atmosfera leva à formação de nêutrons energéticos. A colisão dos nêutrons com o nitrogênio 14 (formado por 7 prótons e 7 nêutrons), presente na atmosfera terrestre, faz com que seja emitido um próton, como consequência, há formação do carbono 14 (6 prótons + 8 nêutrons). A figura 3 ilustra a reação nuclear de formação do carbono 14. Figura 3. Formação do isótopo de carbono 14. Quimicamente os isótopos carbono 14 e carbono 12 são idênticos, assim os dois isótopos combinam-se com oxigênio da atmosfera e formam gás carbônico (CO 2). Esse gás é absorvido por organismos vivos. A troca contínua de gases com a atmosfera, leva a razão dos isótopos do carbono nos organismos vivos a permanecer idêntica à encontrada na atmosfera. A razão entre os isótopos de carbono 14 e 12 é de 1, Após a morte do organismo, o nível do carbono 14 começa a decrescer, visto que não há mais trocas gasosas com a atmosfera. Sabendo-se que a meia-vida (t 1/2) do carbono 14 é de 5730 anos, podemos determinar a idade de um artefato que apresenta carbono na sua constituição. Tal procedimento é comumente usado em arqueologia, na biologia forense, na datação de documentos e obras de arte. Essa técnica é usada para datar material com até aproximadamente 60 mil anos. Procedimento 1) Abra o programa PhET opção Radioactive Date Game (Earth Science). Clique na opção Decay rates. Escolha o isótopo de carbono 14 e na barra horizontal do balde, coloque todo para direita (indicando 1000 núcleos de carbono 14 no início da simulação). Aperte a tecla de pare e depois Reset All Nucle. Aperte a tecla step sucessivas vezes e anote o número de isótopos para 1 meia-vida, 2 meias-vidas e 3 meias-vidas. Meias-vida Número de isótopos de carbono 14 Número de isótopos de nitrogênio

6 Os números de isótopos observados foram os esperados? Caso contrário qual a razão da diferença? 2) Usando o mesmo programa, clique na opção Measurement. Deixe a opção Probe type como Carbon-14 e Objects. Depois Plant a tree e com a tecla step deixe a árvore crescer até 1000 anos (years). Corte a árvore (Kill tree)! Use a tecla step para montar a seguinte tabela de decrescimento do isótopo carbono 14. 3) Número de anos desde a morte da árvore Porcentagem de carbono 14 99,1 98,1 97,4 89,9 88,1 83, , ) Usando o mesmo programa, clique na opção Dating Game e faça uma estimativa da idade de cada um dos objetos indicados na figura. Arraste o detector de radiação para próximo do objeto. Objeto Animal skull (Crânio de animal) Living tree (Árvore viva) Distant living tree (Árvore viva distante) House (Casa) Dead tree (Árvore morta) Bone (Osso) Wooden cup (Taça de Madeira) Human skull (Crânio humano) Human skull (older one) (Crânio humano, +antigo) Fish bone (Osso de peixe) Idade em anos A partir de uma dada camada, o leitor de radiação indica zero. Por quê? Referências OKUNO, E., CALDAS, I. L., CHOW, C. Física para ciências biológicas e biomédicas. Editora Harbra, TIPLER, P. Física, para cientistas e engenheiros. Volume 4 3a ed. LTC-S.A

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