10. Radioatividade
Sumário Histórico da radioatividade Lei do decaimento radioativo Decaimentos alfa, beta e gama Séries radioativas Datação pelo Carbono-14 Fissão nuclear Fusão nuclear
A descoberta da radioatividade Henri Becquerel (1896): mostrou que sais de Urânio sensibilizam placas fotográficas usando a deflexão por um campo magnético, ele descobriu 3 tipos de emissões radioativas: neutra, positiva e negativa
Pierre e Marie Curie (1898) O minério de Urânio contém elementos radioativos O Tório tem propriedades similares às do Urânio Descobriram os elementos Rádio e Polônio criaram o termo radioatividade para designar a emissão de partículas
Ernst Rutherford (1899) nomeou os três tipos de emissões radioativas alfa: carga positiva e facilmente absorvidas beta: carga negativa e mais penetrantes gama: neutra, sem desvio por campo magnético
Radioatividade emissão de partículas e radiação de núcleos pesados instáveis partículas α: núcleos de Hélio (2p+2n) partículas β: elétrons raios γ: fótons de alta energia prótons e nêutrons
Lei do decaimento radioativo (Rutherford e Soddy, 1902) N0: número inicial de núcleos-pais N(t): número de núcleospais no tempo t λ: constante de decaimento N(t) = N0 e-λt T1/2: meia-vida - tempo para que N caia à metade de N0 núcleo-pai núcleo-filho T1/2 = ln 2/λ
Exemplos de núcleos radioativos
Atividade é o número de desintegrações por unidade de tempo A = dn/dt = λ N A = λ N0 e-λt unidades = Curie (Ci) e Bequerel (Bq) 1 Ci = 3,7 x 1010 desintegrações por segundo 1 Bq = 1 desint. por segundo
Problema resolvido A meia-vida do 9038Sr, que sofre decaimento beta, é igual a 28 anos. Determine (a) a constante de decaimento, (b) a atividade de uma amostra de 1 g deste radio-isótopo.
Radioisótopos 270 isótopos estáveis 50 isótopos radioativos milhares de radioisótopos fabricados em laboratório carta dos nuclídeos: gráfico de Z versus N decaimento radioativo objetiva maior estabilidade do núcleo
Decaimento alfa núcleo pai com Z e N partícula alfa = 2p + 2n núcleo filho tem Z-2 e N-2 (logo A-4) ocorre em núcleos pesados com uma razão Z:N alta (repulsão coulombiana cresce com Z2) decaimento provoca redução da razão Z:N no núcleo filho (tende a maior estabilidade)
Decaimento alfa do Polônio Po 20682Pb + 42He 210 84 Po: N=A-Z=210-84=126 Z/N=84/128 = 0,667 Pb: N=A-Z=206-82=124 Z/N=82/124 = 0,661 o decaimento reduziu a razão Z/N o núcleo filho está na região estável da carta de nuclídeos
Decaimento beta beta negativo: elétrons n p + antineutrino beta positivo: pósitrons n p + neutrino núcleo pai: Z e N núcleo filho: Z+1 e N1 (A não muda)
Decaimento gama núcleo muda de um estado de maior para um de menor energia pela emissão de radiação eletromagnética (fótons) Z e A não se alteram (o elemento químico é o mesmo) conservação do momentum linear
Séries radioativas sucessão de núcleos-filhos derivados de um núcleo-pai como a desintegração reduz o número de massa de 4 unidades, há quatro séries radioativas
Séries do Tório e do Urânio
Datação pelo carbono 14 O carbono 14 é formado a partir da colisão entre raios cósmicos e o nitrogênio 14, encontrado na atmosfera terrestre. Esse isótopo do carbono liga-se facilmente com o oxigênio, formando o gás carbônico, que é absorvido pelas plantas. Quando um ser vivo morre, a quantidade de carbono 14 diminui, o que implica em um decaimento radioativo.
Decaimento do Carbono 14 C é um núcleo radioativo presente em todos os seres vivos 14 6 decai no isótopo 126C a razão 146C /126C = 1,3x10-12 constante para organismos vivos (ciclo ) quando o organismo morre, o 14 C decai com meia-vida de 6 5730 anos
Datação pelo Carbono 14 para datar um fóssil, mede-se a quantidade de 14 C em relação à 6 quantidade presente no mesmo organismo vivo N(t) = N0 e-λt t = - (T1/2/ln 2) ln(n/n0) T1/2 = 5730 anos
Problema resolvido Um determinado fóssil tem 35% de Carbono-14, quando comparado com o mesmo organismo vivo. Qual a idade estimada para o fóssil?
Fissão Nuclear o núcleo-pai é quebrado em núcleos-filhos e nêutrons, liberando uma quantidade de energia pode ser espontânea rara) ou induzida por nêutrons que tornam o núcleo-pai instável
Energia liberada pela fissão nuclear massa dos núcleos filhos e nêutrons é menor do que a massa do núcleo-pai a diferença de massa equivale a uma energia E=mc2, que é liberada na forma de energia cinética dos filhos e energia de fótons
Reação em cadeia um único nêutron lento provoca uma fissão a fissão gera 3 nêutrons, cada um deles iniciando novas reações em cadeia energia liberada é multiplicada pelo número de núcleos envolvidos há a necessidade de uma massa crítica, para obtermos uma reação auto-sustentável
Energia nuclear fissão é induzida por nêutrons lentos (uso de um moderador), com energia da ordem de ev nêutrons rápidos não são capturados pelos núcleos energia cinética dos núcleosfilhos é igual a 217 MeV um único evento de fissão gera energia 200 milhões de vezes maior do que a energia do nêutron!
Usina Nuclear a energia cinética dos núcleos-filhos é convertida em calor um trocador de calor aquece água corrente, que move uma turbina a vapor (como numa usina termoelétrica) a energia elétrica é gerada por indução eletromagnética
Acidente de Chernobyl (Ucrânia) 26 de abril de 1986 usina sofreu interrupção de resfriamento durante procedimento de rotina superaquecimento provocou explosão do núcleo do reator e derretimento do material físsil liberação de material radioativo e contaminação extensa numa grande área
Bomba atômica (de fissão) liberação violenta e descontrolada da energia proveniente da reação em cadeia de fissão do Urânio235 (estimulada por nêutrons lentos ) potência destrutiva medida em ton (= equivalente à explosão de uma tonelada de TNT) bomba de Hiroshima: 16 quilotons
Fusão Nuclear dois núcleos leves (deutério e trítio) fundem-se para formar um núcleo mais pesado (Hélio) e um nêutron diferença de massa corresponde a uma energia (cinética dos nêutrons)
Aplicações da fusão nuclear é o processo básico de produção de energia nas estrelas devido à alta temperatura o Hidrogênio estelar está na forma de plasma (gás ionizado) plasma é confinado pelo campo gravitacional da estrela
Bomba de hidrogênio fusão nuclear descontrolada fusão é iniciada por uma explosão a fissão libera quantidades de energia superiores às das bombas de fissão bomba H mais potente até hoje (= 58 Megatons)
Fusão termonuclear controlada plasmas de fusão podem também criados em laboratório confinamento magnético do plasma tokamaks e stellarators: sistemas toroidais perspectiva a longo prazo de geração comercial de energia elétrica (limpa + segura)