Licenciatura em Física
Estrutura da matéria (ESMZ5)
Professor Osvaldo Canato Júnior
AS RADIAÇÕES, O NÚCLEO ATÔMICO E SUAS PARTÍCULAS1
Como vimos, o interior da matéria no domínio atômico, inacessível ao toque e ao olhar humano, é percebido e analisado por
meio de radiações, luminosas ou não visíveis, que os átomos emitem, refletem ou absorvem. A descoberta do núcleo atômico e de
suas partículas também foi resultado da detecção e interpretação de radiações – nesse caso, de radiações nucleares.
As radiações nucleares e a constituição do núcleo
O que dificultou a compreensão da estrutura nuclear do átomo foi a natureza, desconhecida, durante algum tempo, das três
radiações emitidas pelos núcleos: os raios gama, constituídos de ondas eletromagnéticas e as radiações alfa e beta eram verdadeiros
projéteis, providos de massa e de carga elétrica. Essas radiações, denominadas pelas letras gregas, α, β e γ, na ordem em que foram
descobertas, foram chamadas também ionizantes, já que eram capazes de ionizar gases à sua passagem.
No final do século XIX, quando Marie Sklodowska Curie e Henri Becquerel perceberam que essas radiações emanavam de
certas substâncias químicas radiativas, não se sabia que eram radiações nucleares, pois nem se conheciam bem os átomos, quanto
menos seus núcleos.
A existência de núcleos compactos e positivos no centro dos átomos, percebida por Ernst Rutherford em 1911, foi apenas o
início de uma investigação que demorou décadas para revelar como são os constituintes do núcleo.
Inicialmente, em 1919, descobriu-se a existência dos prótons, cerca de 2 mil vezes mais pesados que os elétrons, com carga
elétrica idêntica à destes, mas de sinal oposto, ou seja, positivo. Depois, já em 1932, foram descobertos os nêutrons, de massa
semelhante à dos prótons, mas sem carga elétrica, o que permitiu uma melhor compreensão da constituição nuclear. As partículas β
foram logo reconhecidas como sendo elétrons em alta velocidade e os raios gama, como radiação eletromagnética de alta frequência.
Mas, mas apenas com a descoberta de prótons e nêutrons é foi possível compreender a natureza das partículas alfa: eram constituídas
de um par de prótons e de um par de nêutrons.
Diferentes isótopos de um mesmo elemento
Ao emitir uma partícula α, átomos de um elemento químico transformam-se em átomos de outro elemento, com número atômico
duas unidades menor e ao emitir uma partícula β, sofrem o acréscimo de uma unidade em seu número atômico. Não demorou muito
tempo para que se percebesse que as partículas α são idênticas ao núcleo dos átomos de hélio.
Descobriu-se também a existência do fenômeno da isotopia: átomos do mesmo elemento químico, mas com diferente número de
nêutrons no núcleo. O hidrogênio, por exemplo, tem 3 isótopos, cada um como seu próprio número de massa:
H (isótopo leve)
-> no de prótons = 1; no de nêutrons = 0; número atômico = 1; número de massa = 1
H (isótopo deutério) -> no de prótons = 1; no de nêutrons = 1; número atômico = 1; número de massa = 2
H (isótopo trítio)
-> no de prótons = 1; no de nêutrons = 2; número atômico = 1; número de massa = 3
Há um isótopo do hélio com número de massa 3, ou seja, com um dois prótons e um nêutron, assim como o isótopo do
hidrogênio, o trítio, também com número de massa 3, mas, nesse caso, com um próton e dois nêutrons. Enquanto o núcleo do isótopo
3 do hélio é estável, o do isótopo 3 do hidrogênio é muito instável, ou seja, desintegra-se.
O termo isótopo, de origem grega: iso (mesmo) + topos (lugar), indica o fato de que diferentes isótopos de um mesmo elemento
estão no mesmo lugar na tabela periódica dos elementos químicos, pois, tendo o mesmo número de prótons no núcleo, têm o mesmo
número de elétrons na eletrosfera e, portanto, as mesmas propriedades químicas.
A descoberta dos prótons permitiu interpretar o número de carga elétrica positiva do núcleo dos elementos químicos, mas só com
a descoberta dos nêutrons foi possível interpretar a diferença de massa dos isótopos de um mesmo elemento químico e a diferença
entre o número atômico, o número de massa e a massa atômica.
Interações nucleares fortes e fracas
Como é possível um grande número de prótons se manterem juntos, por exemplo, no núcleo dos átomos de tório, com número
atômico 90? É que existe uma grande força atrativa que compensa a força de repulsão elétrica.
Essa força de atração intensa é chamada de interação nuclear forte. Ainda que, por seu curto alcance, atue apenas no interior do
núcleo, a interação forte age entre os pares nêutron–nêutron, nêutron–próton e próton–próton. Nos núcleos maiores, a estabilidade
depende, de forma complexa, da relação entre o número de prótons e o de nêutrons. Assim, enquanto elementos com carga nuclear
menor que a do urânio (número atômico 92) apresentam pelo menos uma configuração estável, isótopos de elementos de maior carga
nuclear são geralmente instáveis.
Antes da descoberta dos nêutrons, acreditava-se que a diferença de massa entre os isótopos de um elemento químico
correspondia à existência de prótons a mais, cujas cargas seriam compensadas por elétrons “submersos” no núcleo. Com a existência
1
Texto formulado a partir do exposto nas páginas 21-27 de CANATO JR., O.; MENEZES, L.C. Radiações, materiais, átomos e núcleos. São Paulo: Pueri
Domus Escolas Associadas, 2003.
1
dos nêutrons, não era mais preciso imaginar a existência de elétrons dentro do núcleo, mas então surgia outra dúvida: se não há
elétrons no núcleo, como é possível existir a radiação β, ou seja, como é possível o núcleo emitir elétrons?
Foi o físico italiano Enrico Fermi (1901 - 1954) quem resolveu essa questão, apresentando uma teoria segundo a qual um nêutron
pode se converter em próton, emitindo um elétron.
Como a interação forte não conseguia explicar essa conversão, Fermi propôs a existência de uma nova força nuclear, denominada
interação nuclear fraca, também chamada interação fraca. Fermi, porém, teve dificuldade de apresentar uma teoria coerente com as
leis de conservaçãoda quantidade de movimento, da energia e outras, e teve de imaginar a existência de uma partícula leve e neutra
até então não observável: o neutrino (pequeno nêutron em italiano). Era uma partícula que já havia sido prevista por Wolfgang Pauli e
cuja existência só foi detectada muitos anos depois.
Na realidade, a emissão β revelou ter também uma outra modalidade: o pósitron ou elétron positivo. Que se forma quando um
próton se transforma em nêutron e o neutrino proposto por Pauli e Fermi revelou-se um antineutrino, o que tem a ver com as
antipartículas, que veremos adiante.
Resolvendo o quebra-cabeça nuclear
Foi sendo resolvido assim, aos poucos, o “quebra-cabeça” da constituição nuclear e de sua radiatividade.
Compreendidas as emissões alfa e beta, percebeu-se que elas deixam os núcleos resultantes excitados, cuja reacomodação é feita
por uma emissão γ.
Constatou-se que nem todos os isótopos naturais são estáveis e, mais tarde, como veremos, aprendeu-se a manipular os núcleos e
a produzir elementos novos, não existentes na natureza, realizando, de certa forma, o sonho dos alquimistas, de promover a
transmutação de substâncias.
Antes de abordarmos as tecnologias nucleares, veja uma síntese sobre a constituição dos núcleos e a radiatividade natural:
 Os núcleos atômicos são constituídos de prótons e de nêutrons.
 O número de prótons é a carga total do núcleo, denominado número atômico do elemento químico e define suas
propriedades químicas. Em um átomo neutro, o número de elétrons na eletrosfera é igual ao número de prótons no
núcleo.
 Como os elétrons são muito leves, a massa atômica é praticamente igual à massa do núcleo do átomo.
 Devido à repulsão elétrica entre os prótons, a explosão de qualquer núcleo complexo seria inevitável, se a repulsão não
fosse compensada pelas interações nucleares fortes, que são atrativas.
 A soma do número de prótons com o número de nêutrons define o número de massa do núcleo.
 Um conjunto de prótons e nêutrons livres tem massa maior do que um núcleo atômico formado pelo mesmo número de
prótons e nêutrons; a diferença entre as massas equivale à energia de ligação internuclear, igual à energia necessária
para desintegrar por completo o núcleo atômico.
 O número de nêutrons pode variar, para um mesmo elemento, sem alterar suas propriedades químicas, correspondendo a
seus diferentes isótopos.
 Alguns isótopos não são estáveis, ou seja, dependendo do número de nêutrons, são radiativos, mas todos os elementos
com carga nuclear menor que a do urânio (número atômico 92) têm pelo menos um isótopo estável.
 A radiação α, que é a expulsão de um conjunto de dois nêutrons e dois prótons, deixa o núcleo com número de massa
quatro unidades menor e com número atômico duas unidades menor.
 A radiação β corresponde à expulsão de um elétron gerado dentro do núcleo pela conversão de um nêutron em próton,
na interação nuclear fraca, deixando o núcleo com praticamente a mesma massa, mas com número atômico uma unidade
maior.
 A radiação γ, que é a emissão de um fóton de alta freqüência, é a forma pela qual um núcleo previamente excitado, por
exemplo, em consequência de uma emissão α ou β, se acomoda em um nível de menor energia.
 As radiações cósmicas, originadas de processos nucleares em outras partes do Universo, também podem interagir com
substâncias na atmosfera tornando-as radiativas.
Equivalência entre massa e energia nas reações nucleares
O número atômico de um elemento químico, definido pelo número de prótons, é indicado por Z e o número de massa, igual à
soma do número de prótons e nêutrons, é indicado por A,. Assim, os elementos químicos e seus isótopos são representados por ZXA.
Por exemplo, 1H1 representa o hidrogênio e 1H2 (deutério) e 1H3(trítio) representam seus isótopos; 2He4 representa o hélio e 2He3, seu
isótopo. Observe que o núcleo do 2He4 tem a mesma composição que uma a partícula α, que podemos escrever assim: 2α4.
Usando essa notação, a representação das reações nucleares pode ser feita de forma semelhante à das reações químicas. Veja dois
exemplos:
• Transformação do urânio 238 em tório 234, por emissão alfa: 92U238 → 90Th234 + 2α4
• Transformação do tório 234 em protactínio 234, por emissão beta: 90Th234 → 91Pa234 + e–
Nas reações nucleares, a carga elétrica e o total de prótons e nêutrons sempre se conservam, assim como a energia e a quantidade
de movimento do sistema. No entanto, diferentemente das reações químicas, que envolvem apenas rearranjo de átomos, nas reações
nucleares não há conservação da massa, e a diferença de massa é explicada pela equivalência entre massa e energia, dada pela fórmula
E = mc2.
De fato, no exemplo da transformação do urânio 238 em tório 234, a massa atômica do urânio é 238,051 u, maior do que a soma
das massas atômicas do tório, 234,044 u, e a da partícula 2α4, 4,003 u. A pequena diferença de massa, 0,004 u, convertida em energia,
resulta em aproximadamente 4 MeV, ou seja, 4 milhões de elétrons-volts, uma grande quantidade de energia que confere à partícula α
emitida uma grande energia cinética e, portanto, grande velocidade.
Veja os cálculos de conversão de u (unidade de massa atômica) em MeV (mega eletro-volt).
2
u = 1,66.10–27 kg, c = 3.108 m/s e 1 eV = 1,6.10–19 J -> mc2 = 1,66.10-27.(3.108)2/1,6.10-19  930 MeV. Portanto, 1u  930 MeV.
A equivalência entre massa e energia explica também a diferença entre os conceitos de número de massa e de massa atômica dos
elementos químicos. O núcleo do urânio 238, por exemplo, possui 92 prótons e 146 nêutrons. Separadas, essas partículas teriam
massa total de aproximadamente 240 u, mas, contidas pelas forças nucleares, formam um núcleo com pouco mais de 238 u. Onde foi
parar a diferença de quase 2 u? Na energia de ligação do núcleo. Isso significa que, para desintegrar por completo o núcleo do urânio
238, separando todos os seus prótons e nêutrons, seria necessário fornecer uma energia correspondente a 2 u, isto é, o mesmo que
aproximadamente 2000 MeV.
Como determinar a idade de múmias ou de telas de linho
Quanto mais recentemente uma substância radiativa se formou, maior é seu nível de atividade, e, quanto mais tempo passa,
menos sobra da substância original. Chama-se meia-vida o tempo necessário para que metade da concentração de uma susbtância
radiativa original decaia, transformando-se em outra substância. Dessa forma, após duas meias-vidas resta um quarto (metade da
metade) da concentração original; após três meias-vidas resta um oitavo (metade da metade da metade), e assim, em cada momento, a
concentração restante pode informar quanto tempo se passou ao partir do início dos decaimentos radioativos.
Assim, o decaimento de um isótopo radiativo pode ser usado em técnicas de datação de objetos muito antigos, como o do
carbono 14 (isótopo 6C14).
A todo instante, nosso planeta é bombardeado por enorme quantidade de raios cósmicos, que, ao colidirem com átomos da
atmosfera terrestre, provocam reações nucleares. Nesse processo, forma-se 6C14, um isótopo radiativo do carbono que decai, com uma
meia-vida de 5.730 anos, formando nitrogênio ( 7N14), por meio de emissões β,
14
14
0
6C → 7N + -1β
O decaimento do 6C14 permite conhecer, por exemplo, a idade de uma múmia ou, então, de um quadro pintado em uma tela de
linho, datado do século XVII, cuja autenticidade se queira confirmar.
Em um organismo vivo, a concentração de átomos de C14 é mantida constante pelo equilíbrio entre absorção de CO2 na
fotossíntese pelas plantas e liberação de CO2 na respiração de plantas e animais, integrados no ciclo das cadeias alimentares. Mas,
quando o organismo morre, a concentração de C14 diminui no ritmo da meia-vida desse isótopo. Assim, se o osso de um animal vivo
apresenta 16 decaimentos de C14 em N14 por minuto e se for encontrado o osso de um animal morto, do mesmo tipo e massa, que
apresenta 8 decaimentos por minuto será datado em 5.730 anos, enquanto outro que revelar apenas 4 decaimentos por minuto será
datado em 11.460 anos. Dessa forma, podemos determinar a idade da morte de qualquer animal ou vegetal ou de objetos derivados
deles, como o linho de uma tela.
3