Radioatividade e Física Nuclear 1) Conceituar Radiação; 2) Aplicar Radiação; 3) Explicar os efeitos da Radiação; 4) Definir Átomo; 5) Descrever algumas propriedades dos 6) Átomos; 7) Definir Átomo de Hidrogênio; 8) Definir Raio-X; 9) Definir Núcleo; 10) Descrever algumas propriedades do nucleo; 11) Definir Decaimento Radioativo, Alfa e Beta.
RADIOATIVIDADE E FÍSICA NUCLEAR
O começo... 1895 Wilhelm Conrad Roengten descobre a radiação X 1896 Antoine Henri Bequerel descobriu que determinado material (sais de urânio) emitia radiações espontâneas radioatividade natural Em 1898 o casal Curie descobre o elemento radioativo Polônio e, em 1903, o Rádio Em 1899 Ernest Rutherford constatou que as radiações provenientes destes elementos eram de 3 espécies diferentes, as quais denominou de: alfa, beta e gama. Em 1960 surgi a ultra-sonografia que passa a ser usado como diagnóstico. Em 1970 Godfrey (britânico) e Comack (Africa do Sul) desenvolveram a tomografia computadorizada (TC). Por esse feito receberam o Prêmio Nobel (1979)
RADIAÇÕES IONIZANTES Fenômeno pelo qual a energia é transportada através do espaço em forma de raios. São consideradas Radiações Ionizantes aquelas que possuem energia suficiente para atravessar a matéria e remover elétrons, ionizando os átomos e moléculas. Essa radiação é normalmente dividida em dois grupos: 1- Radiação Corpuscular: é um feixe formado por partículas subatômicas (elétrons, prótons, nêutrons, etc) quando atingem alta velocidade. Por Ex. emissão alfa ou beta de um elemento radioativo. Possui massa e velocidade sendo calculada por: E =1/2. m.v2. 2- Radiação Eletromagnética: consiste de pacotes de energia transmitidos em forma de movimento ondulatório. Por ex. Ondas de rádio, luz visível, Raios X. Não possui massa
Entende-se por Radiações Eletromagnéticas a todas radiações que possuem oscilações elétricas e magnéticas; são ondas que viajam numa velocidade e diferem somente no comprimento de suas ondas (λ). As radiações corpuscular e eletromagnética solucionam uma série de problemas. A refração: quando uma onda se propaga passando de um meio para outro, ela sofrerá uma mudança de velocidade e direção de propagação. Difração: é a propriedade que a onda possui de contornar o obstáculo e se propagar. Quanto maior o comprimento da onda, mais fácil será sua difração, já que em alguns casos de ondas muito pequenas, elas provavelmente não conseguirão se difratar. Polarização: a polarização de uma onda eletromagnética é o plano no qual se encontra a componente ELÉTRICA desta onda.
Aplicações: 1ª- Pesquisa: laboratórios de pesquisa, aceleradores de partículas e de reatores nucleares são utilizados para descobrir novas partículas, conhecer melhor a estrutura de compostos químicos, o metabolismo de certos alimentos e na produção de fontes de radiações ionizantes. 2ª- Medicina: Isótopos(átomos que possuem a mesma quantidade de prótons, mas não a mesma de neutrons) radioativos são utilizados no tratamento de doenças e em pesquisa médica e biológicas. São utilizados na pesquisa de metabolismo de certos alimentos, no diagnóstico e tratamento de doenças. Ex. os raios-x identificam, localizam e combatem doenças. 3ª- Indústria: detecção de impurezas, desgastes, pesquisa de corrosão e difusão de metais. Emprego dos raios-x industrial na verificação de falhas em estrutura metálicas e identificação de soldas defeituosas.
Radioatividade: propriedade que os núcleos atômicos possuem de emitir partículas e radiações eletromagnéticas para se transformarem em outros núcleos. Este fenômeno espontâneo é denominado de desintegração radioativa ou reação de decaimento. O processo radioativo é uma alteração de caráter subatômico processando-se no interior do átomo (menor partícula que ainda caracteriza um elemento químico), em seus núcleos instáveis ( elementos de número atômico >82 -chumbo), desintegrando-se e transformando-se em elementos radioativos (filhos) emitindo radiações penetrante. Esses filhos podem ter o mesmo processo até seus núcleos ficarem estáveis (elementos de número atômico <82, menos os isótopos radioativos Ru-RUTÊNIO,Sn-ESTANHO, Lu-LUTÉCIO etc.). A radiação corpuscular é constituída de partículas eletrizadas positivas: raios Alfa e Beta mais e negativas: Beta menos. Essas radiações não ocorrem simultaneamente num mesmo elemento, porém as radiações Gama vem sempre acompanhadas de uma radiação Alfa ou Beta. Os raios Beta menos, são originados quando um núcleo aumenta seu peso atômico em uma unidade, porém seu número de massa não se altera, admitindo-se que um nêutron se transforma num próton. Os prótons e os nêutrons são chamados núcleons. Cada nuclídeo é constituído do símbolo do elemento, no. atômico e do no. de massa
RAIOS-X: É a radiação decorrente de choque de elétrons em alta velocidade com qualquer tipo de matéria. São ondas eletromagnéticas, como os raios Gama, diferem quanto à origem: Gama, origina-se de dentro do núcleo atômico e o Raio-X, de fora. Características iguais. Características do Raios-X: propagação retilínea dentro de 20Kev a 400Kev, não podem se acelerados ou desviados por campos magnéticos ou eletrostáticos; movimentam-se em linhas retas no vácuo; no ar de pouca densidade, uma pequena porção do pacote interagem com as moléculas do ar; atravessam um corpo tanto melhor quanto for sua energia; ionizam gases; exercem efeitos biológicos; saem em linha reta da pista focal do ânodo(pólo negativo de uma fonte eletrolítica) para todas as direções, etc. RAIOS GAMA: em muitos casos, após a emissão da partícula pelo núcleo, o processo radioativo se completa, mas, em outros casos, o núcleo filho permanece energizado, podendo emitir o excesso de energia em forma de fótons chamados Raios Gama, que são de natureza eletromagnética, como os raios-x. Os raios Gama por serem mais penetrante do que os raios Alfa e Beta, são menos ionizantes. A capacidade de ionização é inversamente proporcional a penetração.
RAIOS ALFA E BETA: surgem da desintegração radioativa do núcleo do átomo Partículas Alfa são de carga positiva e de massa muito maior quanto a dos elétrons. São núcleos atômico de Hélio, constituídos por 2 prótons e 2 nêutrons. A distância percorrida por uma partícula Alfa até parar é denominada de ALCANCE. Essas partículas são produzidas principalmente nos decaimentos de elementos pesados como o Urânio, Rádio, etc. Usualmente são acompanhadas por radiação Beta e Gama. Partícula Beta ocorre nos núcleos que têm excesso, ou falha, de nêutrons para ter estabilidade. Na desintegração Beta, o número de massa não se altera, enquanto o número atômico ou aumenta ou diminui de uma unidade, (β+) ou (β-) respectivamente. β+: O núcleo apresenta um excesso de prótons em relação ao número de nêutrons podendo alcançar estabilidade pela conversão de um próton em um nêutron e uma partícula beta positiva. β-: Núcleos que possuem um excesso de nêutrons podem alcançar a estabilidade pela conversão de um nêutron em um próton e uma partícula beta negativa
BIOIMAGEM: apresenta um setor constituído por vários serviços de diagnóstico. Existem diversas formas e aparelhos na obtenção de imagens de partes do corpo, órgãos e sistemas do paciente que irão ajudar num diagnóstico mais preciso. Ultra-som e a Ressonância Magnética não emitem ou utilizam Radiação Ionizante, contudo, os Tomógrafos Computadorizados, mamógrafos e aparelhos de raios-x convencionais, sim. A Medicina Nuclear obtém as imagens utilizando radioisótopos como fontes de radiação onde o aparelho irá captar esta radiação que foi introduzida no organismo do paciente formando assim as imagens. Na tomografia computadorizada, a imagem é formada por meio do processamento das informações obtidas pelos detectores dispostos ao redor do paciente, que captam a radiação emitida pelo conjunto de ampolas, após a interação com o paciente. Essa informação é transformada em impulso elétrico e transmitida ao computador, que processa os dados e forma a imagem. Um corte termográfico é representado na tela do monitor por pontos bidimensionais chamados pixels.
Os raios-x ao penetrarem no corpo humano, dependendo da intensidade dos tecidos que penetram (ossos, gorduras, líquidos), são absorvidos em maior ou menor intensidade. Além disso, o número atômico dos elementos químicos também determina o grau de absorção dos raios-x, sendo os de maior número atômico melhores absorvedores. Por exemplo, os ossos diminuem intensamente os raios- X em virtude do elemento Cálcio neles contidos. Tomografia Computadorizada (TC) com técnica Helicoidal ou Espiral: é uma revolução do exame tomográfico em que o tubo de raios-x desenvolve movimento em espiral ao redor do paciente, e a emissão dos raios-x e o movimento da mesa ocorrem ao mesmo tempo. Esse exame (pode ser usado em um episódio de apnéia ou mais) proporcionou uma grande melhora na qualidade de imagens e no rendimento diagnóstico. Essas imagens podem ser reconstruídas em diferentes planos ou em uma única imagem tridimensional. Efeitos da Radiação: estamos expostas à radiação de fontes naturais em decorrência de gases radioativos (radônio) presentes na atmosfera. A dose média de radiação natural é de 2,4 msv por ano (milésimos de Siervet, unidade que mede os efeitos biológicos da radiação). Para comparar, em torno de Fukushima-1, o governo informou que o nível de radiação alcançou 0,6 msv por hora.
Radiação
Com a utilização de um campo magnético, foram identificados três tipos de radiação emitida por elementos radioativos: a partícula, a partícula e a radiação.
Partícula alfa É constituída por 2 prótons e 2 nêutrons (núcleo de hélio). Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico fica reduzido de duas unidades, e seu número de massa, de quatro unidades. O urânio-238 é um emissor alfa. Com a emissão de uma partícula alfa, o urânio-238 transforma-se no elemento tório-234. Normalmente provocam ionização no meio com o qual interagem e apresentam baixo poder de penetração uma folha de papel pode blindar.
Partícula beta Pode ser um elétron ou um pósitron (partícula elementar que possui a mesma massa do elétron, mas carga elétrica positiva). No decaimento beta negativo, o número atômico aumenta de uma unidade e no decaimento beta positivo, o número atômico diminui de uma unidade em ambos os casos o número de massa não é alterado. Produz menos ionização que a partícula alfa, logo, apresenta o poder de penetração muito maior.
Raios gama Os raios gama são ondas eletromagnéticas. Quando um núcleo emite uma radiação gama, o número atômico e o número de massa não sofrem alteração Não possuem massa e são extremamente energéticos. Tem alto poder de ionização e são muito penetrantes.
Raios X Em 1895, Wilhelm Conrad Roengten, usando um tubo com vácuo, um filamento incandescente e alta voltagem, acelerou os elétrons emitidos do filamento. Ao atingir a tela do tubo, grande parte da energia desses elétrons era transformada em energia térmica, mas uma parte se transformava em energia radiante. A radiação emitida, muito mais penetrante do que a luz, não era percebida pelo olho humano, mas podia sensibilizar uma chapa fotográfica.
Primeira radiografia, da mão da esposa de Roentgen, com seu anel de casamento.
Radiações x saúde Partículas alfa em relação ao tecido humano, sua penetração é de décimos de centímetros, não constituindo riscos para a saúde. Mas a ingestão ou a inalação de partículas alfa podem acarretar sérios problemas à saúde. Partículas beta em relação ao tecido humano, os efeitos se limitam à pele. À semelhança das partículas alfa, quando ingeridas, as partículas beta são extremamente perigosas.
Raios X Permite importantes diagnósticos médicos. A exposição excessiva aos raios X é danosa aos tecidos humanos. Pode provocar lesões, manchas de pele e até câncer. Raios gama São muito utilizados no combate ao câncer, pois podem destruir células com má formação. A interação dos raios gama com os tecidos humanos pode provocar mutações celulares.
Capacidade de penetração
O átomo é formado por um núcleo de carga elétrica positiva, entorno das quais se movimentam partículas de massa muito pequenas e negativamente eletrizadas: os elétrons. No núcleo há dois tipos de partículas: prótons, que são eletricamente positivos, e nêutrons, que não tem carga elétrica. Há tantos elétrons quantos são os prótons. Modelo de Dalton Em 1803, John Dalton acreditava que a matéria seria constituída por átomos indivisíveis e espaços vazios. Ele imaginou o átomo como uma pequena esfera, com massa definida e propriedades características. Dessa forma, todas as transformações químicas podiam ser explicadas pelo arranjo de átomos. Toda matéria é constituída por átomos. Esses são as menores partículas que a constituem; são indivisíveis e indestrutíveis, e não podem ser transformados em outros, nem mesmo durante os fenômenos químicos. Os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos em massa e se comportam igualmente em transformações químicas. As transformações químicas ocorrem por separação e união de átomos. Isto é, os átomos de uma substância que estão combinados de um certo modo, separam-se, unindo-se novamente de uma outra maneira.
O modelo atômico de Thomson O modelo atômico do "pudim de passas" de Thomson O britânico Joseph John Thonmson descobriu os elétrons em 1897 por meio de experimentos envolvendo raios catódicos em tubos de crookes (tubo em forma de ampola que contém apenas vácuo e um dispositivo elétrico que faz os elétrons de qualquer material condutor saltar e formar feixes, que são os próprios raios catódicos). Ele, ao estudar os raios catódicos, descobriu que estes são afetados por campos elétrico e magnético, e deduziu que a deflexão dos raios catódicos por estes campos são desvios de trajetória de partículas muito pequenas de carga negativa, os elétrons. Thomson propos que o átomo era, portanto, divisível, em partículas carregadas positiva e negativamente, contrariando as idéias anteriores. O átomo consistiria de vários elétrons incrustados e embebidos em uma grande partícula positiva, como passas em um pudim. O modelo atômico do "pudim com passas" permaneceu em voga até a descoberta do núcleo atômico por Ernest Rtherford.
O modelo atômico de Rutherford Em 1911, realizando experiências de bombardeio de lâminas de ouro com partículas alfa (partículas de carga positiva, liberadas por elementos radioativos), Rutherford chegou às seguintes conclusões: No átomo existem espaços vazios; a maioria das partículas o atravessava sem sofrer nenhum desvio. No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso; algumas partículas alfa colidiam com esse núcleo e voltavam, sem atravessar a lâmina. O núcleo tem carga elétrica positiva; as partículas alfa que passavam perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetória. Pelo modelo atômico de Rutherford, o átomo é constituído por um núcleo central, dotado de cargas elétricas positivas (prótons), envolvido por uma nuvem de cargas elétricas negativas (elétrons). Rutherford demonstrou, ainda, que praticamente toda a massa do átomo fica concentrada na pequena região do núcleo. Niels Bohr, completou o modelo de Rutherford dizendo que: os elétrons giravam em órbitas circulares, ao redor do núcleo. Com isso ceiou o que hoje é chamado modelo planetário.
FÍSICA NUCLEAR FISSÃO E FUSÃO Força nuclear forte força de curtíssimo alcance, mas que, dentro do seu raio de ação, é muito mais intensa que a gravitacional e a eletromagnética. Quando um nêutron atinge o átomo, a ligação se rompe, o núcleo se divide em dois, libera radiação e calor. Nas reações que envolvem núcleos, as transformações de massa em energia e vice-versa estão sempre presentes.
Fissão nuclear A fissão nuclear é uma reação em que um núcleo, geralmente pesado, se fragmenta depois de ser atingido por um nêutron, liberando grande quantidade de energia. Na fissão novos nêutrons são liberados e vão provocar a fissão de outros núcleos; e assim sucessivamente, estabelecendo uma reação em cadeia.
A fissão nuclear libera grande quantidade de energia. Se for descontrolada, a reação será explosiva; é o que acontece nas bombas atômicas. Num reator nuclear, a reação em cadeia é controlada com o uso de barras de substâncias moderadoras, como, por exemplo, a grafite.
Reator nuclear
Lixo atômico Depois da fissão nuclear na usina, o que resta são átomos radioativos de plutônio, iodo, césio e dezenas de outros elementos. O plutônio emite radiação alfa que, quando absorvida pelos ossos humanos, causa câncer em poucos dias O plutônio precisa ser armazenado em câmaras de concreto e chumbo até que pare de oferecer tanto risco cerca de 24 000 anos!
Fusão nuclear A fusão nuclear é uma reação em cadeia em que núcleos leves se fundem para formar núcleos mais pesados, ocorrendo grande liberação de energia. A energia liberada pelas estrelas provém de reações de fusões nucleares. No Sol, o hidrogênio se transforma em hélio com liberação de energia.
A massa de hélio formada é menor do que a do hidrogênio envolvida. A diferença de massa é transformada em energia. A fusão é cerca de 8 vezes mais energética que a fissão.
Devido à repulsão eletrostática entre os núcleos de hidrogênio, são necessárias temperaturas da ordem de milhões de kelvins para a aproximação dos núcleos. Este valor corresponde à temperatura no núcleo das estrelas, onde a matéria é uma gás de íons positivos e elétrons, chamado de plasma. A temperatura é tão alta que não existe material que possa constituir um recipiente capaz de suportar uma reação envolvendo plasma.
são reatores que conseguem suportar essas temperaturas mantendo um delgado filete de plasma, longe das paredes, durante um curto intervalo de tempo e usando a técnica do confinamento magnético.
Energia nuclear e o aquecimento global Das fontes mais utilizadas de energia, apenas três não contribuem com a emissão de gases que causam o efeito estufa: Nuclear Eólica Solar
Energia eólica: como o vento não pode ser represado, é uma energia imprevisível, vulnerável a oscilações climáticas; Energia solar: necessita de grandes extensões para a produção de pouca energia, e só faz sentido em locais com forte incidência de luz solar; Energia nuclear: Com controle rígido dos reatores, a energia atômica e ecológica já é uma realidade
ENERGIA NUCLEAR NO MUNDO (percentual)
Referências CARRON e GUIMARÃES, As Faces da Física. Volume único. 2 ed. São Paulo: Moderna, 2002. GASPAR, Alberto. Física. Volume único. São Paulo: Ática, 2005. Superinteressante. Ed. Abril. Edição 241, julho/2007. http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/moderna www.dositech.com.br/nuclear/oqe.htm www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php... astro.if.ufrgs.br/estrelas/node12.htm