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
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
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.
3.1. 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
Ernest Rutherford, 10 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
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
3.2.1. 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) 234U → 142 nêutrons (abundância desprezível)
2º) 235U → 143 nêutrons (usado em reatores após ser
enriquecido − abundância 0,7%)
3º) 238U → 146 nêutrons (abundância 99,3%)
[Cristóvão R M Rincoski] p. 61
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
Fernando Mecca, Minicurso de Radioproteção, INCA, Instituto Nacional do Câncer.
3.3.1. 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
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
Z
X→
A− 4
Z −2
Y + 24He + energia
Exemplo) para o caso do plutônio
239
94
Pu →
U + 24He + 5,2 MeV
235
92
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 212Po.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 64
3.3.2. 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
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 −)
0
1
n → +1 p + 0− e + ν
A energia cinética resultante da diferença de energia entre o estado
inicial do núcleo ZA X e o estado do núcleo resultante Z +A1Y , 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) 131
53 I →
Xe + β − + ν + energia
131
54
[Cristóvão R M Rincoski] p. 66
Transformação do próton (β +)
+
1
p → 10n + 0+ e + ν
O núcleo inicial ZA X após transformação do próton resulta em Z −A1Y.
Exemplo)
18
9
F → 188O + β + + ν + energia
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.
3.3.3. 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
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
Eγ = E i − E f = h f
Onde Eγ é a energia da radiação gama emitida, Ei é a energia inicial
(estado excitado do núcleo), Ef é a energia final (estado fundamental
ou de menor energia do núcleo), h é a constante de Planck e f é a
freqüência da radiação gama.
Exemplo) No decaimento beta do 60Co para o
gamas emitidos referentes às transições:
60Ni,
temos três
Eγ1 = 2,50571 MeV – 1,33250 MeV = 1,17321 MeV
Eγ2 = 1,33250 MeV – 0 MeV = 1,33250 MeV
Eγ3 = 2,15880 MeV – 0 MeV = 2,15880 MeV
[Cristóvão R M Rincoski] p. 68
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
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
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
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:
Erx = Ei – Ef = h f.
[Cristóvão R M Rincoski] p. 72
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.
4a Lista de Exercícios (Ex.: 1 a 7) − Introdução à Radioatividade
[Cristóvão R M Rincoski] p. 73